Eingebettete Systemsoftware

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http://hdl.handle.net/2003/27338

Die Arbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware ist an der Technischen Universität Dortmund am Lehrstuhl für Eingebettete Systeme angesiedelt. Sie vertritt insbesondere den Bereich der Betriebssysteme in Forschung in Lehre. Das Hauptziel der Forschungsarbeiten ist die Unterstützung von Softwareentwicklern beim Bau adaptiver Infrastruktursoftware für eingebettete Systeme. Dies erfordert geeignete Entwicklungsmethoden und -werkzeuge sowie realistische Fallstudien, die den Nutzen der Konzepte belegen. Zu diesem Zweck werden von uns derzeit Forschungsarbeiten in den folgenden Bereichen durchgeführt und kombiniert:

Software-Produktlinien, inbesondere im Bereich eingebetteter und automotiver Betriebssystemproduktlinien
aspektorientierte sowie generische und generative Programmierung, inbesondere im Kontext der Sprache AspectC++
dynamische Softwareadaptierung, insbesondere durch dynamisches Aspektweben
Konfigurierbarkeit nicht-funktionaler und architektureller Eigenschaften, inbesondere im Bereich von Betriebssystemen
Systemsoftwareunterstützung für rekonfigurierbare Hardware

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Aufzeichnungsbasierte Analyse von Sperren in Betriebssystemen
(2021) Lochmann, Alexander; Spinczyk, Olaf; Teubner, Jens
Moderne Mehrkernbetriebssysteme bieten eine Vielzahl an Synchronisationsmechanismen. Sie dienen der Realisierung von feingranularem Sperren, um dem Betriebssystem wie auch den darauf laufenden Anwendungen zu erlauben, die Leistung von modernen Mehrkernprozessoren auszunutzen. Hierbei werden ganze Subsysteme, einzelne Datenstrukturen oder lediglich Teile einer Datenstruktur mit einer oder mehr Sperren abgesichert. Je vielfältiger die Mechanismen und je feingranularer das Sperren wird, desto fehleranfälliger kann ein Betriebssystem werden. Daher ist es immanent wichtig zu verstehen, wie die vorgenannten Synchronisationsmechanismen in einem Mehrkernbetriebssystem eingesetzt werden, um Synchronisationsfehler zu vermeiden. Existierende Forschungsarbeiten in diesem Bereich befassen sich mit dem Auffinden von spezifischen Synchronisationsproblemen, wie z. B. der Detektion von Wettlaufsituationen um Speicherzugriffe. Sie detektieren Synchronisationsfehler allerdings nur im Nachhinein. Sie leiten aber keinerlei Sperren-Regeln ab, die Aussagen über das korrekte Absichern von Zugriffen machen könnten. So würden im Vorhinein Fehler vermieden. Genau diese Lücke versucht die vorliegende Arbeit zu schließen. Daher befasst sie sich mit den Fragen, ob man a) mit der aufzeichnungsbasierten Analyse Erkenntnisse über das Synchronisationsverhalten in Mehrkehrbetriebssystemen erlangen kann, und, wie man b) mit diesen Erkenntnissen die Softwarequalität moderner Mehrkernbetriebssysteme verbessern kann. Daraus ergeben sich folgende Forschungsbeiträge dieser Arbeit: Zunächst wird in dieser Arbeit der Entwurf des LockDoc-Ansatzes erläutert. Dieser umfasst das Aufzeichnen von Speicherzugriffen und Sperren-Operationen in einem Betriebssystemkern, während eine Arbeitslast ausgeführt wird. Daraus werden Zusammenhänge zwischen Zugriffen auf Datenstrukturen und Sperren-Operationen hergestellt. Dies lässt sich auf dreierlei Wegen nutzen: 1) Das Überprüfen der existierenden Sperren-Dokumentation, ob der Programmcode sich noch an die dokumentierten Regeln hält. 2) Das Ableiten von neuen Sperren-Regeln für verschiedene Datentypen. Aus diesen Daten lässt sich in einem weiteren Schritt eine neue Sperren-Dokumentation generieren. 3) Das Detektieren von Zugriffen, die nicht den abgeleiteten Regeln folgen. Die sogenannten Gegenbeispiele zeigen potentielle Synchronisationsfehler inkl. der Aufrufhierarchie sowie den tatsächlich gehaltenen Sperren an. In dieser Arbeit wird der Ansatz im Rahmen von Fallstudien auf die Betriebssystemkerne von Linux und FreeBSD angewendet. Die Untersuchung erfolgt dabei nach den drei vorgenannten Zielen. Basierend auf den Untersuchung im Rahmen dieser Arbeit wurden fünf Änderungen am Linux-Kern seitens des Autors dieser Arbeit erstellt und durch die Entwicklergemeinde akzeptiert. Eine weitere Änderung wurde bereits für gut befunden, aber noch nicht akzeptiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit führten ebenfalls zu einer Änderung an der Sperren-Dokumentation im FreeBSD-Kern. Außerdem wurde ein Synchronisationsfehler in FreeBSD aufgedeckt.
