Análisis de temporización multinúcleo para DO-178C

La necesidad de procesadores multinúcleo en sistemas de aviónica

Los sistemas de aviónica, especialmente los que se encuentran en los aviones modernos, exigen funcionalidades cada vez más sofisticadas para satisfacer las crecientes demandas de seguridad, rendimiento y eficiencia. Los procesadores multinúcleo ofrecen una solución viable para abordar estos requisitos al proporcionar una mayor potencia computacional, un paralelismo mejorado y una mejor asignación de recursos. Permiten la ejecución de múltiples tareas de software simultáneamente, lo que permite que los sistemas de aviónica realicen numerosas funciones críticas en paralelo.

Desafíos en el análisis de temporización multinúcleo para DO-178C

Si bien los procesadores multinúcleo brindan numerosas ventajas, también introducen complejidades en términos de análisis de tiempo, particularmente en sistemas críticos para la seguridad regidos por el estándar DO-178C. Los desafíos clave en el análisis de tiempo multinúcleo incluyen:

Interferencia y recursos compartidos

Los procesadores multinúcleo suelen compartir varios recursos de hardware, como memoria, buses y periféricos. La contención de estos recursos compartidos puede provocar interferencias y posibles retrasos en la ejecución de tareas, lo que afecta el comportamiento de tiempo de las funciones críticas del software.

Determinismo y preferencia

La introducción de múltiples núcleos presenta la posibilidad de preferencia de tareas y comportamiento no determinista, lo que dificulta la predicción y el análisis preciso de los tiempos de ejecución en el peor de los casos (WCET). El análisis de tiempo debe considerar los efectos potenciales de la prioridad y las políticas de programación empleadas por el sistema operativo.

Asignación de tareas y partición

Determinar una asignación y partición óptimas de las tareas de software en diferentes núcleos es crucial para lograr un comportamiento de sincronización eficiente y predecible. La asignación incorrecta de tareas puede generar conflictos de recursos y una utilización subóptima, lo que compromete las garantías de tiempo del sistema.

Técnicas de análisis de temporización multinúcleo

Para superar los desafíos que plantean los procesadores multinúcleo, se han desarrollado varias técnicas y metodologías para el análisis de tiempo en sistemas compatibles con DO-178C:

Análisis del tiempo de ejecución en el peor de los casos (WCET)

El análisis WCET es una técnica fundamental utilizada para determinar el tiempo máximo requerido para que una tarea o función complete su ejecución. Para los sistemas multinúcleo, el análisis WCET debe tener en cuenta la interferencia intranúcleo e internúcleo, teniendo en cuenta los recursos compartidos y la preferencia potencial.

Análisis de partición y programación

El análisis de partición y programación implica determinar una asignación óptima de tareas de software a diferentes núcleos y establecer una política de programación adecuada. Se pueden emplear técnicas como el particionamiento estático y dinámico, así como varios algoritmos de programación (p. ej., prioridad fija, fecha límite más temprana primero), para asignar tareas a los núcleos y garantizar que se cumplan los requisitos de tiempo.

Análisis de interferencia

El análisis de interferencia tiene como objetivo cuantificar y predecir la interferencia entre tareas que se ejecutan en diferentes núcleos. Este análisis considera los recursos compartidos, los efectos de caché y los mecanismos de comunicación entre núcleos. Ayuda a identificar posibles cuellos de botella y puntos de conflicto, lo que permite estrategias de mitigación adecuadas.

Verificación y validación

Las técnicas de validación y verificación, incluida la simulación, la verificación de modelos y los métodos formales, desempeñan un papel crucial en la evaluación del comportamiento de tiempo de los sistemas multinúcleo. Estas técnicas ayudan a identificar posibles infracciones de tiempo, validan la corrección del análisis de tiempo y garantizan el cumplimiento de los objetivos de DO-178C.

Consideraciones para la Certificación

La certificación de sistemas de aviónica basados ​​en multinúcleo bajo DO-178C requiere el cumplimiento de pautas y consideraciones específicas:

Objetivos y Criterios

Comprender y seguir los objetivos y criterios definidos en DO-178C para sistemas multinúcleo es primordial. El cumplimiento de las pautas relacionadas con el análisis de interferencias, la asignación de tareas y la partición es crucial para una certificación exitosa.

Recolección de evidencia

Recolectar evidencia del análisis de tiempo es esencial para la certificación. La documentación debe incluir informes de análisis de tiempos detallados, resultados de análisis de WCET, pruebas de partición y programación, y cualquier otro artefacto necesario para demostrar el cumplimiento.

Calificación de la herramienta

La cualificación de las herramientas de análisis de temporización utilizadas para los sistemas multinúcleo es fundamental. Las herramientas empleadas para el análisis WCET, el análisis de interferencias y la programación deben someterse a una verificación y validación rigurosas para garantizar su idoneidad para aplicaciones críticas para la seguridad.

Evaluación de la seguridad

Realizar una evaluación de seguridad integral, incluido el análisis del árbol de fallas y el modo de falla y el análisis de efectos, es esencial para identificar los peligros potenciales y evaluar el impacto de la temporización multinúcleo en la seguridad del sistema. La evaluación de la seguridad debe tener en cuenta las condiciones de funcionamiento tanto normales como anormales.