基于多核平台的实时嵌入式混合关键性系统的设计，分析与系统支持

Today's complex real-time embedded systems, e.g., automotive electrical/electronic systems, shows a recent trend of hardware platform consolidation due to increased level of system integration, i.e., to integrate multiple applications with different levels of criticality on a common shared hardware platform with high computation performance, forming Mixed-Criticality Systems (MCS). The performance and power advantages of multicore processors lead to their increasing adoption in MCS, but the multiple shared hardware resources on a multicore processor, including CPU, cache, memory, etc., bring serious challenges to design and implementation of MCS on multicore processor platforms. We plan to provide design algorithm and runtime system support for MCS based on high-performance embedded multicore processors, including real-time scheduling and design optimization algorithms, for providing effective algorithm support for the entire design life cycle process from software models to final implementation; and multicore operating systems implementation based AUTOSAR, for providing effective runtime system support for application execution on multicore/manycore processor platforms.

现代高度复杂的实时嵌入式系统，例如汽车电子系统，近年来有一个提高系统集成度的硬件平台整合趋势，即将多个不同关键性级别的应用整合到运算能力较为强大的共享硬件平台上，成为一个混合关键性系统。多核处理器的性能与功耗优势使其在混合关键性系统中的应用日益广泛，但是多核平台上的各种共享硬件资源，包括处理器，缓存, 内存等，使得基于多核平台的混合关键性系统的设计与实现具有较高的挑战性。我们计划为基于高性能嵌入式多核平台的混合关键性系统设计提供设计算法与运行时系统支持，包括混合关键性系统的实时调度与设计优化算法，为从软件模型到最后实现的整个设计流程提供有效的算法支持；与基于AUTOSAR的多核操作系统，为应用在多核平台上提供有效的运行时系统支持。

一个混合关键性系统集成多个不同关键性的应用在一个共享硬件平台上，并且需要同时通过多个级别的安全认证，例如汽车电气电子系统的安全认证标准ISO 26262定义了4个汽车安全与完整性级别，从A到D依次递增。近年来车内计算平台趋向于高度集成架构，即采用少量几个高性能多核处理器作为车内计算中心，来取代大量分布式的小型电子控制单元。混合关键性系统的概念最初针对航空电子应用领域提出，而近年来的集成架构趋势使其在汽车电气电子系统中也日益重要。本项目旨在研究基于多核平台的实时嵌入式混合关键性系统的设计，分析与系统支持。主要研究成果包括:在混合关键性系统中引入抢占阈值，目标是提高资源受限嵌入式系统的可调度性以及降低其栈空间需求;基于多速率同步响应模型的混合关键性系统设计优化算法，目标是在保证系统可调度性的前提下，选择性插入单位边延迟并分配任务优先级来优化控制系统性能;同步数据流图至多核平台的映射与调度优化算法，目标是优化以系统吞吐量为度量的计算性能;基于最早截止期最先的具备弱硬实时约束的混合关键性调度算法，目标是为低关键性任务在高关键性执行模式下提供有限的服务质量;WCET感知的部分控制流检测算法，目标是为资源受限的实时嵌入式系统提供有限的硬件瞬态错误检测能力;AUTOSAR 操作系统中基于合同的灵活实时调度框架，目标是基于服务合同模型来满足静态与动态资源需求，为应用提供严格的服务质量保障。除了单处理器节点外，我们进一步针对总线互联的分布式嵌入式系统展开研究，提出了针对CAN-FD总线或时间触发协议总线的系统性能优化算法。我们还提出了基于对数时间编码的人工神经网到脉冲神经网络高效转化算法，目标是为下一代高性能低功耗嵌入式深度学习加速器提供算法支持。本项目的研究成果可以适用而不局限于汽车电气电子系统，为今天与未来高度复杂的混合关键性系统提供了一系列设计优化算法与系统支持。