Ziel des Teilprojektes C2 ist die Entwicklung eines selbstoptimierenden RCOS/RTOS Systems, welches sich zur Laufzeit optimal an die sich dynamisch ändernden Anforderungen von selbstoptimierenden Anwendungen anpasst. Hierfür werden Strategien auf RCOS/RTOS-Ebene entwickelt. Das System muss dabei strengen Echtzeit- und Sicherheitsbedingungen genügen. Um die Sicherheit auch unter dynamischen Randbedingungen zu erhöhen, werden Sicherheitseigenschaften zusätzlich zur Laufzeit verifiziert.
In der 1. Förderperiode wurden die Grundlagen für ein selbstoptimierendes Echtzeitkommunikations- (RCOS) und Echtzeitbetriebssystem (RTOS) entwickelt. Dies beinhaltete die Bereitstellung einer Hardware- und Softwareinfrastruktur für selbstoptimierende Systeme. Methoden für den Einsatz rekonfigurierbarer Hardware wurden erfolgreich zur Effizienz- und Flexiblitätssteigerung für Teile des RCOS/RTOS sowie für selbstoptimierende mechatronische Agenten angewendet. Des Weiteren wurden Regler effektiv und einfach in rekonfigurierbare Hardware eingebettet.
Im Rahmen der 2. Förderperiode wurden Konzepte und Methoden entwickelt, die es einem RCOS/RTOS- System ermöglichen, ungenutzte Ressourcen eines Berechnungsknotens auch auf anderen Knoten transparent den Anwendungen zur Verfügung zustellen. Der dadurch entstehende dynamische Echtzeit-Kommunikationsbedarf wird durch ein Netzwerk bestehend aus vernetzter rekonfigurierbarer Hardware und darin eingebetteten vernetzten Microcontroller bedient. Das selbstoptimierende RCOS reagiert dynamisch auf die Echtzeit-Kommunikationsanforderungen und optimiert sich durch Architektur-, Protokoll- und Parameteränderungen insbesondere auch auf der Hardware-Ebene.
Selbstoptimierung beinhaltet den Austausch von Anwendungskomponenten zur Laufzeit. In einem RTOS bedingt jede Modifikation der Taskmenge die Durchführung eines Akzeptanztests, die sich klassischerweise auf den Aspekt der Schedulability beschränkt. Der Akzeptanzdienst wurde um einen Überwachungsdienst erweitert. Dieser Überwachungsdienst erhöht die Sicherheit und Konsistenz von rekonfigurierbaren selbstoptimierenden Systemen, indem zur Laufzeit Techniken der Modellbasierten Verifikation angewendet werden. Die Überprüfung wird verzahnt mit der Anwendung ausgeführt und Fehler gemeldet, bevor diese eintreten.
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Rekonfigurierbarer Switch: Aus- tausch von zwei separaten Netzwerk- schnittstellen durch einen inte- grierten Switch |
In der nächsten Förderperiode soll eine Virtualisierungsplattform für eingebettete selbstoptimierende mechatronische Systeme entwickelt werden. Im Gegensatz zu kernelbasierten Betriebssystemkonzepten erlaubt der Einsatz einer Virtualisierungsplattform für eingebettete mechatronische Systeme eine sehr hohe Flexibilität, die für den Einsatz in selbstoptimierenden eingebetteten System notwendig ist. Diese Flexibilität wird dadurch erreicht, dass mehrere virtuelle Maschinen dynamisch auf ein reales System abgebildet werden können, wobei sowohl eine temporale als auch eine räumliche Trennung der Systeme erreicht werden kann. Insgesamt kann die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems durch den Einsatz einer Virtualisierungsplattform erheblich gesteigert werden. Virtualisierung ermöglicht zusätzlich zur Steigerung der Sicherheit und Zuverlässigkeit die Unterstützung für heterogene Betriebsystemumgebungen, um den konkurrierenden Anforderungen nach High-Level API’s für die Applikationsentwicklung, Echtzeitbedingungen und Unterstützung für Legacy-Software gerecht zu werden. Ebenso wird durch den Einsatz von Virtualisierung die Skalierbarkeit auf Hardwareresourcen verbessert, da diese durch die Virtualisierungsplattform den unterschiedlichen virtuellen Maschinen nach Bedarf zugewiesen werden können.
