Cyber-physikalische Systeme (CPS) sind eine erweitere Sicht auf eingebettete Systeme, die die konkreten umgebenden Elemente in das Systemdesign einbeziehen. Das Design solcher Systeme erfordert neue Herangehensweisen: Während beispielsweise in "normalen" verteilten Systemen Aspekte wie "Bewegung" oder "Ort" möglichst transparent und damit für den Nutzer unsichtbar gestaltet werden, benötigen CPS-Anwendungen häufig Bewusstsein für Bewegung oder Ort, d.h., sie sind _motion aware_ oder _location aware_. Die Professur "Betriebssysteme" der TUC hat sich die Frage gestellt, wie eine generische Unterstützung für solche verteilte mobile Systeme aussehen könnte. Im Vortrag werden Probleme, Konzepte und erste Lösungsansätze für ein künftiges Betriebssystem für diese Art von Systemen vorgestellt.

In my dissertation, I present ATLAS — the Auto-Training Look-Ahead Scheduler. ATLAS improves service to applications with regard to two non-functional properties: timeliness and overload detection. Timeliness is an important requirement to ensure user interface responsiveness and the smoothness of multimedia operations. Overload can occur when applications ask for more computation time than the machine can offer. Interactive systems have to handle overload situations dynamically at runtime. ATLAS provides timely service to applications, accessible through an easy-to-use interface. Deadlines specify timing requirements, workload metrics describe jobs. ATLAS employs machine learning to predict job execution times. Deadline misses are detected before they occur, so applications can react early.:1 Introduction 2 Anatomy of a Desktop Application 3 Real Simple Real-Time 4 Execution Time Prediction 5 System Scheduler 6 Timely Service 7 The Road Ahead Bibliography Index

In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Unterstützung des Hardwareentwurfs mit VHDL durch ein Hardwarebetriebssystem untersucht. Durch die Wiederverwendung von Betriebssystemmodulen sollen die Entwicklungszeit verkürzt, die Nachnutzbarkeit von Entwürfen verbessert und die Zuverlässigkeit erhöht werden. Um ein Betriebssystemkonzept umzusetzen, müssen spezielle Anforderungen an die Programmiersprache gestellt werden. Diese werden von VHDL nicht erfüllt. Daher wird ein Strukturcompiler vorgestellt, der unter Beibehaltung der Syntax der Sprache VHDL den zusätzlichen Anforderungen gerecht wird. Der Strukturcompiler verbindet das Anwendungsprogramm mit den Betriebssystemmodulen und erzeugt daraus ein VHDL-Programm, das mit den typischen FPGA-Entwicklungswerkzeugen simuliert oder synthetisiert werden kann. Bei der Entwicklung des Betriebssystems für konfigurierbare Hardware hat sich herausgestellt, dass sich dieses nur eingebettet in ein Gesamtkonzept für den Entwurf von heterogene Systeme sinnvoll anwenden lässt. Deshalb wird in dieser Arbeit eine Methode für die Entwicklung von heterogenen Systemen auf Basis eines Signalflussgraphen diskutiert. Angewendet wurde das Betriebssystemkonzept auf verschiedenen FPGA-Karten, sowohl käuflich erworbene als auch Eigenentwicklungen. Das für diese Karten erstellte Betriebssystem umfasst dabei Module zur Kommunikation zwischen FPGA und PC sowie zur Anbindung verschiedener externer Peripheriegeräte, wie z.B. Speicher. Es wurde ebenfalls untersucht wie Prozessoren als Bestandteil der konfigurierbaren Hardware in das Betriebssystemkonzept integriert werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden auch viele Beispielanwendungen untersucht. Diese wurden einerseits zum Testen des Strukturcompilers und der Betriebssystemmodule benutzt. Andererseits fand das Betriebssystemkonzept für konfigurierbare Hardware auch Anwendung in verschiedenen Projekten. / This work investigates the possibility of describing a hardware design independent of special hardware. This is realized with the concept of an operating system. The re-use of operating system modules reduces the time of development and also increases the reliability. Additionally, the change of a development platform has no influence on the application algorithm anymore. In order to apply the concept of an operating system special constraints have to be fulfilled by the hardware description language, which is not supported by VHDL. For that reason a structure compiler has been developed. The structure compiler connects the application program with the operating system modules and produces a VHDL program, which can be used to simulate or to program the FPGA with the typical VHDL development tools. In the progress of developing the operating system concept for reconfigurable hardware it was realized that such a concept can only be used in connection with a design methodology for heterogeneous systems. In this work a design methodology based on a declarative language represented as signal flow graph is discussed. The operating system concept for reconfigurable hardware was tested on different FPGA boards. For these cards an operating system was developed. The operating system contains modules for the communication with the PC over different interfaces as well as modules for accessing different exterior peripheries, i.e. memory. Additionally, the integration of processors as part of the configurable hardware within the operating system concept was investigated. For the verification of the structure compiler and the operating system modules some examples have been developed. The operating system concept for configurable hardware was also applied in different projects.

