Autonomic and Organic Computing Techniques for Embedded Real-Time Systems

Eingebettete Systeme werden heute in einer Vielzahl technischer Geräte zu deren Steuerung eingesetzt, wobei sie häufig unter Echtzeitanforderungen arbeiten. Durch ihren Einsatz können solche Geräte den steigenden Anforderungen etwa hinsichtlich der Sicherheit oder Energieeffizienz gerecht werden, was aber dazu führt, dass eingebettete Systeme immer komplexer werden. Eine wesentliche Rolle für diese Komplexitätssteigerung spielt die zunehmende Vernetzung eingebetteter Steuereinheiten, so dass diese Systeme immer schwieriger zu beherrschen sind. Dem wirkt man entgegen, indem man die einzelnen Komponenten eines solchen eingebetteten Netzes möglichst statisch konfiguriert und ihnen nur wenige Freiheitsgrade gibt. Der Ansatz, eine Steuereinheit für nur eine Aufgabe zu verwenden, erleichtert zwar deren Entwicklung, wird aber für die Zukunft nicht mehr zielführend sein. Eine Dynamisierung von eingebetteten Systemen ist also unausweichlich, wird aber durch die dort oft herrschenden Echtzeitanforderungen stark erschwert. Einen Ausweg aus dieser Lage bieten der Einsatz von modernen mehrfädigen Prozessorarchitekturen sowie die Paradigmen des Autonomic Computing und Organic Computing. Autonomic und Organic Computing zielen darauf ab, den Administrationsaufwand von komplexen Computersystemen zu reduzieren. Stattdessen sollen Computersysteme sich möglichst selbst organisieren und auf Problemsituationen möglichst sinnvoll reagieren. Zukünftige Computersysteme sollen dazu die Selbst-X-Fähigkeiten Selbstkonfiguration, Selbstheilung, Selbstoptimierung und Selbstschutz implementieren. Mehrfädige Prozessoren stellen hier eine technische Möglichkeit für den Einsatz der Selbst-X-Fähigkeiten in eingebetteten Systemen dar. Sie verfügen über genug Rechenkapazität, um über die eigentliche Anwendung hinaus parallel noch weitere Programme ausführen zu können, wobei sie durch die mehrfädige Programmausführung trotzdem den Echtzeitanforderungen eingebetteter Systeme gerecht werden können. All das setzt aber auch einen durchgehenden Software-Entwurf voraus, der die Anforderungen aus den Bereichen Echtzeit sowie Autonomic und Organic Computing beachtet. Diese Arbeit stellt einen solchen Software-Entwurf auf Ebene einer eingebetteten Steuereinheit vor und berücksichtigt dabei bereits eine mögliche Vernetzung von Steuereinheiten. Darüber hinaus wird ein Echtzeitbetriebssystem vorgestellt, das auch den Anforderungen des Autonomic und Organic Computing gerecht wird. Darauf aufbauend werden die Architektur und Implementierung eines Autonomic Management präsentiert, das die besonderen Anforderungen von Echtzeitsystemen berücksichtigt. Dazu werden nicht echtzeitfähige Reaktionen von den Echtzeitanwendungen zeitlich getrennt ausgeführt. Evaluierungen des Gesamtsystems auf einem simultan mehrfädigen Prozessor zeigen die Praktikabilität des Ansatzes und die damit erzielten Verbesserungen.Today, embedded systems are widely used to control technical devices. Often such embedded systems need to operate under real-time conditions. Their usage enables technical devices to comply with requirements regarding safety or energy efficiency. However, as these requirements are increasing, this also leads to an increasing complexity of embedded systems. The interconnection of several embedded control units makes it even harder to master such systems. Hence, the control units in embedded networks are mostly configured statically. To use one control unit for just a limited set of tasks eases their development, but in future this approach will not suffice. Therefore, embedded systems must become more flexible and more dynamic, while still adhering real-time requirements. Modern multithreaded processors and the paradigms of Autonomic Computing and Organic Computing offer one way out of this dilemma. Autonomic and Organic Computing aim to reduce the administration effort for complex computer systems. Instead, such systems shall organise themselves. They must react independently to problems and find reasonable solutions. Future computer systems shall implement self-X-capabilities, namely self-configuration, self-healing, self-optimisation, and self-protection. Multithreaded processors provide a technical base to fit embedded systems with self-X-capabilities. They provide computing performance sufficient to execute further programs in addition to the node's actual application. Based on the multithreaded program execution they can still fulfil real-time requirements of embedded systems. However, this approach needs an end-to-end design of the node software, which has to heed the requirements from the domains of real-time and Autonomic/Organic Computing. This work presents such a software design for an embedded control unit. It also considers the possibility of several control units forming an embedded network. A real-time operating system is introduced, which also satisfies the requirements of Autonomic and Organic Computing. This operating system provides the base for the architecture and implementation of an autonomic management, which accounts for the special requirements of real-time systems. Reactions with a non-determinable timing behaviour are executed in isolation from real-time applications. Evaluations of the complete system were performed on a simultaneous multithreaded processor. They demonstrate the practicality of this approach and the improvements gained