Anwendungsgewahre statische Spezialisierung vormals dynamischer Systemaufrufe zur Verbesserung nichtfunktionaler Eigenschaften eingebetteter Echtzeitsysteme

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Autoren

  • Björn Fiedler

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Details

OriginalspracheDeutsch
QualifikationDoktor der Ingenieurwissenschaften
Gradverleihende Hochschule
Betreut von
  • Daniel Lohmann, Betreuer*in
Datum der Verleihung des Grades8 Juni 2023
ErscheinungsortHannover
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Abstract

Eingebettete Systeme sind aus unserem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie sind allgegenwärtig in fast jedem Moment unseres täglichen Lebens um uns vorhanden und unterstützen unseren Alltag. Wir erwarten von diesen Systemen gleichzeitig sowohl hohe Kosteneffizienz in Entwicklung als auch Produktion. Gleichzeitig erwarten wir, dass diese zuverlässig arbeiten und stets erwartungsgemäß reagieren. Dies führt gerade bei der großen Stückzahl und dem weiter steigenden Vorkommen dieser Systeme zu einem immensen Druck auf den Entwicklungsprozess neuer Systeme. Während ein fertiges System entsprechend der Umgebung eine festgelegte Aufgabe und damit eine festgelegte Software-Anwendung hat, die es ausführt, sind die für dessen Implementierung und Ausführung verwendeten Werkzeuge nicht speziell für genau diese Aufgabe gedacht, sondern für eine Vielzahl möglicher Anwendungen. Dies bedeutet, dass sie einen deutlich größeren Funktionsumfang und eine größere Flexibilität in der Verwendung dessen ermöglichen, als von der konkreten Anwendung benötigt wird. In dieser Arbeit beschäftige ich mich mit den Echtzeitbetriebssystemen (EZBS), die als Ausführungsgrundlage dienen. Diese stellen ein breites Spektrum an Primitiven verschiedener Systemobjektklassen dazugehöriger Interaktionsmethoden zur Verfügung, von denen eine Anwendung nur eine Teilmenge verwendet. Bei den hier betrachteten dynamisch konfigurierten Systemen werden alle Systemobjekte zur Laufzeit konfiguriert und auch ihre Interaktionen sind ausschließlich durch den Verlauf des Programmcodes bestimmt. Ein Betriebssystem muss dementsprechend jederzeit beliebige Systemaufrufe akzeptieren können, auch wenn diese von der Anwendung nicht ausgeführt werden. Diese Freiheit verursacht pessimistische Annahmen für mögliche Interaktionsmuster und erzwingt eine dynamische Verwaltung aller Systemzustände und Systemobjekte. In dieser Arbeit stelle ich daher Verfahren vor, mit denen systematisch und automatisiert vormals dynamische Systemaufrufe unter Beachtung der Anforderungen einer gegebenen Anwendung statisch spezialisiert werden können, sodass sich insgesamt die nichtfunktionalen Eigenschaften des Gesamtsystems verbessern. Mittels statischer Analyse ermittle ich die von der Anwendung verwendeten Systemobjekte und deren mögliche Interaktionen. Mit diesem Wissen führe ich in Spezialisierungen in der Phase des Systemstarts und in der Arbeitsphase des Systems zur Übersetzungszeit durch. Der Systemstart optimiere ich, indem semantisch statische Systemobjekte bereits zur Übersetzungszeit instanziiert werden. Interaktionen während der Arbeitsphase optimiere ich, indem ich auf die tatsächlichen Verwendungsmuster spezialisierte Implementierungen von Systemobjekten und deren Interaktionen einsetze. Mit diesen Spezialisierungen bin ich in der Lage, sowohl Laufzeit als auch Speicherbedarf eines spezialisierten Systems zu reduzieren. Den Systemstart kann ich um bis zu 67 % beschleunigen. Bei der Ausführungszeit eines einzelnen Systemaufrufs zur Kommunikation zweier Systemobjekte sind bis zu 43 % Reduktion möglich. Als Ergebnis dieser Arbeit kann ich zeigen, dass eine automatische anwendungsgewahre statische Spezialisierung von vormals dynamischen Systemaufrufen gewinnbringend möglich ist. Dabei kann ich das Ergebnis von Systemaufrufen zur Laufzeit vorausberechnen und damit sowohl die sonst benötigte Laufzeit reduzieren, als auch eventuell nicht mehr benötigte Systemaufrufimplementierungen im Betriebssystem einsparen. Durch den Einsatz von anwendungsangepassten Implementierungen von Systemaufrufen ist eine weitere Verbesserung gegeben. Dies ist in einem fließenden Übergang möglich, sodass diejenigen Komponenten, die die Flexibilität der dynamischen Betriebssystemschnittstelle benötigen, diese weiterhin uneingeschränkt zur Verfügung steht. Die funktionalen Eigenschaften und Anforderungen werden dabei unter keinen Umständen verletzt.

