[論文レビュー] Hardware Software Co-design for Automotive CPS using Architecture Analysis and Design Language

Yuchen Zhou, John S. Baras+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2016

Real-Time Systems Scheduling参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、システムアーキテクチャの早期統合的分析を可能にするために、アーキテクチャ分析および設計言語（AADL）を用いた自動車サイバーフィジカルシステムのハードウェア・ソフトウェア共同設計手法を提案する。AADLを用いてハードウェアおよびソフトウェアコンポonentをモデル化し、リアルタイムシミュレーションおよびスケジューラビリティ解析を実施することで、制御システム性能の体系的検証および最適化を可能にする。得られた結果から、シングルコアACCシステムでは80msのサンプリングが最適であり、デュアルコア構成では40msが最適であると示された。

ABSTRACT

Modern cyber-physical systems (CPS) have a close inter-dependence between software and physical components. Automotive embedded systems are typical CPS, as physical chips, sensors and actuators are physical components and software embedded within are the cyber components. The current stage of embedded systems is highly complex in architecture design for both software and hardware. It is common in industrial practice that high level control algorithm development and low level code implementation on hardware platforms are developed separately with limited shared information. However, software code and hardware architecture become closely related with the increasing complexity. Correlated requirements and dependencies between hardware and software are emerging problems of industrial practice. We demonstrate in this paper a method to link model based system design with real-time simulations and analysis of the architecture model. This allows hardware software co-design and thus early selection of hardware architecture.

研究の動機と目的

• 自動車組み込みシステムにおける高水準制御アルゴリズムと低水準ハードウェア実装の間の開発の断片化という課題に対処すること。
• ハードウェアおよびソフトウェアアーキテクチャの早期統合的分析を可能にすることで、過剰設計と高コストを低減すること。
• 統一されたモデリングおよび分析フレームワークを通じて、システム整合性の向上と統合コストの低減を図ること。
• リアルタイムシミュレーションにおけるタイミング、スケジューラビリティ、パフォーマンス制約の形式的解析を支援することで、モデルベース開発を支援すること。
• 標準化されたモデリング言語を用いて、実装前の段階で体系的な要件精錬およびアーキテクチャ選定を可能にすること。

提案手法

• アーキテクチャ分析および設計言語（AADL）を用いて、ハードウェアプラットフォーム、ソフトウェアコンポーネント、通信プロトコルを含む、自動車制御システム全体をモデル化する。
• AADLモデル内で、ソフトウェアパーティションおよび実行時間、メモリフットプリント、I/O遅延などのシステムレベルの特性を定義する。
• Cheddarを用いてスケジューラビリティ解析を実施し、さまざまなサンプリング周期（20ms、40ms、80ms、160ms）のリアルタイム実現可能性を評価する。
• Truetimeを用いてリアルタイムシミュレーションを実施し、さまざまなタイミング条件下での制御性能およびデータ同期性を評価する。
• 過サンプリングおよびアンダーサンプリングなどの故障シナリオを想定してシステム動作を検証し、耐障害性およびタイミングへの耐性を評価する。
• 同一のAADLモデルを、高水準アーキテクチャ解析および詳細な実装レベルのシミュレーションの両方で使用することで、設計フェーズ間での一貫性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 開発ライフサイクルの初期段階でハードウェアおよびソフトウェアアーキテクチャをどのように共同設計すれば、システム統合性の向上とコスト低減が達成できるか？
• RQ2 リアルタイムおよび安全制約を満たす条件下で、シングルコアおよびデュアルコアプロセッサ上で適応巡航制御（ACC）システムの最適なサンプリング周期は何か？
• RQ3 タイミングの変動（例：過サンプリングまたはアンダーサンプリング）は、組み込み自動車システムにおける制御性能およびスケジューラビリティにどのように影響を与えるか？
• RQ4 AADLベースのモデリングは、異なる抽象化レベルで一貫した検証および検査をどの程度可能にするか？
• RQ5 同一のAADLフレームワーク内でリアルタイムシミュレーションおよびスケジューラビリティ解析を実施することで、システムの耐障害性向上と過剰設計の低減はどの程度達成できるか？

主な発見

• シングルコア実装では、80msのサンプリングが、性能劣化とスケジューラビリティの両者において最良のバランスを提供し、一部のデッドライン超過が発生しても制御性能の劣化は許容範囲内であった。
• デュアルコア構成では、40msのサンプリングが最適な性能とスケジューラビリティを達成しており、ECU間でのスレッド同期が適切に実現され、デッドライン超過は発生しなかった。
• 20msのサンプリングレートは、デュアルコア構成において異常なシステム動作とスケジューラの過負荷を引き起こし、スケジューラビリティ解析の結果を裏付けた。
• 160msのサンプリングレートは80msと同様の結果を示し、性能は許容範囲内であるが、40msや80msに比べて応答性が劣ることが判明した。
• 80msサンプリングのシングルコアシステムは、40msサンプリングのデュアルコアシステムと同等の進行性能を達成したが、実装の複雑さとコストが低く抑えられた。
• AADLベースの手法により、統一されたモデルを用いて、アーキテクチャ制約およびリアルタイム制御動作の早期かつ一貫した検証が可能になった。