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

Research output: Thesis › Doctoral thesis

Authors

  • Björn Fiedler

Research Organisations

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Details

Original languageGerman
QualificationDoctor of Engineering
Awarding Institution
Supervised by
  • Daniel Lohmann, Supervisor
Date of Award8 Jun 2023
Place of PublicationHannover
Publication statusPublished - 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.

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@phdthesis{e8a4ab899a584a29bc7700e4d36a7763,
title = "Anwendungsgewahre statische Spezialisierung vormals dynamischer Systemaufrufe zur Verbesserung nichtfunktionaler Eigenschaften eingebetteter Echtzeitsysteme",
abstract = "Eingebettete Systeme sind aus unserem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie sind allgegenw{\"a}rtig in fast jedem Moment unseres t{\"a}glichen Lebens um uns vorhanden und unterst{\"u}tzen unseren Alltag. Wir erwarten von diesen Systemen gleichzeitig sowohl hohe Kosteneffizienz in Entwicklung als auch Produktion. Gleichzeitig erwarten wir, dass diese zuverl{\"a}ssig arbeiten und stets erwartungsgem{\"a}{\ss} reagieren. Dies f{\"u}hrt gerade bei der gro{\ss}en St{\"u}ckzahl und dem weiter steigenden Vorkommen dieser Systeme zu einem immensen Druck auf den Entwicklungsprozess neuer Systeme. W{\"a}hrend ein fertiges System entsprechend der Umgebung eine festgelegte Aufgabe und damit eine festgelegte Software-Anwendung hat, die es ausf{\"u}hrt, sind die f{\"u}r dessen Implementierung und Ausf{\"u}hrung verwendeten Werkzeuge nicht speziell f{\"u}r genau diese Aufgabe gedacht, sondern f{\"u}r eine Vielzahl m{\"o}glicher Anwendungen. Dies bedeutet, dass sie einen deutlich gr{\"o}{\ss}eren Funktionsumfang und eine gr{\"o}{\ss}ere Flexibilit{\"a}t in der Verwendung dessen erm{\"o}glichen, als von der konkreten Anwendung ben{\"o}tigt wird. In dieser Arbeit besch{\"a}ftige ich mich mit den Echtzeitbetriebssystemen (EZBS), die als Ausf{\"u}hrungsgrundlage dienen. Diese stellen ein breites Spektrum an Primitiven verschiedener Systemobjektklassen dazugeh{\"o}riger Interaktionsmethoden zur Verf{\"u}gung, 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 ausschlie{\ss}lich durch den Verlauf des Programmcodes bestimmt. Ein Betriebssystem muss dementsprechend jederzeit beliebige Systemaufrufe akzeptieren k{\"o}nnen, auch wenn diese von der Anwendung nicht ausgef{\"u}hrt werden. Diese Freiheit verursacht pessimistische Annahmen f{\"u}r m{\"o}gliche Interaktionsmuster und erzwingt eine dynamische Verwaltung aller Systemzust{\"a}nde 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 k{\"o}nnen, sodass sich insgesamt die nichtfunktionalen Eigenschaften des Gesamtsystems verbessern. Mittels statischer Analyse ermittle ich die von der Anwendung verwendeten Systemobjekte und deren m{\"o}gliche Interaktionen. Mit diesem Wissen f{\"u}hre ich in Spezialisierungen in der Phase des Systemstarts und in der Arbeitsphase des Systems zur {\"U}bersetzungszeit durch. Der Systemstart optimiere ich, indem semantisch statische Systemobjekte bereits zur {\"U}bersetzungszeit instanziiert werden. Interaktionen w{\"a}hrend der Arbeitsphase optimiere ich, indem ich auf die tats{\"a}chlichen 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 Ausf{\"u}hrungszeit eines einzelnen Systemaufrufs zur Kommunikation zweier Systemobjekte sind bis zu 43 % Reduktion m{\"o}glich. Als Ergebnis dieser Arbeit kann ich zeigen, dass eine automatische anwendungsgewahre statische Spezialisierung von vormals dynamischen Systemaufrufen gewinnbringend m{\"o}glich ist. Dabei kann ich das Ergebnis von Systemaufrufen zur Laufzeit vorausberechnen und damit sowohl die sonst ben{\"o}tigte Laufzeit reduzieren, als auch eventuell nicht mehr ben{\"o}tigte Systemaufrufimplementierungen im Betriebssystem einsparen. Durch den Einsatz von anwendungsangepassten Implementierungen von Systemaufrufen ist eine weitere Verbesserung gegeben. Dies ist in einem flie{\ss}enden {\"U}bergang m{\"o}glich, sodass diejenigen Komponenten, die die Flexibilit{\"a}t der dynamischen Betriebssystemschnittstelle ben{\"o}tigen, diese weiterhin uneingeschr{\"a}nkt zur Verf{\"u}gung steht. Die funktionalen Eigenschaften und Anforderungen werden dabei unter keinen Umst{\"a}nden verletzt.",
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 -