Methods for the adaptation and evaluation of existing automotive system software to multi-core processors

Steuergeräte in modernen Automobilen stellen eine Vielzahl von Funktionen bereit, die teils zu einem erheblichen Anteil mittels Software realisiert werden. Mit jeder neuen Fahrzeuggeneration werden diese Funktionen zunehmend komplizierter und vielfältiger, wodurch der Bedarf an Rechenleistung im Steuergerät steigt. Um diese Rechenleistung zur Verfügung zu stellen, kommen - wie bei Personalcomputern schon länger üblich - nun auch Mehrkernprozessoren zum Einsatz. Damit einher geht die Herausforderung, die bestehende Softwarewelt diesem Paradigmenwechsel anzupassen. Die verwendete Systemsoftware entspricht üblicherweise dem AUTOSAR-Standard. Obwohl an sich relativ jung (AUTOSAR 1.0 erschien 2005), waren die ersten Versionen von AUTOSAR noch exklusiv auf einkernige Systeme ausgelegt. Erst das Ende 2008 erschienene Release 4.0 enthielt Unterstützung für Mehrkernprozessoren. Dazu wurde in erster Linie das Betriebssystem erweitert, um die Ausführung von Tasks auf allen Kernen des Prozessors zu erlauben. Der größte Teil der Systemsoftware bleibt jedoch einfädig ausgelegt, indem die Ausführung nur auf einem bestimmten Kern zulässig ist. Diese Dissertation analysiert eine industrielle Umsetzung dieses Konzeptes auf Prozessoren, die für derartige Steuergeräte typisch sind. Dabei ist ein wichtiger Punkt das Messen der erreichbaren Leistungssteigerung bei einem Wechsel vom Einkernsystem zum Zweikernsystem. Die Ergebnisse zeigen, dass bestimmte Szenarien dabei extrem ungünstig abschneiden. Dies führt soweit, dass bei Hinzunahme des zweiten Kerns effektiv Leistungsverluste auftreten. Basierend auf Mehrkernadaptionen aus anderen Domänen werden drei alternative Architekturen vorgestellt, die die Schwächen der AUTOSAR-Architektur vermeiden sollen. Prototypen dieser Architekturen werden denselben Messungen unterzogen wie das AUTOSAR-System. Dabei zeigen sich - zum Teil deutlich - bessere Messwerte als beim AUTOSAR-System. Ein abschließendes Kapitel widmet sich weiteren Architekturen, die theoretischen Überlegungen folgend noch weitere Verbesserungen erwarten lassen, jedoch aufgrund von Hardwareeinschränkungen oder begrenzten Ressourcen nicht praktisch getestet werden konnten.In modern automobiles, a multitude of different functions are implemented by various electronic control units (ECUs). Software plays a vital part in the implementation of many of those functions. With each new model, these functions tend to get more sophisticated and complicated, which causes an increased demand for processing power within the ECUs. To satisfy this demand, the automotive industry is starting to equip the ECUs with multi-core processors – similar to the ones already used in desktop computers. As a consequence, the automotive industry faces the challenge of adapting a large quantity of legacy software to run on multi-core systems. The system software used in ECUs is usually an implementation of the AUTOSAR standard. Though AUTOSAR is a relatively new standard (version 1.0 was released in 2005), the first releases were meant for single-core systems only. Support for multi-core systems was first added in 2008 with the release of AUTOSAR 4.0. This first multi-core support mainly affected the operating system: it was extended to support tasks on each core of the processor. The biggest part of the AUTOSAR system was, however, still restricted to run only on a single core. This thesis analyses an industrial solution implementing this concept on dual-core processors from the automotive domain. An important part of this work is to determine the potential increase of performance of such a system, in comparison with a single-core system. The results show that under certain conditions, the performance of the dual-core system is limited. The worst observed measurements even showed that the single-core system was outperforming the dual-core system. Based on multi-core adaptions from other domains, this work presents three alternative multi-core architectures to address the weaknesses of the AUTOSAR architecture. Prototypes of these architectures are implemented and the measurements defined for the AUTOSAR system are repeated. The results are – sometimes significantly – better than on the AUTOSAR system. Further possibilities of improvement are discussed in a concluding chapter. These could not be evaluated for this work due to hardware limitations and lack of resources