A framework for mixed-criticality partitioned real-time embedded systems

Los sistemas empotrados son cada día más comunes y complejos, de modo que encontrar procesos seguros, eficaces y baratos de desarrollo software dirigidos específicamente a esta clase de sistemas es más necesario que nunca. A diferencia de lo que ocurría hasta hace poco, en la actualidad los avances tecnológicos en el campo de los microprocesadores de los últimos tiempos permiten el desarrollo de equipos con prestaciones más que suficientes para ejecutar varios sistemas software en una única máquina. Además, hay sistemas empotrados con requisitos de seguridad (safety) de cuyo correcto funcionamiento depende la vida de muchas personas y/o grandes inversiones económicas. Estos sistemas software se diseñan e implementan de acuerdo con unos estándares de desarrollo software muy estrictos y exigentes. En algunos casos puede ser necesaria también la certificación del software. Para estos casos, los sistemas con criticidades mixtas pueden ser una alternativa muy valiosa. En esta clase de sistemas, aplicaciones con diferentes niveles de criticidad se ejecutan en el mismo computador. Sin embargo, a menudo es necesario certificar el sistema entero con el nivel de criticidad de la aplicación más crítica, lo que hace que los costes se disparen. La virtualización se ha postulado como una tecnología muy interesante para contener esos costes. Esta tecnología permite que un conjunto de máquinas virtuales o particiones ejecuten las aplicaciones con unos niveles de aislamiento tanto temporal como espacial muy altos. Esto, a su vez, permite que cada partición pueda ser certificada independientemente. Para el desarrollo de sistemas particionados con criticidades mixtas se necesita actualizar los modelos de desarrollo software tradicionales, pues estos no cubren ni las nuevas actividades ni los nuevos roles que se requieren en el desarrollo de estos sistemas. Por ejemplo, el integrador del sistema debe definir las particiones o el desarrollador de aplicaciones debe tener en cuenta las características de la partición donde su aplicación va a ejecutar. Tradicionalmente, en el desarrollo de sistemas empotrados, el modelo en V ha tenido una especial relevancia. Por ello, este modelo ha sido adaptado para tener en cuenta escenarios tales como el desarrollo en paralelo de aplicaciones o la incorporación de una nueva partición a un sistema ya existente. El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar la tecnología actual de desarrollo de sistemas particionados con criticidades mixtas. Para ello, se ha diseñado e implementado un entorno dirigido específicamente a facilitar y mejorar los procesos de desarrollo de esta clase de sistemas. En concreto, se ha creado un algoritmo que genera el particionado del sistema automáticamente. En el entorno de desarrollo propuesto, se han integrado todas las actividades necesarias para desarrollo de un sistema particionado, incluidos los nuevos roles y actividades mencionados anteriormente. Además, el diseño del entorno de desarrollo se ha basado en la ingeniería guiada por modelos (Model-Driven Engineering), la cual promueve el uso de los modelos como elementos fundamentales en el proceso de desarrollo. Así pues, se proporcionan las herramientas necesarias para modelar y particionar el sistema, así como para validar los resultados y generar los artefactos necesarios para el compilado, construcción y despliegue del mismo. Además, en el diseño del entorno de desarrollo, la extensión e integración del mismo con herramientas de validación ha sido un factor clave. En concreto, se pueden incorporar al entorno de desarrollo nuevos requisitos no-funcionales, la generación de nuevos artefactos tales como documentación o diferentes lenguajes de programación, etc. Una parte clave del entorno de desarrollo es el algoritmo de particionado. Este algoritmo se ha diseñado para ser independiente de los requisitos de las aplicaciones así como para permitir al integrador del sistema implementar nuevos requisitos del sistema. Para lograr esta independencia, se han definido las restricciones al particionado. El algoritmo garantiza que dichas restricciones se cumplirán en el sistema particionado que resulte de su ejecución. Las restricciones al particionado se han diseñado con una capacidad expresiva suficiente para que, con un pequeño grupo de ellas, se puedan expresar la mayor parte de los requisitos no-funcionales más comunes. Las restricciones pueden ser definidas manualmente por el integrador del sistema o bien pueden ser generadas automáticamente por una herramienta a partir de los requisitos funcionales y no-funcionales de una aplicación. El algoritmo de particionado toma como entradas los modelos y las restricciones al particionado del sistema. Tras la ejecución y como resultado, se genera un modelo de despliegue en el que se definen las particiones que son necesarias para el particionado del sistema. A su vez, cada partición define qué aplicaciones deben ejecutar en ella así como los recursos que necesita la partición