Многоядерный временной анализ для DO-178C

Необходимость многоядерных процессоров в системах авионики

Системы авионики, особенно те, которые используются в современных самолетах, требуют все более сложных функций для удовлетворения растущих требований безопасности, производительности и эффективности. Многоядерные процессоры предлагают жизнеспособное решение для удовлетворения этих требований, обеспечивая более высокую вычислительную мощность, улучшенный параллелизм и лучшее распределение ресурсов. Они позволяют выполнять несколько программных задач одновременно, позволяя системам авионики выполнять многочисленные важные функции параллельно.

Проблемы многоядерного временного анализа для DO-178C

Хотя многоядерные процессоры обладают многочисленными преимуществами, они также создают сложности с точки зрения временного анализа, особенно в критически важных для безопасности системах, регулируемых стандартом DO-178C. Ключевые проблемы многоядерного временного анализа включают:

Вмешательство и общие ресурсы

Многоядерные процессоры обычно совместно используют различные аппаратные ресурсы, такие как память, шины и периферийные устройства. Конкуренция за эти общие ресурсы может привести к помехам и потенциальным задержкам в выполнении задач, влияя на временные характеристики критических программных функций.

Детерминизм и упреждение

Внедрение нескольких ядер вводит возможность вытеснения задач и недетерминированного поведения, что затрудняет точное прогнозирование и анализ времени выполнения в наихудшем случае (WCET). Временной анализ должен учитывать потенциальные эффекты вытеснения и политики планирования, применяемые операционной системой.

Назначение задач и разделение

Определение оптимального назначения и разделения программных задач на разные ядра имеет решающее значение для достижения эффективного и предсказуемого поведения синхронизации. Неправильное назначение задач может привести к конфликту ресурсов и неоптимальному использованию, что ставит под угрозу временные гарантии системы.

Методы многоядерного временного анализа

Чтобы преодолеть проблемы, связанные с многоядерными процессорами, были разработаны различные методы и методологии для временного анализа в системах, совместимых с DO-178C:

Анализ времени исполнения в наихудшем случае (WCET)

Анализ WCET — это фундаментальный метод, используемый для определения максимального времени, необходимого для выполнения задачи или функции. Для многоядерных систем при анализе WCET необходимо учитывать как внутриядерные, так и межядерные помехи, учитывая общие ресурсы и потенциальное вытеснение.

Анализ секционирования и планирования

Анализ разделения и планирования включает в себя определение оптимального распределения программных задач по разным ядрам и установление подходящей политики планирования. Такие методы, как статическое и динамическое разделение, а также различные алгоритмы планирования (например, фиксированный приоритет, самый ранний крайний срок вперед) могут использоваться для распределения задач по ядрам и обеспечения соблюдения требований по времени.

Анализ помех

Анализ интерференции направлен на количественную оценку и прогнозирование интерференции между задачами, выполняющимися на разных ядрах. В этом анализе учитываются общие ресурсы, эффекты кэша и механизмы межъядерной связи. Это помогает выявить потенциальные узкие места и точки соперничества, позволяя использовать соответствующие стратегии смягчения последствий.

Верификация и валидация

Методы проверки и проверки, включая моделирование, проверку моделей и формальные методы, играют решающую роль в оценке временных характеристик многоядерных систем. Эти методы помогают выявить потенциальные нарушения синхронизации, проверить правильность анализа синхронизации и обеспечить соответствие требованиям DO-178C.

Рекомендации по сертификации

Сертификация многоядерных систем авионики в соответствии с DO-178C требует соблюдения определенных правил и соображений:

Цели и критерии

Понимание и соблюдение целей и критериев, определенных в DO-178C для многоядерных систем, имеет первостепенное значение. Соблюдение руководящих принципов, связанных с анализом помех, назначением задач и разделением, имеет решающее значение для успешной сертификации.

Сбор доказательств

Сбор доказательств временного анализа необходим для сертификации. Документация должна включать подробные отчеты об анализе времени, результаты анализа WCET, данные о разбиении и расписании, а также любые другие артефакты, необходимые для демонстрации соответствия.

Квалификация инструмента

Квалификация инструментов временного анализа, используемых для многоядерных систем, имеет решающее значение. Инструменты, используемые для анализа WCET, анализа помех и планирования, должны пройти тщательную проверку и валидацию, чтобы гарантировать их пригодность для критических с точки зрения безопасности приложений.

Анализ безопасности

Выполнение комплексной оценки безопасности, включая анализ дерева отказов, а также анализ характера и последствий отказа, необходимо для выявления потенциальных опасностей и оценки влияния многоядерной синхронизации на безопасность системы. Оценка безопасности должна учитывать как нормальные, так и нештатные условия эксплуатации.