Executable time-triggered model (E-TTM) for the development of safety-critical embedded systems

Abstract

Die Entwicklung verteilter sicherheitskritischer eingebetteter Systeme mit ständig wachsender Funktionalität, die bestimmte Echtzeitvorgaben erfüllen müssen, führt zu einer erheblichen Steigerung der Komplexität. Die Komplexität unter Beibehaltung der zeitlichen Zusammenhänge zu reduzieren, sowie die zeitlichen Eigenschaften und Vorgaben im gesamten Entwicklungsprozess zu wahren, stellt eine der Hauptaufgaben in der Entwicklung dieser Systeme dar.<br />Das vorgestellte ausführbare zeitgesteuerte Modell (E-TTM, Executable Time-Triggered Model) stellt eine neue Herangehensweise dar, um Time- Triggered-Architektur- (TTA)-basierte Systeme zu modellieren und dabei mittels sparse-time base unter Wahrung der zeitlichen Zusammenhänge die Komplexität zu bewältigen. Dieser Ansatz, in dem das Simulationsintervall konfigurierbar ist, die Phasenbeziehungen jedoch erhalten bleiben, erlaubt die Simulation der Modelle mit höherer oder geringerer Geschwindigkeit sowie in Echtzeit. Die hierbei erzielten Ergebnisse stimmen zu jedem Simulationszeitpunkt überein. Darüber hinaus stellt E-TTM weitere Strategien bereit, um die Komplexität zu reduzieren: Abstraktion, Partitionierung, Segmentierung und sparse-time.<br />E-TTM wurde als C++-Bibliothek implementiert, die SystemC um das time-triggered Model of Computation (MoC) erweitert. Dieser Ansatz kann bereits in der Anfangsphase von Entwicklungsprozessen angewandt werden, um ausführbare TTA-Spezifikationen und plattformunabhängige Modelle (PIM, Platform Independent Model) zu entwickeln. Wann immer ein System als TTA implementiert ist, bleiben zeitliche Eigenschaften und Randbedingungen von der Spezifikation oder dem Modell bis zur Implementierung erhalten.<br />

The development of distributed safety-critical and real-time embedded systems that must satisfy a certain set of timing constraints with an ever increasing functionality leads to a considerable complexity growth. For example, a current premium car implements about 270 functions that a user interacts with, deployed over 67 independent embedded platforms, amounting to about 65 megabytes of binary code.<br />Tackling the complexity challenge, providing a consistent notion of time and preserving time properties and constraints throughout the development process are key challenges for the development of such systems.<br />The Executable Time-Triggered Model (E-TTM) is a novel approach for the executable modeling of safety-critical embedded systems based on the Time-Triggered Architecture (TTA), which provides a consistent notion of time based on the sparse-time concept. Different mechanisms are supported for the description of time properties and constraints, which are intrinsically preserved through model refinement steps and execution.For example, in the simulation of periodic control applications, period and phase relationships are kept constant but independently configurable enabling the simulation of models faster, slower or at the same pace as physical time but always producing the same results at the same simulation time instants. The E-TTM also provides additional strategies to tackle the complexity challenge such as abstraction, partition and segmentation.<br />E-TTM meta-model has been implemented as a C++ library that extends SystemC with the time-triggered Model of Computation (MoC), and enables the codesign and execution of E-TTM models in SystemC. This approach might be used from the early stages of a development process, in order to develop time-triggered executable specifications and Platform Independent Models (PIM). Whenever the system is implemented in a TTA based system, time related properties and constraints might be preserved from the model down to the final implementation.<br />