A Many-Core Platform with Run-Time Monitoring to Support Separation of Mixed-Criticality Applications

Mehr- und Vielkernplattformen bieten ausreichend Ressourcen für eine weitere Steigerung der Rechenleistung, zum einen für aufwendigere Anwendungen und zum anderen für die Integration mehrerer Anwendungen, welche sonst auf mehreren separaten Plattformen ausgeführt würden. Die große Anzahl an Ressourcen kann weiterhin dafür verwendet werden, einer Anwendung mehr Ressourcen als nötig redundant zuzuweisen oder zunächst unbenutzte Komponenten dazu zu verwenden, fehlerhafte Komponenten zur Laufzeit zu ersetzen, um so die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Anwendungen zu erhöhen. Hierfür muss eine Vielkernplattform eine transparente und flexible Zuordnung von Anwendungen erlauben, welche sich auch zur Laufzeit ändern lässt. Dasselbe gilt für die Kommunikationsverbindungen der Anwendungen mit verteilten Komponenten. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine parametrisierbare und synthetisierbare Vielkernplattform, welche die genannten Bedingungen durch Virtualisierung erfüllt. Weiterhin bietet die Plattform Mechanismen zur Separierung unterschiedlich kritischer Anwendungen. Ohne eine ausreichende Separierung müssen alle Anwendungen die Anforderungen der Anwendung mit der höchsten Kritikalität erfüllen. Dies würde den Aufwand für weniger kritische Anwendungen stark erhöhen. Eine ausreichende Separierung ermöglicht die unabhängige Entwicklung und Zertifizierung einzelner Anwendungen. Die Separierung betrifft hierbei nicht nur die Unabhängigkeit einzelner Anwendungen in Bezug auf ihr Zeitverhalten und ihren Raumbedarf, sondern muss auch auf ihren Energieverbrauch erweitert werden, da die verfügbare Energie ebenfalls von allen Anwendungen gemeinsam genutzt wird. Ein erhöhter Energieverbrauch einer Anwendung kann die verfügbare Energie für andere Anwendungen einschränken und durch eine erhöhte thermische Belastung die Verfügbarkeit und Lebensdauer des gesamten Chips reduzieren. Neben der statischen Separierung durch eine exklusive Zuweisung von Ressourcen bietet die Plattform eine skalierbare Laufzeitüberwachung mit einer kurzen Reaktionszeit, welche eine sichere und effiziente gemeinsame Nutzung von Ressourcen erlaubt. Die Laufzeitüberwachung ermöglicht die Überwachung des spezifizierten Verhaltens einzelner Anwendungen und kann dieses bei Bedarf zur Laufzeit erzwingen. Insgesamt ist die Arbeit ein weiterer Schritt, um Vielkernplattformen für unterschiedlich kritische Anwendungen effizient nutzbar zu machen.Modern multi- and many-core platforms offer sufficient resources for further increasing the performance of advanced applications. Moreover they allow integrating multiple applications that formerly ran on multiple chips. The large amount of resources can additionally be used to map applications redundantly to more resources than required to increase reliability. Spare parts can be used to replace faulty components at run time for higher availability. A suitable platform must allow remapping of applications and replacement of peripherals dynamically. Mapping to distributed resources but also communication among resources ideally is transparent and flexible to allow changes at run time. In this thesis, a parameterizable and synthesizable many-core platform is presented, which realizes the requirements above by virtualizing all resources that are available on the platform. The platform is used as a research vehicle to develop mechanisms for separating applications of different criticalities on a shared platform. On a many-core platform that runs mixed-criticality applications, all applications have to be sufficiently separated. Otherwise all applications have to fulfill the requirements of the highest level of criticality, even low critical ones. This would significantly increase the costs of a shared platform. Separation enables individual development and certification of applications and cost-efficient recertification of single applications after an update. Separation does not only include independence in terms of time and space, but also in terms of power consumption as the available energy for a many-core system is shared between all running applications. Increased power consumption of one application may reduce the available energy for other applications or the reliability and lifetime of the complete chip. Beside static separation of mixed-criticality applications by assigning them to separate resources, a fast and scalable monitoring and control mechanism allows safe and efficient sharing of resources by enforcing specified behavior of applications at run time. All in all, this thesisÕ contribution is a step towards exploiting the benefits of multi- and many-core platforms for mixed-criticality applications