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Modellierung von Ansätzen zur Zuverlässigkeitssteigerung im Mehrkernprozessorumfeld

Modellierung von Ansätzen zur Zuverlässigkeitssteigerung im Mehrkernprozessorumfeld
Typ:Masterarbeit
Datum:offen (zu vergeben)
Betreuer:

M. Sc. Tobias Dörr

Modellierung von Ansätzen zur Zuverlässigkeitssteigerung im Mehrkernprozessorumfeld

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Abbildung 1: Logo des ARAMiS-II-Projekts.
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Abbildung 2: Darstellung beispielhafter Tasks und deren Abhängigkeiten.
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Abbildung 3: Modell nach Anwendung des TMR-Musters.

Umfeld

Eingebettete elektronische Systeme unterliegen einer Vielzahl unterschiedlicher Anforderungen. Vor allem der Bedarf an Rechenleistung steigt seit Jahrzehnten kontinuierlich an. Um diesen zu decken, ist die Verwendung moderner Mehrkernprozessoren oft unvermeidbar.

Im sicherheitskritischen Umfeld, wie dem des automatisierten Fahrens, stellt dies jedoch eine massive Herausforderung dar: Denn trotz der Komplexität, die der Einsatz solch moderner Technologien hervorruft, muss das System die bestehenden Anforderungen nach Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit erfüllen.

Wie es dennoch möglich ist, Mehrkernprozessoren auf effiziente Art und Weise im sicherheitskritischen Umfeld einzusetzen, ist Forschungsgegenstand von ARAMiS II.

 

Aufgabenstellung

Ausgangspunkt der Arbeit ist die Problematik der Entwurfsraumexploration. Speziell geht es um ein Szenario, das beim Entwurf eines eingebetteten Systems auftreten kann: Nach der initialen Partitionierung, dem Mapping und anschließendem Scheduling stellt sich heraus, dass der momentane Entwurf das notwendige Maß an Zuverlässigkeit nicht erreicht.

Nun ist es notwendig, geeignete Maßnahmen zur Steigerung der Zuverlässigkeit zu ergreifen. Aus der Literatur ist eine Vielzahl solcher Ansätze bekannt. Sie können als Muster zur Zuverlässigkeitssteigerung betrachtet werden. Bezogen auf die initiale Problemstellung sind folgende Fragen nun von großem Interesse: Welche der bekannten Muster sind in welchem Ausgangsszenario anwendbar? Wie groß ist der Nutzen eines Musters im jeweiligen Fall einzuschätzen? Wie kann die Effizienz der Maßnahme eingeschätzt werden?

Um diese Fragen auf systematische Weise beantworten zu können, soll zunächst ein geeignetes Modell für die auszuführenden Tasks eines eingebetteten Systems gefunden werden. Ein möglicher Ausgangspunkt hierfür ist ein Graph, wie er in Abbildung 2 angedeutet ist.

Kern der Arbeit ist die Erweiterung dieses Modells um aus der Literatur bekannte Ansätze zur Zuverlässigkeitssteigerung. Ein beispielhafter Ansatz ist die sogenannte Triple Modular Redundancy (TMR). Angewandt auf den blau dargestellten Task ergibt sich ein transformiertes Modell (siehe Abbildung 3). Hierbei sind viele Details zu berücksichtigen: Neben der Duplizierung von Tasks und der Einführung eines Entscheiders müssen auch zusätzliche Randbedingungen abgebildet werden können. Auch die Frage nach der resultierenden Ausfallsrate (d. h. der Zuverlässigkeit nach der Transformation) muss das Modell beantworten können.

Um auf Basis des allgemeinen Modells auch eine automatisierte Exploration des Entwurfsraums zu ermöglichen, sind die Erkenntnisse abschließend als Software zu implementieren. Diese ist als Proof of Concept anzusehen und kann in einer hierfür geeigneten Programmiersprache (wie etwa C++ oder Python) angefertigt werden.

 

Voraussetzungen

Für den theoretischen Teil der Arbeit sind Kenntnisse im Bereich eingebetteter elektronischer Systeme notwendig. Vorkenntnisse in der Zuverlässigkeit von Systemen sind hilfreich. Für den praktischen Anteil sind gute Programmierkenntnisse erforderlich.