para ejecutar correctamente. El problema del particionado y las restricciones al particionado se modelan matemáticamente a través de grafos coloreados. En dichos grafos, un coloreado propio de los vértices representa un particionado del sistema correcto. El algoritmo se ha diseñado también para que, si es necesario, sea posible obtener particionados alternativos al inicialmente propuesto. El entorno de desarrollo, incluyendo el algoritmo de particionado, se ha probado con éxito en dos casos de uso industriales: el satélite UPMSat-2 y un demostrador del sistema de control de una turbina eólica. Además, el algoritmo se ha validado mediante la ejecución de numerosos escenarios sintéticos, incluyendo algunos muy complejos, de más de 500 aplicaciones. ABSTRACT The importance of embedded software is growing as it is required for a large number of systems. Devising cheap, efficient and reliable development processes for embedded systems is thus a notable challenge nowadays. Computer processing power is continuously increasing, and as a result, it is currently possible to integrate complex systems in a single processor, which was not feasible a few years ago.Embedded systems may have safety critical requirements. Its failure may result in personal or substantial economical loss. The development of these systems requires stringent development processes that are usually defined by suitable standards. In some cases their certification is also necessary. This scenario fosters the use of mixed-criticality systems in which applications of different criticality levels must coexist in a single system. In these cases, it is usually necessary to certify the whole system, including non-critical applications, which is costly. Virtualization emerges as an enabling technology used for dealing with this problem. The system is structured as a set of partitions, or virtual machines, that can be executed with temporal and spatial isolation. In this way, applications can be developed and certified independently. The development of MCPS (Mixed-Criticality Partitioned Systems) requires additional roles and activities that traditional systems do not require. The system integrator has to define system partitions. Application development has to consider the characteristics of the partition to which it is allocated. In addition, traditional software process models have to be adapted to this scenario. The V-model is commonly used in embedded systems development. It can be adapted to the development of MCPS by enabling the parallel development of applications or adding an additional partition to an existing system. The objective of this PhD is to improve the available technology for MCPS development by providing a framework tailored to the development of this type of system and by defining a flexible and efficient algorithm for automatically generating system partitionings. The goal of the framework is to integrate all the activities required for developing MCPS and to support the different roles involved in this process. The framework is based on MDE (Model-Driven Engineering), which emphasizes the use of models in the development process. The framework provides basic means for modeling the system, generating system partitions, validating the system and generating final artifacts. The framework has been designed to facilitate its extension and the integration of external validation tools. In particular, it can be extended by adding support for additional non-functional requirements and support for final artifacts, such as new programming languages or additional documentation. The framework includes a novel partitioning algorithm. It has been designed to be independent of the types of applications requirements and also to enable the system integrator to tailor the partitioning to the specific requirements of a system. This independence is achieved by defining partitioning constraints that must be met by the resulting partitioning. They have sufficient expressive capacity to state the most common constraints and can be defined manually by the system integrator or generated automatically based on functional and non-functional requirements of the applications. The partitioning algorithm uses system models and partitioning constraints as its inputs. It generates a deployment model that is composed by a set of partitions. Each partition is in turn composed of a set of allocated applications and assigned resources. The partitioning problem, including applications and constraints, is modeled as a colored graph. A valid partitioning is a proper vertex coloring. A specially designed algorithm generates this coloring and is able to provide alternative partitions if required. The framework, including the partitioning algorithm, has been successfully used in the development of two industrial use cases: the UPMSat-2 satellite and the control system of a wind-power turbine. The partitioning algorithm has been successfully validated by using a large number of synthetic loads, including complex scenarios with more that 500 applications.