Presentation held on the 123. Unix-Stammtisch. It contains information about the usage of Linux on embedded systems. The boot process of Linux, the design of an embedded system environment and small libraries and tools are discussed in detail. / Vortrag zum 123. Unix Stammtisch der TU-Chemnitz. Befasst sich mit dem Entwurf und Betrieb von eingebetteten Systemen mit dem Betriebssystem Linux. Von der D-Box bis zur Linux-Armbanduhr, der Linux-Boot Prozess, Aufbau einer Linuxumgebung undminimalistisches Bibiotheken.

Zugl.: Ulm, Univ., Diss., 2006 u.d.T.: Frenz, Stefan: Zuverlässiger verteilter Speicher mit transaktionaler Konsistenz / Hergestellt on demand

It is a great research interest to integrate the Cell/B.E. processor into an AMD Opteron system. The result is a system benefiting from the advantages of both processors: the high computational power of the Cell/B.E. and the high I/O throughput of the Opteron. The task of this diploma thesis is to accomplish, that Cell-SPU code initially residing on the Opteron could be executed on the Cell under the GNU/Linux operating system. However, the SPUFS (Synergistic Processing Unit File System), provided from STI (Sony, Toshiba, IBM), does exactly the same thing on the Cell. The Cell is a combination of a PowerPC core and Synergistic Processing elements (SPE). The main work is to analyze the SPUFS and migrate it to the Opteron System. The result of the migration is a project called RSPUFS (Remote Synergistic Processing Unit File System), which provides nearly the same interface as SPUFS on the Cell side. The differences are caused by the TCP/IP link between Opteron and Cell, where no Remote Direct Memory Access (RDMA) is available. So it is not possible to write synchronously to the local store of the SPEs. The synchronization occurs implicitly before executing the Cell-SPU code. But not only semantics have changed: to access the XDR memory RSPUFS extends SPUFS with a special XDR interface, where the application can map the XDR into the local address space. The application must be aware of synchronization with an explicit call of the provided ''xdr\_sync'' routine. Another difference is, that RSPUFS does not support the gang principle of SPUFS, which is necessary to set the affinity between the SPEs. This thesis deals not only with the operating system part, but also with a library called ''libspe''. Libspe provides a wrapper around the SPUFS system calls. It is essential to port this library to the Opteron, because most of the Cell applications use it. Libspe is not only a wrapper, it saves a lot of work for the developer as well, like loading the Cell-SPU code or managing the context and system calls initiated by the SPE. Thus it has to be ported, too. The result of the work is, that an application can link against the modified libspe on the Opteron gaining direct access to the Synergistic Processor Elements.

Although modern computer systems process increasing amounts of sensitive, private, and valuable information, most of today’s operating systems (OSs) fail to protect confidential data against unauthorized disclosure over covert channels. Securing the large code bases of these OSs and checking the secured code for the absence of covert channels would come at enormous costs. Microkernels significantly reduce the necessarily trusted code. However, cost-efficient, provable confidential-data protection in microkernel-based systems is still challenging. This thesis makes two central contributions to the provable protection of confidential data against disclosure over covert channels: • A budget-enforcing, fixed-priority scheduler that provably eliminates covert timing channels in open microkernel-based systems; and • A sound control-flow-sensitive security type system for low-level operating-system code. To prevent scheduling-related timing channels, the proposed scheduler treats possibly leaking, blocked threads as if they were runnable. When it selects such a thread, it runs a higher classified budget consumer. A characterization of budget-consumer time as a blocking term makes it possible to reuse a large class of existing admission tests to determine whether the proposed scheduler can meet the real-time guarantees of all threads we envisage to run. Compared to contemporary information-flow-secure schedulers, significantly more real-time threads can be admitted for the proposed scheduler. The role of the proposed security type system is to prove those system components free of security policy violating information flows that simultaneously operate on behalf of differently classified clients. In an open microkernel-based system, these are the microkernel and the necessarily trusted multilevel servers. To reduce the complexity of the security type system, C++ operating-system code is translated into a corresponding Toy program, which in turn is complemented with calls to Toy procedures describing the side effects of interactions with the underlying hardware. Toy is a non-deterministic intermediate programming language, which I have designed specifically for this purpose. A universal lattice for shared-memory programs enables the type system to check the resulting Toy code for potentially harmful information flows, even if the security policy of the system is not known at the time of the analysis. I demonstrate the feasibility of the proposed analysis in three case studies: a virtual-memory access, L4 inter-process communication and a secure buffer cache. In addition, I prove Osvik’s countermeasure effective against AES cache side-channel attacks. To my best knowledge, this is the first security-type-system-based proof of such a countermeasure. The ability of a security type system to tolerate temporary breaches of confidentiality in lock-protected shared-memory regions turned out to be fundamental for this proof.