Software fault injection and localization in embedded systems
(2021) Gabor, Ulrich Thomas; Spinczyk, Olaf; Howar, Falk
Injection and localization of software faults have been extensively researched, but the results are not directly transferable to embedded systems. The domain-specific constraints applying to these systems, such as limited resources and the predominant C/C++ programming languages, require a specific set of injection and localization techniques. In this thesis, we have assessed existing approaches and have contributed a set of novel methods for software fault injection and localization in embedded systems. We have developed a method based on AspectC++ for the injection of errors at interfaces and a method based on Clang for the accurate injection of software faults directly into source code. Both approaches work particularly well in the context of embedded systems, because they do not require runtime support and modify binaries only when necessary. Nevertheless, they are suitable to inject software faults and errors into the software of other domains. These contributions required a thorough assessment of fault injection techniques and fault models presented in literature over the years, which raised multiple questions regarding their validity in the context of C/C++. We found that macros (particularly header files), compile-time language constructs, and the commonly used optimization levels introduce a non-negligible bias to experimental results achieved by injection methods operating on any other layer than the source code. Additionally, we found that the textual specification of fault models is prone to ambiguities and misunderstandings. We have conceived an automatic fault classifier to solve this problem in a field study. Regarding software fault localization, we have combined existing methods making use of program spectra and assertions, and have contributed a new oracle type for autonomous localization of software faults in the field. Our evaluation shows that this approach works particularly well in the context of embedded systems because the generated information can be processed in real-time and, therefore, it can run in an unsupervised manner. Concluding, we assessed a variety of injection and localization approaches in the context of embedded systems and contributed novel methods where applicable improving the current state-of-the-art. Our results also point out weaknesses regarding the general validity of the majority of previous injection experiments in C/C++.
Energy-aware design of hardware and software for ultra-low-power systems
(2019) Buschhoff, Markus; Spinczyk, Olaf; Marwedel, Peter
Future visions of the Internet of Things and Industry 4.0 demand for large scale deployments of mobile devices while removing the numerous disadvantages of using batteries: degradation, scale, weight, pollution, and costs. However, this requires computing platforms with extremely low energy consumptions, and thus employ ultra-low-power hardware, energy harvesting solutions, and highly efficient power-management hardware and software. The goal of these power management solutions is to either achieve power neutrality, a condition where energy harvest and energy consumption equalize while maximizing the service quality, or to enhance power efficiency for conserving energy reserves. To reach these goals, intelligent power-management decisions are needed that utilize precise energy data. This thesis discusses the measurement of energy in embedded systems, both online and by external equipment, and the utilization of the acquired data for modeling the power consumption states of each involved hardware component. Furthermore, a method is shown to use the resulting models by instrumenting preexisting device drivers. These drivers enable new functionalities, such as online energy accounting and energy application interfaces, and facilitate intelligent power management decisions. In order to reduce additional efforts for device driver reimplementation and the violation of the separation of concerns paradigm, the approach shown in this thesis synthesizes instrumentation aspects for an aspect oriented programming language, so that the original device-driver source code remains unaffected. Eventually, an automated process of energy measurement and data analysis is presented. This process is able to yield precise energy models with low manual effort. In combination with the instrumentation synthesis of aspect code, this method enables an accelerated creation process for energy models of ultra-low-power systems. For all proposed methods, empirical accuracy and overhead measurements are presented. To support the claims of the author, first practical energy aware and wireless-radio networked applications are showcased: An energy-neutral light sensor, a photovoltaic-powered seminar-room door plate, and a sensor network experiment testbed for research and education.