Artefactos energéticos : de Fuller a Piñero (1961-1972) = Energetic artefacts : from Fuller to Piñero (1961-1972)

La obra de Emilio Pérez Piñero que se desarrolla entre los años 1961 y 1972 año en el que muere en un accidente de tráfico volviendo de Figueras, se centra principalmente en artefactos desplegables y desmontables, ejecutando prototipos que en el presente trabajo se han dividido en dos grupos; la cúpula reticular y la infraestructura. No pudo por tanto acudir al Congreso de 1972 de la UIA a recoger el premio Auguste Perret a la innovación tecnológica, que en años anteriores habían recibido Félix Candela, Jean Prouvé, Hans Scharoun o Frei Otto, y que en aquella ocasión tuvo que recoger su viuda. Parámetros como el de la movilidad, indeterminación, intercambiabilidad, obsolescencia y otros que se analizan en el presente trabajo, aparecen a lo largo de toda su obra ya que muchos de sus artefactos están ubicados en no-lugares y tienen un carácter itinerante y por tanto se hace indispensable su rápido montaje y desmontaje, que unas veces se resuelve mediante la desmontabilidad y otras con la plegabilidad de éstos. Aunque pueda parecer Piñero una figura autárquica, lo cierto es que durante la década donde concentra su trabajo se produce una explosión en torno a al arquetipo que será denominado de forma genérica `artefacto´, ligado conceptualmente a los parámetros que aquí se definen. Entendemos artefacto como objeto material realizado por una o varias personas para cumplir una función, es sinónimo de máquina y aparato y deriva de las palabras latinas ars o artis (técnica) y facto (hecho), para designar a los objetos cuya fabricación requiere alguna destreza. El término latino `ars´ engloba a las técnicas y a las artes, lo que no ocurre con el término castellano arte que deriva de él. Los movimientos utópicos que comparte la década con Piñero, utilizan el arquetipo infraestructural, ligero y high tech, para a través de una arquitectura más ligada a la ciencia ficción, realizar una crítica al Movimiento Moderno institucionalizado, todos ellos comparten cierta obsesión por la movilidad, ligada ésta a la idea de espacio flexible, dinámico, nómada. Este concepto de neo-nomadismo, que representa un habitar dinámico, aglutina las nuevas formas de vivir donde la movilidad social y geográfica son habituales. El nomadismo, por otra parte se entiende como sinónimo de democracia y libertad. La arquitectura pasa de ser pesada, estática, permanente a ser un elemento dinámico en continuo movimiento. A veces con connotaciones biológicas se asimilan los artefactos a organismos vivos y les confieren dichas propiedades de crecimiento y autonomía energética, acumulándose en torno a megaestructuras, donde quedan `enchufados´. En este intento de dotar movilidad a lo inmueble, se buscan estructuras vivas y modificables que crecen en una asimilación de las leyes naturales utilizando los parámetros de metamorfosis, simbiosis y cambio. Estos movimientos de vanguardia tienen también ciertas connotaciones políticas y sociales basadas en la libertad y la movilidad y reniegan del consumismo institucionalizado, de la arquitectura como instrumento de consumo, como objeto de usar en la cultura de masas. El carácter político de la autogestión, de la customización como parámetro proyectual, de la autosuficiencia energética, que anticipa la llegada de la crisis energética del año 1973. Objeto de este trabajo será relacionar los conceptos que aparecen fuertemente en el entorno de la década de los años sesenta del siglo XX, en el trabajo de Emilio Pérez Piñero. Parámetros encontrados como conceptos en los grupos de vanguardia y utopía a su vez fuertemente influenciados por las figuras del ingeniero Richard Buckminster Fuller y del arquitecto Konrad Wachsmann. Se analizará que posible influencia tiene la obra de Fuller, principalmente el prototipo denominado cúpula reticular, en la obra de Pérez Piñero y sus coetáneos analizando sus pensamientos teóricos en torno a parámetros como la energía, principalmente en las teorías relativas a Synergetics. El término inventado por Richard B. Fuller es una contracción de otro más largo que en inglés agrupa tres palabras; synergetic-energetic geometry. La definición de sinergia es la cooperación, es decir es el resultado de la acción conjunta de dos o más causas, pero con un efecto superior a la suma de estas causas. El segundo término, energetics geometry, que traducido sería geometría energética hace referencia en primer lugar a la geometría; ya que