Schedulability in Mixed-criticality Systems

par Rany Kahil

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Saddek Bensalem.

Le président du jury était Thao Dang.

Le jury était composé de Petro Poplavko, Samarjit Chakraborty.

Les rapporteurs étaient Sanjoy Kumar Baruah, Yamine Aït-Ameur.

  • Titre traduit

    Ordonnancement des systèmes avec différents niveaux de criticité


  • Résumé

    Les systèmes temps-réel critiques doivent exécuter leurs tâches dans les délais impartis. En cas de défaillance, des événements peuvent avoir des catastrophes économiques. Des classifications des défaillances par rapport aux niveaux des risques encourus ont été établies, en particulier dans les domaines des transports aéronautique et automobile. Des niveaux de criticité sont attribués aux différentes fonctions des systèmes suivant les risques encourus lors d'une défaillance et des probabilités d'apparition de celles-ci. Ces différents niveaux de criticité influencent les choix d'architecture logicielle et matérielle ainsi que le type de composants utilisés pour sa réalisation. Les systèmes temps-réels modernes ont tendance à intégrer sur une même plateforme de calcul plusieurs applications avec différents niveaux de criticité. Cette intégration est nécessaire pour des systèmes modernes comme par exemple les drones (UAV) afin de réduire le coût, le poids et la consommation d'énergie. Malheureusement, elle conduit à des difficultés importantes lors de leurs conceptions. En plus, ces systèmes doivent être certifiés en prenant en compte ces différents niveaux de criticités.Il est bien connu que le problème d'ordonnancement des systèmes avec différents niveaux de criticités représente un des plus grand défi dans le domaine de systèmes temps-réel. Les techniques traditionnelles proposent comme solution l’isolation complète entre les niveaux de criticité ou bien une certification globale au plus haut niveau. Malheureusement, une telle solution conduit à une mauvaise des ressources et à la perte de l’avantage de cette intégration. En 2007, Vestal a proposé un modèle pour représenter les systèmes avec différents niveaux de criticité dont les tâches ont plusieurs temps d’exécution, un pour chaque niveau de criticité. En outre, les conditions de validité des stratégies d’ordonnancement ont été définies de manière formelle, permettant ainsi aux tâches les moins critiques d’échapper aux délais, voire d’être abandonnées en cas de défaillance ou de situation d’urgence.Les politiques de planification conventionnelles et les tests d’ordonnoncement se sont révélés inadéquats.Dans cette thèse, nous contribuons à l’étude de l’ordonnancement dans les systèmes avec différents niveaux de criticité. La surcharge d'un système est représentée sous la forme d'un ensemble de tâches pouvant décrire l'exécution sur l'hyper-période de tâches ou sur une durée donnée. Ce modèle nous permet d’étudier la viabilité des tests de correction basés sur la simulation pour les systèmes avec différents niveaux de criticité. Nous montrons que les tests de simulation peuvent toujours être utilisés pour ces systèmes, et la possibilité de l’ordonnancement du pire des scénarios ne suffit plus, même pour le cas de l’ordonnancement avec priorité fixe. Nous montrons que les politiques d'ordonnancement ne sont généralement pas prévisibles. Nous définissons le concept de faible prévisibilité pour les systèmes avec différents niveaux de criticité et nous montrons ensuite qu'une classe spécifique de stratégies à priorité fixe sont faiblement prévisibles. Nous proposons deux tests de correction basés sur la simulation qui fonctionnent pour des stratégies faiblement prévisibles.Nous montrons également que, contrairement à ce que l’on croyait, le contrôle de l’exactitude ne peut se faire que par l’intermédiaire d’un nombre linéaire de préemptions.La majorité des travaux reliés à notre domaine portent sur des systèmes à deux niveaux de criticité en raison de la difficulté du problème. Mais pour les systèmes automobiles et aériens, les normes industrielles définissent quatre ou cinq niveaux de criticité, ce qui nous a motivés à proposer un algorithme de planification qui planifie les systèmes à criticité mixte avec théoriquement un nombre quelconque de niveaux de criticité. Nous montrons expérimentalement que le taux de réussite est supérieur à celui de l’état de la technique.


  • Résumé

    Real-time safety-critical systems must complete their tasks within a given time limit. Failure to successfully perform their operations, or missing a deadline, can have severe consequences such as destruction of property and/or loss of life. Examples of such systems include automotive systems, drones and avionics among others. Safety guarantees must be provided before these systems can be deemed usable. This is usually done through certification performed by a certification authority.Safety evaluation and certification are complicated and costly even for smaller systems.One answer to these difficulties is the isolation of the critical functionality. Executing tasks of different criticalities on separate platforms prevents non-critical tasks from interfering with critical ones, provides a higher guaranty of safety and simplifies the certification process limiting it to only the critical functions. But this separation, in turn, introduces undesirable results portrayed by an inefficient resource utilization, an increase in the cost, weight, size and energy consumption which can put a system in a competitive disadvantage.To overcome the drawbacks of isolation, Mixed Criticality (MC) systems can be used. These systems allow functionalities with different criticalities to execute on the same platform. In 2007, Vestal proposed a model to represent MC-systems where tasks have multiple Worst Case Execution Times (WCETs), one for each criticality level. In addition, correctness conditions for scheduling policies were formally defined, allowing lower criticality jobs to miss deadlines or be even dropped in cases of failure or emergency situations.The introduction of multiple WCETs and different conditions for correctness increased the difficulty of the scheduling problem for MC-systems. Conventional scheduling policies and schedulability tests proved inadequate and the need for new algorithms arose. Since then, a lot of work has been done in this field.In this thesis, we contribute to the study of schedulability in MC-systems. The workload of a system is represented as a set of jobs that can describe the execution over the hyper-period of tasks or over a duration in time. This model allows us to study the viability of simulation-based correctness tests in MC-systems. We show that simulation tests can still be used in mixed-criticality systems, but in this case, the schedulability of the worst case scenario is no longer sufficient to guarantee the schedulability of the system even for the fixed priority scheduling case. We show that scheduling policies are not predictable in general, and define the concept of weak-predictability for MC-systems. We prove that a specific class of fixed priority policies are weakly predictable and propose two simulation-based correctness tests that work for weakly-predictable policies.We also demonstrate that contrary to what was believed, testing for correctness can not be done only through a linear number of preemptions.The majority of the related work focuses on systems of two criticality levels due to the difficulty of the problem. But for automotive and airborne systems, industrial standards define four or five criticality levels, which motivated us to propose a scheduling algorithm that schedules mixed-criticality systems with theoretically any number of criticality levels. We show experimentally that it has higher success rates compared to the state of the art.We illustrate how our scheduling algorithm, or any algorithm that generates a single time-triggered table for each criticality mode, can be used as a recovery strategy to ensure the safety of the system in case of certain failures.Finally, we propose a high level concurrency language and a model for designing an MC-system with coarse grained multi-core interference.


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