Die Kommunikationsinfrastruktur, die dem RCOS/RTOS-System zu Grunde liegt, soll um leistungsfähige drahtlose Komponenten erweitert werden. Im Vordergrund steht die Virtualisierung von Kommunikations- ressourcen für die drahtlose Datenübertragung unter Berücksichtigung der oben genannten Sicherheits- und Echtzeitbedingungen. Ansatz ist die kombinierte Nutzung verschiedener Funktechniken wie beispielsweise WLAN, Bluetooth und ZigBee, wobei aus der Anwendung heraus über eine Netzwerkabstraktionsschicht automatisch die geeignete Übertragung hinsichtlich verfügbarer Bandbreite und Latenz gewählt wird. Nach Bedarf bilden die zu vernetzenden Knoten ein (mobiles) Adhoc-Netzwerk, welches sich selbstoptimierend organisiert. Neben der Entwicklung eines Layer-3-Routingprotokolls erfolgt die Hardwareumsetzung der Funklösung in einer kombinierten (Multi-)Prozessor-FPGA-Umgebung.
Der in der 2. Förderperiode des SFB entwickelte und auf modellbasierter Verifikation aufbauende Überwachungsdienst soll in der dritten Phase erweitert und verbessert werden. Ein Schwerpunkt ist hierbei, den Überwachungsdienst weiter zu beschleunigen, sodass die Verifikation noch effizienter wird und eine höhere Abdeckung erreicht. Da Echtzeit-Anwendungen und Verifikation verzahnt ausgeführt werden, können die Anwendungen die Verifikation "überholen". In diesem Fall sollen zusätzlich Schutz-Maßnahmen ergriffen werden, die zudem zur Folge haben, dass die Verifikation wieder aufholt. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Ausweitung des Dienstes auf hybride Systeme, da zurzeit nur diskrete Modelle unterstützt werden. Speziell soll der kontinuierliche Anteil, z. B. kontinuierliche Regelung, in die modellbasierte Verifikation zur Laufzeit integriert werden. Zur Erkennung von zusätzlichen potenziellen Fehlern (inkl. transienter oder sporadischer), beispielsweise durch Hardwarefehler oder Erzeugung neuer Betriebszustände durch den Selbstoptimierungsprozess, soll ein Framework entwickelt werden, welches die Fähigkeiten der Anwendungen und des RTOS zur Selbstheilung unterstützt. Dieses Framework soll auf Basis von Signaturen, die das Systemverhalten codieren, Intrusion Detection Systemen und künstlicher Immunsysteme realisiert werden.
Publikationen (seit 6/2005)
Begutachtete Veröffentlichungen
Dittmann, F.; Frank, S.; Oberthür, S.: Algorithmic Skeletons for the Design of Partially Reconfigurable Systems. In: Proceedings of 15th Reconfigurable Architectures Workshop - RAW 2008, Miami, Florida, USA, 2008
Dittmann, F.; Götz, M.: Applying Single Processor Algorithms to Schedule Tasks on Reconfigurable Devices Respecting Reconfiguration Times. In: Proceedings of the 13th Reconfigurable Architectures Workshop (RAW 2006), Rhodes Island, Greece, 2006
Dittmann, F.; Götz, M.: Reconfiguration Time Aware Processing on FPGAs. In: In Proceedings of the Dagstuhl Seminar No 06141 on Dynamically Reconfigurable Architectures, Dagstuhl, Germany, 2006
Danne, K.; Platzner, M.: A Heuristic Approach to Schedule Periodic Real-Time Tasks on Reconfigurable Hardware. In: Proceedings of the International Conference on Field Programmable Logic and Applications (FPL05), Piscateway, NJ: IEEE, Tampere, Finland, 2005
Danne, K.; Platzner, M.: An EDF Schedulability Test for Periodic Tasks on Reconfigurable Hardware Devices. In: In Proceedings of LCTES 2006, Ottawa, 2006
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Götz, M.; Dittmann, F.: Reconfigurable Microkernel-based RTOS: Mechanisms and Methods for Run-Time Reconfiguration. In: Proceedings of the 3rd International Conference on ReConFigurable Computing and FPGAs 2006 (ReConFig'06), 2006, pp. 12-19
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Götz, M.; Dittmann, F.; Pereira, C. E.: Deterministic Mechanism for Run-Time Reconfiguration Activities in an RTOS. In: Proceedings of the 4th International IEEE Conference on Industrial Informatics (INDIN 2006), Singpore, 2006
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Dissertationen
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Götz, M.: Run-time Reconfigurable RTOS for Reconfigurable Systems-on-Chip. Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, Universität Paderborn, 2007
Heimfarth, T.: Biologically Inspired Management of Distributed Services for Wireless Sensor Networks. Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, Universität Paderborn, 2008
Ihmor, S.: Modeling and Automated Synthesis of Reconfugurable Interfaces. Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, Universität Paderborn, 2006
Xu, F.: Resource-Efficient Multi-Antenna Designs for Mobile Ad Hoc Networks. Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, Universität Paderborn, 2008