desarrolla el sistema de referencia que utiliza la naturaleza para construir sus sistemas y en segundo lugar a la energía; ya que además debe ser el sistema que establezca las relaciones más económicas utilizando el mínimo de energía. Por otro lado se analiza la repercusión del prototipo denominado Infraestructura, término acuñado por Yona Friedman y basado estructuralmente y conceptualmente en los desarrollos sobre grandes estructuras de Konrad Wachsmann. El arquitecto alemán divulga su conocimiento en seminarios impartidos por todo el mundo como el que imparte en Tokio y se denomina Wachsmann´s Seminar donde participan algunos de los componentes del grupo Metabolista que sorprenderán al mundo con sus realizaciones en la exposición de Osaka de 1970. El intervalo temporal entre 1961 hasta 1972 hace referencia a la horquilla donde Pérez Piñero realiza su obra arquitectónica, que comienza en 1961 cuando gana el concurso convocado en Londres por la UIA (Unión Internacional de Arquitectos) con el proyecto conocido como Teatro Ambulante, hasta 1972 que es cuando fallece volviendo de Figueras donde está realizando dos encargos de Salvador Dalí; la cubrición del escenario del futuro Teatro-Museo Salvador Dalí y la Vidriera Hipercúbica que debía cerrar la boca de tal escenario. Bajo el título de `Artefactos energéticos. De Fuller a Piñero (1961-1972)´, se presenta esta Tesis doctoral, que tiene la intención de vincular la obra de Emilio Pérez Piñero con la de las neo vanguardias producidas por una serie de arquitectos que operan en el ámbito internacional. Estas vinculaciones se producen de una forma general, donde a través de una serie de estrategias según la metodología que posteriormente se describe se buscan relaciones de la obra del autor español con algunos de los movimientos más significativos que aparecen en dicha década y de manera específica estableciendo relaciones con las obras y pensamientos de los autores que pertenecen a estos movimientos y donde estas relaciones se hacen más evidentes. El objeto del presente trabajo es analizar y explicar la obra del arquitecto Emilio Pérez Piñero, que espacialmente se localiza en el territorio español, desde el punto de vista de estos movimientos para posteriormente poder determinar si existen puntos en común y si el arquitecto español no solo comparte la década temporalmente sino también conceptualmente y por tanto utiliza el ideario que utilizan sus coetáneos que forman parte de las neovanguardias de los años sesenta de siglo XX. ABSTRACT ABSTRACT The Work of Emilio Perez Piñero was developed between the years 1961 and 1972 when he died in a car accident coming back from Figueres, where he was building a geodesic dome to close the building that enclose the Dali’s museum. All his Work is mainly centered in artifact that could be collapsible and removable, taking the two prototypes that are described in this work as a recurrent element in all his creation. These are the reticular dome and the infrastructure that are very influenced by the work from Richard B. Fuller and Konrad Wachsmann. Emilio Pérez Piñero could not receive the Auguste Perret Prize in 1972 awarded by the UIA that years before have received architects as Felix Candela, Jean Prouvé, Hans Scharoun or Frei Otto, and this time Pérez Piñero´s wife will accept it because of his death. Parameters like mobility, changeability, expendability, indetermination and others appear currently in his Work. All the inventions that Piñero had been patented and all of the artifacts that he created are usually located in no-places, because they do have a shifting identity. This kind of building has to be quickly set on site, and this problem has to be solved in term of foldability or demounting. In the decade where his work focuses, an explosion has occurred around this archetype to be generally called artifact that is usually linked to mobility. We understand artifact as a material object made by one or more people to work in a particular way. It is sometimes equated with the terms machinery and apparatus and it is derived from the Latin word `ars´ or `artis´, what means techniques and `facto´ (fact). And we use this term to refer to objects whose manufacture requires the same skill, in fact the Latin word `ars´ covers the techniques and arts, which does not occur with the Castillan term `arte´ that derives from it and means only art. The term neo-nomadic is a relatively new name used for a dynamic life, commonly referred to new forms of life where social and geographical