Zitieren

Anwendungsgewahre statische Spezialisierung vormals dynamischer Systemaufrufe zur Verbesserung nichtfunktionaler Eigenschaften eingebetteter Echtzeitsysteme. / Fiedler, Björn.
Hannover, 2023. 129 S.

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

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@phdthesis{e8a4ab899a584a29bc7700e4d36a7763,
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author = "Bj{\"o}rn Fiedler",
year = "2023",
doi = "10.15488/13945",
language = "Deutsch",
school = "Gottfried Wilhelm Leibniz Universit{\"a}t Hannover",

}

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TY - BOOK

T1 - Anwendungsgewahre statische Spezialisierung vormals dynamischer Systemaufrufe zur Verbesserung nichtfunktionaler Eigenschaften eingebetteter Echtzeitsysteme

AU - Fiedler, Björn

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Eingebettete Systeme sind aus unserem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie sind allgegenwärtig in fast jedem Moment unseres täglichen Lebens um uns vorhanden und unterstützen unseren Alltag. Wir erwarten von diesen Systemen gleichzeitig sowohl hohe Kosteneffizienz in Entwicklung als auch Produktion. Gleichzeitig erwarten wir, dass diese zuverlässig arbeiten und stets erwartungsgemäß reagieren. Dies führt gerade bei der großen Stückzahl und dem weiter steigenden Vorkommen dieser Systeme zu einem immensen Druck auf den Entwicklungsprozess neuer Systeme. Während ein fertiges System entsprechend der Umgebung eine festgelegte Aufgabe und damit eine festgelegte Software-Anwendung hat, die es ausführt, sind die für dessen Implementierung und Ausführung verwendeten Werkzeuge nicht speziell für genau diese Aufgabe gedacht, sondern für eine Vielzahl möglicher Anwendungen. Dies bedeutet, dass sie einen deutlich größeren Funktionsumfang und eine größere Flexibilität in der Verwendung dessen ermöglichen, als von der konkreten Anwendung benötigt wird. In dieser Arbeit beschäftige ich mich mit den Echtzeitbetriebssystemen (EZBS), die als Ausführungsgrundlage dienen. Diese stellen ein breites Spektrum an Primitiven verschiedener Systemobjektklassen dazugehöriger Interaktionsmethoden zur Verfügung, von denen eine Anwendung nur eine Teilmenge verwendet. Bei den hier betrachteten dynamisch konfigurierten Systemen werden alle Systemobjekte zur Laufzeit konfiguriert und auch ihre Interaktionen sind ausschließlich durch den Verlauf des Programmcodes bestimmt. Ein Betriebssystem muss dementsprechend jederzeit beliebige Systemaufrufe akzeptieren können, auch wenn diese von der Anwendung nicht ausgeführt werden. Diese Freiheit verursacht pessimistische Annahmen für mögliche Interaktionsmuster und erzwingt eine dynamische Verwaltung aller Systemzustände und Systemobjekte. In dieser Arbeit stelle ich daher Verfahren vor, mit denen systematisch und automatisiert vormals dynamische Systemaufrufe unter Beachtung der Anforderungen einer gegebenen Anwendung statisch spezialisiert werden können, sodass sich insgesamt die nichtfunktionalen Eigenschaften des Gesamtsystems verbessern. Mittels statischer Analyse ermittle ich die von der Anwendung verwendeten Systemobjekte und deren mögliche Interaktionen. Mit diesem Wissen führe ich in Spezialisierungen in der Phase des Systemstarts und in der Arbeitsphase des Systems zur Übersetzungszeit durch. Der Systemstart optimiere ich, indem semantisch statische Systemobjekte bereits zur Übersetzungszeit instanziiert werden. Interaktionen während der Arbeitsphase optimiere ich, indem ich auf die tatsächlichen Verwendungsmuster spezialisierte Implementierungen von Systemobjekten und deren Interaktionen einsetze. Mit diesen Spezialisierungen bin ich in der Lage, sowohl Laufzeit als auch Speicherbedarf eines spezialisierten Systems zu reduzieren. Den Systemstart kann ich um bis zu 67 % beschleunigen. Bei der Ausführungszeit eines einzelnen Systemaufrufs zur Kommunikation zweier Systemobjekte sind bis zu 43 % Reduktion möglich. Als Ergebnis dieser Arbeit kann ich zeigen, dass eine automatische anwendungsgewahre statische Spezialisierung von vormals dynamischen Systemaufrufen gewinnbringend möglich ist. Dabei kann ich das Ergebnis von Systemaufrufen zur Laufzeit vorausberechnen und damit sowohl die sonst benötigte Laufzeit reduzieren, als auch eventuell nicht mehr benötigte Systemaufrufimplementierungen im Betriebssystem einsparen. Durch den Einsatz von anwendungsangepassten Implementierungen von Systemaufrufen ist eine weitere Verbesserung gegeben. Dies ist in einem fließenden Übergang möglich, sodass diejenigen Komponenten, die die Flexibilität der dynamischen Betriebssystemschnittstelle benötigen, diese weiterhin uneingeschränkt zur Verfügung steht. Die funktionalen Eigenschaften und Anforderungen werden dabei unter keinen Umständen verletzt.