Design of fault-tolerant virtual execution environments for cyber-physical systems
(2019) Jablkowski, Boguslaw; Spinczyk, Olaf; Marwedel, Peter
The last decade revealed the vast economical and societal potential of Cyber-Physical Systems (CPS) which integrate computation with physical processes. In order to better exploit this potential, designers of CPS are trying to take advantage of novel technological opportunities provided by the unprecedented efficiency of today's hardware. There are, however, considerable challenges to this endeavor. First, there is a strong trend towards softwarization. Functions that were originally implemented in hardware are now being increasingly realized in software. This fact, together with the ever growing functionality of modern CPS, translates to unrestrained code generation which, in turn, directly influences their safety and security. Second, the spreading adaptation of multi-core and manycore architectures, due to their considerable increase in computation power, additionally generates issues related to timing properties, resource partitioning, task mapping and scalability. In order to overcome these challenges, this thesis investigates the idea of adopting virtualization technology to the domain of CPS. Several research questions originate from this idea and the following work aims at answering those questions. It addresses both technological and methodological issues. With respect to the technological aspects, it investigates problems and proposes solutions related to timing properties of a virtualized execution platform as well as the thereon based high availability technique. Regarding the methodological aspects, it discusses models and methods for the planing of safe and efficient virtualized CPS compute and control clusters, proposes architectures for the development and verification of virtualized CPS applications as well as for the testing of non-functional characteristics of the underlying software and hardware infrastructure. Further, through a set of experiments, this thesis thoroughly evaluates the proposed solutions. Finally, based upon the provided results and some new considerations regarding the requirements of future CPS applications, it gives an outlook towards a generic virtualized execution platform architecture for emerging CPS.
Co-Konfiguration von Hardware- und Systemsoftware-Produktlinien
(2017) Meier, Matthias; Spinczyk, Olaf; Nolte, Jörg
Hardwarearchitekturen im Kontext von Eingebetteten Systemen werden immer komplexer und bewegen sich zukünftig immer häufiger in Richtung von Multi- oder Manycore-Systemen. Damit diese Systeme ihre optimale Leistungsfähigkeit – für die oftmals speziellen Aufgaben im Kontext von Eingebetteten Systemen – ausspielen können, beschäftigen sich ganze Forschungszweige mit der anwendungsspezifischen Maßschneiderung dieser Systeme. Insbesondere die Popularität von Hardwarebeschreibungssprachen trägt dazu ihren Teil bei. Jedoch ist die Entwicklung von solchen Systemen, selbst bei der Verwendung von Hardwarebeschreibungssprachen und der damit verbundenen höheren Abstraktionsebene, aufwendig und fehleranfällig. Die Verwendung von Hardwarebeschreibungssprachen lässt allerdings die Grenze zwischen Hard- und Software verschwimmen, denn Hardware kann nun – ähnlich wie auch Software – in textueller Form beschrieben werden. Dies eröffnet Möglichkeiten zur Übertragung von Konzepten aus der Software- auf die Hardwareentwicklung. Ein Konzept um der wachsenden Komplexität im Bereich der Softwareentwicklung zu begegnen, ist die organisierte Wiederverwendung von Komponenten, wie sie in der Produktlinienentwicklung zum Einsatz kommt. Inwieweit sich Produktlinienkonzepte auf Hardwarearchitekturen übertragen lassen und wie Hardware-Produktlinien entworfen werden können, soll in dieser Arbeit detailliert untersucht werden. Die Vorteile der Produktlinientechniken, wie die Möglichkeit zur Wiederverwendung von erprobten und zuverlässigen Komponenten, könnten so auch für Hardwarearchitekturen genutzt werden, um die Entwicklungskomplexität zu reduzieren und so mit erheblich geringerem Aufwand spezifische Hardwarearchitekturen entwickeln zu können. Zudem kann durch die gemeinsame Codebasis einer Produktlinie eine schnellere Markteinführungszeit unter geringeren Entwicklungskosten realisiert werden. Auf Basis dieser neuen Konzepte beschäftigt sich diese Arbeit zudem mit der Fragestellung, wie zukünftig solche parallelen Systeme programmiert und automatisiert optimiert werden können, um den Entwickler von der Anwendung über die Systemsoftware bis hin zur Hardware mit einer automatisierten Werkzeugkette bei der Umsetzung zu unterstützen. Im Fokus stehen dabei die in dieser Arbeit entworfenen Techniken zur durchgängigen Konfigurierung von Hardware und Systemsoftware. Diese Techniken beruhen im Wesentlichen auf den Programmierschnittstellen zwischen den Schichten, deren Zugriffsmuster sich statisch analysieren lassen. Die so gewonnenen Konfigurationsinformationen lassen sich dann zur automatisierten Maßschneiderung der Systemsoftware- und Hardware-Produktlinie für ein spezifisches Anwendungsszenario nutzen. Die anwendungsspezifische Optimierung der Systeme wird in dieser Arbeit mittels einer Entwurfsraumexploration durchgeführt. Der Fokus der Entwurfsraumexploration liegt allerdings nicht allein auf der Hardwarearchitektur, sondern umfasst ebenso die Softwareebene. Denn neben der Maßschneiderung der Systemsoftware, wird auch die auf einer parallelen Programmierschnittstelle aufsetzende Anwendung innerhalb der Entwurfsraumexploration automatisch skaliert, um die Leistungsfähigkeit von Manycore-Systemen ausschöpfen zu können.
