Adaptive responsive Eingebettete Systeme (ESI 2)

Adaptive responsive Eingebettete Systeme (ESI 2)

(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

Titel des Gesamtprojektes: ESI-Anwendungszentrum für die digitale Automatisierung, den digitalen Sport und die Automobilsensorik der Zukunft
Projektleitung: Peter Ulbrich
Projektbeteiligte: Tobias Klaus, Florian Peter Franzmann, Peter Wägemann, Heiko Janker
Projektstart: 1. Januar 2010
Projektende: 31. Dezember 2018
Akronym: ARES
Mittelgeber: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie (StMWIVT) (ab 10/2013)
URL: https://www4.cs.fau.de/Research/ARES/

Abstract

Das Projekt ARES befasst sich mit der Entwicklung von adaptiven Eingebetteten Echtzeitrechensystemen welche Echtzeitsignalverarbeitung und Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Energie garantieren:

Eingebettete System stützen sich häufig auf eine komplexe Sensorik für die Erfassung der Umwelt. Ein integraler Bestand dieser Systeme ist eine nicht minder komplexe Signalverarbeitung und Regelung. Da ihre Funktion maßgeblich von der rechtzeitigen Bereitstellung der Ergebnisse abhängt, gehören sie zur Klasse der Echtzeitsysteme. Eine übliche Grundannahme ist dabei die äquidistante und gleichzeitige Ausführung aller Modellelemente. Das bedeutet, dass die Abtastung aller Sensoren, die Berechnung sowie das Setzen der Stellwerte ohne zeitliche Verzögerung erfolgen soll. Diese Annahmen sind nicht direkt umsetzbar und stellen insbesondere für die in Leistung und Energieverbrauch begrenzten tief eingebetteten Systeme ein zunehmendes Problem dar. Ziel des Projekts ist daher einerseits die Optimierung des eingesetzten Echtzeitbetriebssystems hinsichtlich dessen Ressourcenbedarfs um die entstehenden Latenzen zu minimieren und damit eine höhere modelltreue zu erreichen. Andererseits soll auch das Entwurfsmodell verfeinert, geeigneten Anpassungen bei der Ablaufplanung durchgeführt und Schnittstellen zwischen Anwendung und Echtzeitbetriebssystem bereitgestellt werden. Insgesamt soll die Leistungsfähigkeit der Hardware besser ausgenutzt werden und gleichzeitig die Signalqualität und Regelgüte erhalten bleiben. Dieses Ziel ist ein erster Schritt zur Entwicklung energieeffizienter Systeme, da erst die Entspannung der Echtzeittermine eine energiegewahre Ablaufplanung ermöglicht.

Energiespeicher und Energieversorgung eingebetteter Systeme sind stringenten Einschränkungen unterworfen, insbesondere wenn solche Systeme am Körper getragen werden: Begrenztes Gewicht, limitierte Größe und eingeschränkte Laufzeit stellen große Herausforderungen an die Entwicklung von System- und Anwendungssoftware. Ein zentraler Aspekt liegt daher auf dem effizienten Umgang mit der zur Verfügung stehenden Energieressourcen. Aus Sicht des Softwareentwurfs ist der Energieverbrauch dabei eine querschneidende, nicht-funktionale Eigenschaft, die sowohl durch die eingesetzte Systemsoftware, als auch durch die eigentliche Anwendungssoftware beeinflusst wird. Ziel dieses Arbeitspakets ist es, bestehende Verfahren zur dynamischen Verwaltung der Energie mit Ansätzen zur statischen Optimierung der eigentlichen Anwendungssoftware zu kombinieren. Während dynamische Energiesparmechanismen zur Laufzeit vom Betriebssystem gesteuert werden, unterstützen statische Methoden den Entwurf energiegewahrer Software. Für die erfolgreiche Kombination dieser zwei Ansätze werden neue Werkzeuge entwickelt, um den Entwurf von Softwarekomponenten zu ermöglichen, die auf optimale Nutzung vorhandener Energieressourcen ausgerichtet sind. Der Entwurf solcher energiegewahrer Softwarekomponenten führt letztendlich zu längeren Laufzeiten der eingebetteten Systeme. Der energiegewahre Entwurf und die ressourcenschonende Ausführung bilden die Grundlage für die optimale Ausnutzung der vorhandenen Energie in einer Vielzahl von Anwendungsszenarien.

Publikationen

• Wägemann P., Distler T., Janker H., Raffeck P., Sieh V.:
  A Kernel for Energy-Neutral Real-Time Systems with Mixed Criticalities
  22nd Real-Time Embedded Technology & Applications Symposium (Vienna, Austria)
  In: Proceedings of the 22nd Real-Time Embedded Technology & Applications Symposium (RTAS '16) 2016
  Open Access: https://www4.cs.fau.de/Publications/2016/waegemann_16_rtas.pdf
  URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2016/waegemann_16_rtas.pdf
• Wägemann P., Distler T., Hönig T., Janker H., Kapitza R., Schröder-Preikschat W.:
  Worst-Case Energy Consumption Analysis for Energy-Constrained Embedded Systems
  Euromicro Conference on Real-Time Systems (Lund, Sweden)
  In: Proceedings of the 27th Euromicro Conference on Real-Time Systems (ECRTS '15) 2015
  DOI: 10.1109/ECRTS.2015.17
  URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2015/waegemann_15_ecrts.pdf
• Hoffmann M., Ulbrich P., Dietrich C., Schirmeier H., Lohmann D., Schröder-Preikschat W.:
  A Practitioner's Guide to Software-based Soft-Error Mitigation Using AN-Codes
  Symposium on High Assurance Systems Engineering (Miami, FL, USA, 9. Januar 2014 - 11. Januar 2014)
  In: Proceedings of the 15th IEEE International Symposium on High Assurance Systems Engineering (HASE '14) 2014
  DOI: 10.1109/HASE.2014.14
  URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2014/hoffmann_14_hase.pdf
• Hoffmann M., Ulbrich P., Dietrich C., Schirmeier H., Lohmann D., Schröder-Preikschat W.:
  Experiences with software-based soft-error mitigation using AN codes
  In: Software Quality Journal, Springer Verlag (Germany), 2016, S. 87-113
  DOI: 10.1007/s11219-014-9260-4
• Strübe M., Lukas F., Li B., Kapitza R.:
  DrySim: Simulation-Aided Deployment-Specific Tailoring of Mote-Class WSN Software
  17th ACM international conference on Modeling, analysis and simulation of wireless and mobile systems (Montreal, Canada, 21. September 2014 - 26. September 2014)
  In: Proceedings of the 17th ACM international conference on Modeling, analysis and simulation of wireless and mobile systems (MSWiM '14), ACM New York: 2014
  DOI: 10.1145/2641798.2641838
  URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2014/struebe_14_mswim.pdf