Autonomic- und Organic-Computing-Techniken für eingebettete Echtzeitsysteme

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 der Echtzeitanwendungen zeitlich getrennt ausgeführt. Evaluierungen des Gesamtsystems auf einem simultan mehrfädigen Prozessor zeigen die Praktikabilität des Ansatzes und die damit erzielten Verbesserungen.

URN: urn:nbn:de:bvb:384-opus-16219
URL: http://opus.bibliothek.uni-augsburg.de/volltexte/2011/1621/