Aspect-oriented technology for dependable operating systems
(2017) Borchert, Christoph; Spinczyk, Olaf; Schröder-Preikschat, Wolfgang
Modern computer devices exhibit transient hardware faults that disturb the electrical behavior but do not cause permanent physical damage to the devices. Transient faults are caused by a multitude of sources, such as fluctuation of the supply voltage, electromagnetic interference, and radiation from the natural environment. Therefore, dependable computer systems must incorporate methods of fault tolerance to cope with transient faults. Software-implemented fault tolerance represents a promising approach that does not need expensive hardware redundancy for reducing the probability of failure to an acceptable level. This thesis focuses on software-implemented fault tolerance for operating systems because they are the most critical pieces of software in a computer system: All computer programs depend on the integrity of the operating system. However, the C/C++ source code of common operating systems tends to be already exceedingly complex, so that a manual extension by fault tolerance is no viable solution. Thus, this thesis proposes a generic solution based on Aspect-Oriented Programming (AOP). To evaluate AOP as a means to improve the dependability of operating systems, this thesis presents the design and implementation of a library of aspect-oriented fault-tolerance mechanisms. These mechanisms constitute separate program modules that can be integrated automatically into common off-the-shelf operating systems using a compiler for the AOP language. Thus, the aspect-oriented approach facilitates improving the dependability of large-scale software systems without affecting the maintainability of the source code. The library allows choosing between several error-detection and error-correction schemes, and provides wait-free synchronization for handling asynchronous and multi-threaded operating-system code. This thesis evaluates the aspect-oriented approach to fault tolerance on the basis of two off-the-shelf operating systems. Furthermore, the evaluation also considers one user-level program for protection, as the library of fault-tolerance mechanisms is highly generic and transparent and, thus, not limited to operating systems. Exhaustive fault-injection experiments show an excellent trade-off between runtime overhead and fault tolerance, which can be adjusted and optimized by fine-grained selective placement of the fault-tolerance mechanisms. Finally, this thesis provides evidence for the effectiveness of the approach in detecting and correcting radiation-induced hardware faults: High-energy particle radiation experiments confirm improvements in fault tolerance by almost 80 percent.
Efficient fault-injection-based assessment of software-implemented hardware fault tolerance
(2016) Schirmeier, Horst Benjamin; Spinczyk, Olaf; Polze, Andreas
With continuously shrinking semiconductor structure sizes and lower supply voltages, the per-device susceptibility to transient and permanent hardware faults is on the rise. A class of countermeasures with growing popularity is Software-Implemented Hardware Fault Tolerance (SIHFT), which avoids expensive hardware mechanisms and can be applied application-specifically. However, SIHFT can, against intuition, cause more harm than good, because its overhead in execution time and memory space also increases the figurative “attack surface” of the system – it turns out that application-specific configuration of SIHFT is in fact a necessity rather than just an advantage. Consequently, target programs need to be analyzed for particularly critical spots to harden. SIHFT-hardened programs need to be measured and compared throughout all development phases of the program to observe reliability improvements or deteriorations over time. Additionally, SIHFT implementations need to be tested. The contributions of this dissertation focus on Fault Injection (FI) as an assessment technique satisfying all these requirements – analysis, measurement and comparison, and test. I describe the design and implementation of an FI tool, named Fail*, that overcomes several shortcomings in the state of the art, and enables research on the general drawbacks of simulation-based FI. As demonstrated in four case studies in the context of SIHFT research, Fail* provides novel fine-grained analysis techniques that exploit the newly gained possibility to analyze FI results from complete fault-space exploration. These analysis techniques aid SIHFT design decisions on the level of program modules, functions, variables, source-code lines, or single machine instructions. Based on the experience from the case studies, I address the problem of large computation efforts that accompany exhaustive fault-space exploration from two different angles: Firstly, I develop a heuristical fault-space pruning technique that allows to freely trade the total FI-experiment count for result accuracy, while still providing information on all possible faultspace coordinates. Secondly, I speed up individual TAP-based FI experiments by improving the fast-forwarding operation by several orders of magnitude for most workloads. Finally, I dissect current practices in FI-based evaluation of SIHFT-hardened programs, identify three widespread pitfalls in the result interpretation, and advance the state of the art by defining a novel comparison metric.

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