Measuring the energy consumption of software components is a major building block for generating models that allow for energy-aware scheduling, accounting and budgeting. Current measurement techniques focus on coarse-grained measurements of application or system events. However, fine grain adjustments in particular in the operating-system kernel and in application-level servers require power profiles at the level of a single software function. Until recently, this appeared to be impossible due to the lacking fine grain resolution and high costs of measurement equipment. In this paper we report on our experience in using the Running Average Power Limit (RAPL) energy sensors available in recent Intel CPUs for measuring energy consumption of short code paths. We investigate the granularity at which RAPL measurements can be performed and discuss practical obstacles that occur when performing these measurements on complex modern CPUs. Furthermore, we demonstrate how to use the RAPL infrastructure to characterize the energy costs for decoding video slices.

Ausgehend von einer modularen Plattform zur Erfassung und Verarbeitung von Sensordaten bereichert die vorliegende Dissertationsschrift den Systementwurf eingebetteter Systeme um neue Facetten. Ihr besonderer Fokus liegt dabei auf rekonfigurierbaren Architekturen und Linux-basierten Systemen. Ein wesentlicher Beitrag ist die Darstellung und Diskussion von Konzepten und Architekturen vorgenannter Systeme durch ihre Betrachtung auf einer hohen Abstraktionsebene. Dazu schafft die Arbeit ein umfassendes Verständnis für Kommunikation und Konfiguration in heterogenen rekonfigurierbaren Systemen und überträgt die Erkenntnisse auf das Linux-Betriebssystem. Es erfolgt außerdem eine systematische Darstellung der etablierten Zusammenhänge und Abläufe beim Software-, Paket- und Versionsmanagement im Linux-Umfeld. Zur Verbesserung des Entwurfsflusses werden Konzepte und ein geeignetes Werkzeug zur High-Level Spezifikation von Linux-Systemen dargestellt. Die in der Arbeit gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnisse werden hinsichtlich praktischer Relevanz evaluiert und durch prototypische Implementierungen verifiziert. / Based on a modular platform for recording and processing of sensor data the present thesis enriches the field of system design of embedded systems with new facets. Its particular focus is on reconfigurable architectures and Linux-based systems. A major contribution is the presentation and discussion of concepts and architectures of aforementioned systems by investigating them on a high level of abstraction. To achieve this, the work creates a comprehensive understanding of communication and configuration in heterogeneous reconfigurable systems. This knowledge is transferred on the Linux operating system. In addition, a systematic presentation of the established relationships and processes in software, package and version management in the Linux environment takes place. To improve the design flow of Linux systems, the thesis presents appropriate concepts as well as a tool for high-level specification of embedded Linux systems. The gained scientific findings are evaluated in terms of practical relevance and verified by prototype implementations.

In der E-Commerce-Forschung wird aus Sicht von Wertschöpfung und Marketing das Konzept virtueller Gemeinschaften ausgiebig erforscht. Solche Gemeinschaften sollten Wissen zu Verfügung stellen, Kundenkontakte vereinfachen oder zusammen eine Wertschöpfung erbringen, an der nach [1] der Anbieter der virtuellen Plattform Profite erwirtschaftet. E-Government zielt auf die elektronische Abbildung von Vorgängen der öffentlichen Verwaltung. Nach der Speyer Definition [2] besteht E-Government aus Informationsdiensten, Partizipation der Bürger und elektronischer Abwicklung der Transaktionen innerhalb der Verwaltung und zwischen Verwaltung und den anderen Sektoren. Auffällig ist die Beschränkung von E-Government auf die Umsetzung existierender Verwaltungsvorgänge. Dies beschränkt die Wertschöpfung im EGovernment auf Effizienzgewinne, schließt die Profite durch virtuelle Gemeinschaften in einer Bürgergesellschaft jedoch weitgehend aus.