mobility are common. On the other hand nomadic could be understood as a synonymous for democracy and freedom. The architecture is not going to be hard and static anymore but a dynamic element in the move. The Neo-avant-garde movement that shares the decade with Piñero uses this infrastructural archetype, which is light and high-tech, to criticize the institutionalized Modern Movement through architecture linked to science fiction. They all share an obsession with mobility, a concept that is connected to the terms `dynamic´, `nomadic´, `flexibile´, etc. Sometimes, with biological connotations, the utopian assimilate the artifacts to living organisms and give them these properties of growth and energy autonomy, and they apparently grow around megastructures where they are plugged. In this attempt to provide mobility to the inertness, living structures and possibility of change are sought in order to make them grow like a living organism and to assimilate the natural laws of growth. According to a definition from architecture provided by Fernández- Galiano who calls it `exosomatic artifact´, he understand architecture as artifact of the human environment that regulates natural energy flows and channels the energy stored in fuels for the benefit of living beings that inhabit. It is also true that during the sixties a new environmental awareness in public opinion is formed and that is due to the exploitation and disproportionate use of energy resources, acceleration of technological processes and mass consumption. Consequently a new concept is born: energy autonomy, it is very close to rational use of natural energy. Such a concept will be culturally assimilated with the requirement of independence not only in the management but also in the building construction until we arrive at energy autonomy. The individuals become energy consumer, which in turn can enter the energy produced in the system to `life in an eco-mode way´. The objectives of this research are analyzing all of these parameters and concepts that are coming into view in the surrounding of the decade and relate them with the Work of Pérez Piñero. Terms strongly present in the avant-garde movements around the decade, a young architect’s generation strongly influenced by Richard B. Fuller and Konrad Wachsmann. However, it will be analyzed how important the influence of Buckminster Fuller's Work was and his theoretical text about energy on the Work of Pérez Piñero and his fellows of the decade. The term Synergetic was invented by Fuller and came from the words synergy and energetic geometry. Synergy is the cooperation or interaction of two or more agents to produce a greater effect than the sum of their separate effects. Energetic geometry is related to the geometries that the Nature is using to build their construction but always using low energy consumption. On the other hand, the influences from Wachsmann around the prototype called Infrastructure have been analyzed. The German architect has developed knowledge around huge structures that he has spread all around the world through seminars that he has been conducted. One of these was the Wachsmann´s seminar in Tokyo, where same of the members of the Metabolist group were taking part of. Later these young architects will surprise the world with his artifacts at the World Exposition in Osaka in 1970. Between 1961 and 1972 Pérez Piñero produced his architectural work. It began in 1961 when he received the first prize with his project Mobile Theatre in the competition organized by the UIA in London. In 1972 the Auguste Perret Prize was granted by the UIA too. He could not accept it because he died before in a car accident when he was coming from Figueres, when he was designing two projects for Dali. With the title `Energetic Artifacts. From Fuller to Piñero (1961- 1972)´, this thesis relates the Work of Emilio Pérez Piñero with the neo avant-garde made by a young architects’ generation who is sharing the time with him. Several strategies have been used to formed relationships between them. They are described in the present work to set up a method that allows us to relate the work and ideas of the architects of the neo avant-garde with the ones from Piñero. This work is intended to analyze and explained the work of Pérez Piñero from the point of view of the international architects’ generation who is operating at the same time and finally to determinate if Piñero is not sharing the time with them but the concepts, ideas and architectural parameters.