Component-based scheduling and system optimization for automotive control systems

Abstract

복잡한 자동차 제어 소프트웨어를 개발하기 위해 전체 시스템을 단순하고 쉽게 검증 가능한 소프트웨어 컴포넌트를 조립하여 개발하는 컴포넌트 기반의 개발 방법이 많이 사용되고 있다. 따라서, 단위 소프트웨어 컴포넌트의 기능을 검증함으로써 전체 시스템의 기능적 완결성을 쉽게 검증할 수 있다. 하지만, 소프트웨어 컴포넌트의 입력에서 출력까지의 지연 시간은 하드웨어의 성능과 하드웨어 자원을 공유하는 소프트웨어 컴포넌트들에 따라 일관되게 유지되지 못한다. 이와 같은 문제 때문에 컴포넌트 기반으로 시스템을 설계하더라도 전체 시스템의 시간 정확성을 검증하기는 매우 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해서 본 논문은 각 소프트웨어 컴포넌트의 지연 시간을 일정하게 보장하면서 주어진 제어 트랜잭션들을 네트워크로 연결된 ECU 위에 구현하는 새로운 프레임워크를 제안한다. 제안하는 프레임워크를 사용하면 각 소프트웨어 컴포넌트의 지연 시간을 정확히 보장함으로써 전체 시스템의 시간 정확성을 단위 컴포넌트의 지연 시간으로부터 쉽게 검증할 수 있다. 또한 컴포넌트 스케쥴링을 위하여 기존에 사용되는 자원 배분 방법은 각 소프트웨어 컴포넌트에 지속적으로 주어진 하드웨어 용량을 할당하기 때문에 자동차 제어 트랜잭션처럼 소프트웨어 콤포넌트들이 순차적으로 수행되는 경우 심각한 하드웨어 자원 낭비를 초래하게 된다. 이 문제에 대한 해결 방법으로 본 논문은 하드웨어 자원 용량을 각 소프트웨어 컴포넌트가 실제로 필요로 하는 시간 동안만 제공하는 새로운 자원 공유 방법을 제안한다. 실험 결과에 의하면 본 논문의 결과는 주어진 하드웨어 자원을 효율적으로 활용하여 기존의 자원 배분 방법보다 약 세 배 많은 수의 제어 트랜잭션을 수용할 수 있다. 이와 같은 자원 활용 방법을 기반으로 본 논문은 또한 주어진 제어 트랜잭션을 구현할 수 있는 최소 비용의 하드웨어 시스템 설정을 찾는 방법을 제시한다. 제안하는 프레임워크의 성능은 시뮬레이션과 구현 연구에 의해서 검증된다. 특히 제안하는 프레임워크를 툴체인과 컴포넌트 수행 커널로 구현함으로써 제안하는 프레임워크의 유용성을 검증한다.

Automotive software systems are getting larger and more complex as new advanced features are added. Thus, such complex software systems should be designed by composing less complex SW components to manage the complexity. Although the functional correctness of the entire system can be easily verified by validating each SW component's invariant functional behavior, since each SW component's temporal behavior changes due to the underlying HWs and surrounding SW components, it is difficult to validate the temporal correctness of the resulting system. In order to solve this problem, this dissertation proposes a novel framework that realizes the given control transactions on networked ECUs guaranteeing SW component's invariant input-output delay property. By guaranteeing SW component's invariant delay property, the entire system's temporal correctness can be easily validated from the constructing SW components' delays. For the component scheduling method, we make use of existing bandwidth reservation mechanisms. However, since traditional bandwidth reservation mechanisms assign a permanent utilization to each SW component for the entire time duration, it wastes away the underlying HW capacity especially when the transaction is given as sequentially executing SW components. With this motivation, we present a new resource provisioning mechanism that provides the HW resource utilization only during each SW component actually needs it. The experimental result shows that our framework can handle three times more control transactions than the traditional bandwidth reservation mechanisms that assign a permanent utilization to each SW component. Based on that, we also propose a system configuration optimization method that finds the minimal cost HW architecture and SW/HW mapping (or system configuration) with a feasible SW component scheduling. The performance of the proposed framework is validated through both simulation and actual implementation. Our implementation study also demonstrates the usability of our approach by realizing our framework as end-to-end toolchain and component execution kernel.