Programming Language Primitives and Tools for Integrated Real-Time Systems Development

The correctness of real-time systems depends on both its logical and temporal correctness. Typically, real-time systems are developed in several steps. First, the application is divided into a number of recurrent tasks and implemented using a programming language. Second, the worst-case execution time (WCET) of each task is estimated for a specific hardware platform. Finally, schedulability analysis is performed to determine if the timing requirements are met on the specified hardware. There are several challenges in each of these complex steps, as well as how to integrate them in a systematic way. Moreover, many small-scale embedded systems are implemented using the C programming language. However, the C programming language has no direct primitives for programming the system’s temporal requirements. Similarly, the uncertainties in the measured WCET values and the release jitter can render the result of the schedulability analysis unreliable. Further, the practical differences in the tools used in each of these steps make the integrated development of real-time systems challenging. In this dissertation, we propose a set of programming primitives and tools for the integrated development of real-time systems. More specifically, we propose a small number of language primitives for programming timing, concurrency, and scheduling requirements of real-time systems. We introduce Timed C, a programming language for real-time systems that extends the C programming language with the proposed language primitives. We propose a seamless and pragmatic end-to-end toolchain that integrates the Timed C programming language, a source-to-source compiler, timing analysis, schedulability analysis, and a novel sensitivity analysis. The new approach to sensitivity analysis determines the worst-case execution time margins for weakly-hard real-time systems. We formalize a subset of the Timed C semantics and use this to design a new temporal property-based testing tool and methodology. Finally, we evaluate the proposed programming language and tools using experiments and case studies. Korrektheten för realtidssystem beror på både dess logiska och tidsmässiga kor- rekthet. Normalt utvecklas realtidssystem i flera steg. I det första steget delas applikationen in i ett antal återkommande uppgifter och implementeras med hjälp av ett programmeringsspråk. I det andra steget uppskattas den maximala exekveringstiden (WCET) för varje uppgift för en specifik hårdvaruplattform. Slutligen utförs schemaläggningsanalys för att avgöra om tidskraven uppfylls på den an- givna hårdvaran. Det finns flera utmaningar i vart och ett av dessa komplexa steg, samt i hur de integreras på ett systematiskt sätt. Många småskaliga inbyggda system implementeras med programmeringsspråket C. Programmeringsspråket C har dock inga direkta primitiver för att programmera systemets tidsmässiga krav. På ett liknande sätt kan osäkerheterna i de uppmätta WCET-värdena och frigöringsjitter göra resultatet av schemaläggningsanalysen opålitligt. Vidare gör de praktiska skillnaderna i verktygen som används i vart och ett av dessa steg den integrerade utvecklingen av realtidssystem utmanande. I denna avhandling föreslår vi en uppsättning programmeringsprimitiver och verktyg för en integrerad utveckling av realtidssystem. Mer specifikt föreslår vi ett litet antal språkprimitiver för att programmera tids-, samtidighets- och schemaläggningskrav för realtidssystem. Vi introducerar Timed C, ett programmeringsspråk för realtidssystem, som utvidgar programmeringsspråket C med de föreslagna språkprimitiverna. Vi föreslår en sömlös och pragmatisk end-to-end-verktygskedja som integrerar programmeringsspråket Timed C, en source-to-source-kompilator, tidsanalys, schemaläggningsanalys och en ny känslighetsanalys. Det nya tillvägagångssättet för känslighetsanalys bestämmer marginalerna för den maximala exekveringstiden för svagt hårda realtidssystem. Vi formaliserar en delmängd av semantiken för Timed C och använder denna i designen av ett nytt testverktyg för tidsmässiga egenskaper med tillhörande metodik. Slutligen utvärderar vi det föreslagna programmeringsspråket och verktygen med hjälp av experiment och fallstudier. QC 20210517