AB - Eingebettete Systeme sind aus unserem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie sind allgegenwärtig in fast jedem Moment unseres täglichen Lebens um uns vorhanden und unterstützen unseren Alltag. Wir erwarten von diesen Systemen gleichzeitig sowohl hohe Kosteneffizienz in Entwicklung als auch Produktion. Gleichzeitig erwarten wir, dass diese zuverlässig arbeiten und stets erwartungsgemäß reagieren. Dies führt gerade bei der großen Stückzahl und dem weiter steigenden Vorkommen dieser Systeme zu einem immensen Druck auf den Entwicklungsprozess neuer Systeme. Während ein fertiges System entsprechend der Umgebung eine festgelegte Aufgabe und damit eine festgelegte Software-Anwendung hat, die es ausführt, sind die für dessen Implementierung und Ausführung verwendeten Werkzeuge nicht speziell für genau diese Aufgabe gedacht, sondern für eine Vielzahl möglicher Anwendungen. Dies bedeutet, dass sie einen deutlich größeren Funktionsumfang und eine größere Flexibilität in der Verwendung dessen ermöglichen, als von der konkreten Anwendung benötigt wird. In dieser Arbeit beschäftige ich mich mit den Echtzeitbetriebssystemen (EZBS), die als Ausführungsgrundlage dienen. Diese stellen ein breites Spektrum an Primitiven verschiedener Systemobjektklassen dazugehöriger Interaktionsmethoden zur Verfügung, von denen eine Anwendung nur eine Teilmenge verwendet. Bei den hier betrachteten dynamisch konfigurierten Systemen werden alle Systemobjekte zur Laufzeit konfiguriert und auch ihre Interaktionen sind ausschließlich durch den Verlauf des Programmcodes bestimmt. Ein Betriebssystem muss dementsprechend jederzeit beliebige Systemaufrufe akzeptieren können, auch wenn diese von der Anwendung nicht ausgeführt werden. Diese Freiheit verursacht pessimistische Annahmen für mögliche Interaktionsmuster und erzwingt eine dynamische Verwaltung aller Systemzustände und Systemobjekte. In dieser Arbeit stelle ich daher Verfahren vor, mit denen systematisch und automatisiert vormals dynamische Systemaufrufe unter Beachtung der Anforderungen einer gegebenen Anwendung statisch spezialisiert werden können, sodass sich insgesamt die nichtfunktionalen Eigenschaften des Gesamtsystems verbessern. Mittels statischer Analyse ermittle ich die von der Anwendung verwendeten Systemobjekte und deren mögliche Interaktionen. Mit diesem Wissen führe ich in Spezialisierungen in der Phase des Systemstarts und in der Arbeitsphase des Systems zur Übersetzungszeit durch. Der Systemstart optimiere ich, indem semantisch statische Systemobjekte bereits zur Übersetzungszeit instanziiert werden. Interaktionen während der Arbeitsphase optimiere ich, indem ich auf die tatsächlichen Verwendungsmuster spezialisierte Implementierungen von Systemobjekten und deren Interaktionen einsetze. Mit diesen Spezialisierungen bin ich in der Lage, sowohl Laufzeit als auch Speicherbedarf eines spezialisierten Systems zu reduzieren. Den Systemstart kann ich um bis zu 67 % beschleunigen. Bei der Ausführungszeit eines einzelnen Systemaufrufs zur Kommunikation zweier Systemobjekte sind bis zu 43 % Reduktion möglich. Als Ergebnis dieser Arbeit kann ich zeigen, dass eine automatische anwendungsgewahre statische Spezialisierung von vormals dynamischen Systemaufrufen gewinnbringend möglich ist. Dabei kann ich das Ergebnis von Systemaufrufen zur Laufzeit vorausberechnen und damit sowohl die sonst benötigte Laufzeit reduzieren, als auch eventuell nicht mehr benötigte Systemaufrufimplementierungen im Betriebssystem einsparen. Durch den Einsatz von anwendungsangepassten Implementierungen von Systemaufrufen ist eine weitere Verbesserung gegeben. Dies ist in einem fließenden Übergang möglich, sodass diejenigen Komponenten, die die Flexibilität der dynamischen Betriebssystemschnittstelle benötigen, diese weiterhin uneingeschränkt zur Verfügung steht. Die funktionalen Eigenschaften und Anforderungen werden dabei unter keinen Umständen verletzt.

U2 - 10.15488/13945

DO - 10.15488/13945

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -