Systemweite Optimalitätsanalyse und Maßschneiderung von Anwendungen mit Worst-Case-Beschränkungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Peter Wägemann
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502947440

Energiebeschränkte Echtzeitsysteme, wie beispielsweise implantierbare Medizingeräte, sind heutzutage allgegenwärtig. Diese Systeme erfordern von ihrer Software die Erfüllung der beiden Eigenschaften von sicherer und zugleich energieeffizienter Ausführung von Aufgaben der Software. In Hinblick auf funktionale Sicherheit müssen diese Systeme ihre Aufgaben innerhalb von Laufzeit- und Energieschranken ausführen, da das Überschreiten von Terminen und Energiebudgets zu lebensgefährlichen Konsequenzen führen kann. Statische Programmanalysewerkzeuge ermöglichen hierfür automatisiert das Worst-Case-Verhalten des Systems zu bestimmen, um letztendlich den sicheren Betrieb mit gegebenen Zeit- und Energieressourcen zu garantieren. Jedoch sind existierende statische Analysen nicht in der Lage, das Problem zu adressieren eines ressourceneffizienten Betriebs unter Beibehaltung der Eigenschaft von sicherer Ausführung. Weiterhin ist eine manuelle Maßschneiderung für das Effizienzproblem unpraktikabel durch die große Anzahl an Energiesparmechanismen in modernen Hardwareplattformen. Um dem Betriebssystem zur Laufzeit eine optimale Nutzung der Ressourcen zu ermöglichen bei sicherem Ablauf der Aufgaben, wäre eine ganzheitliche Sicht auf Aufgaben, ihre Ressourcenbeschränkungen und Energiesparmechanismen erforderlich, was vom aktuellen Stand der Forschung nicht erreicht wird.Das Forschungsprojekt Watwa bietet einen Ansatz für ganzheitliche Optimalitätsanalysen und Maßschneiderung von Systemen mit Worst-Case-Beschränkungen. Das Grundkonzept umfasst die automatisierte Generierung von funktional gleichwertigen Varianten der Aufgaben unter Ausnutzung vorhandener Energiesparmechanismen der Hardwareplattform. Die dadurch erreichte anwendungsgewahre Maßschneiderung erlaubt das gezielte Ein-/Ausschalten unbenutzter Leistungsverbraucher. Eine anschließende Worst-Case-Analyse bewertet das unterschiedliche zeitliche und energetische Verhalten der Varianten hinsichtlich des Ressourcenbedarfs. Schlussendlich ermöglicht es Watwa durch die Kombination aus Variantengenerierung und Analyse erstmals Hinweise auf optimale Systemabläufe vollständig automatisch zu finden. Optimalität meint hier die möglichst effiziente Ressourcennutzung bei garantierter Einhaltung aller Termine und Energiebudgets. Um analytisch bestimmte Hinweise zur Laufzeit auszunutzen, beinhaltet Watwa die Entwicklung eines Betriebssystems und einer Ablaufplanung, die auf veränderte Umweltbedingungen reagieren und einen effizienten, aber gleichzeitig sicheren Betrieb ermöglichen. Zusammengefasst zielt das Forschungsprojekt auf die Beantwortung folgender zwei Fragen ab: (1) Wie können statische Analysen unter Ausnutzung moderner Energiesparmechanismen Varianten mit optimalem Ressourcenbedarf und sicheren Schranken des Bedarfs erzeugen? (2) Wie können Betriebssysteme statisch bestimmte Hinweise auf mögliche Abläufe und Gerätenutzungen verwenden, um einen effizienten Betrieb unter Sicherheitsgarantien zu ermöglichen?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen