Virtualisierung von Mehrprozessorsystemen mit Echtzeitanwendungen

Aufgrund der Fortschritte in der Chiptechnologie verfügen heutige eingebettete Systeme über Rechenleistungen, wie sie noch vor wenigen Jahren nur bei Rechnern der Server- oder Workstation-Klasse anzutreffen waren. Durch die Einführung der ,,Multicore''-Prozessoren werden nun auch eingebettete Mehrprozessorsysteme realistisch, was einen weiteren Leistungsschub erwarten lässt. Um das Potenzial dieser Systeme zu nutzen, müssen Funktionen, die früher auf vielen getrennten Rechnern angesiedelt waren, nun durch einige wenige, dafür leistungsfähigere Rechensysteme erbracht werden. Dabei steigt die Komplexität der Software jedes einzelnen Systems an. Programme, die früher auf verschiedenen Rechnern gearbeitet haben, müssen nun in einem gemeinsamen Rechner koexistieren. Ohne geeignete Schutzmaßnahmen ergeben sich dadurch vielfältige Möglichkeiten unerwünschter Wechselwirkungen, die in ihrer Gesamtheit kaum noch beherrschbar sind.Im Bereich der Server hat sich bei ähnlicher Problemlage die Virtualisierung als geeignetes Mittel erwiesen: Durch die Aufteilung einer physischen Maschine in mehrere virtuelle Maschinen können Barrieren zwischen Programmen aufgebaut werden, die eine unkontrollierte Fehlerausbreitung unterbinden. Zudem gibt es im Serverbereich schon seit langem etablierte Vorgehensweisen zur Parallelverarbeitung auf Mehrprozessorrechnern, auch und gerade in Verbindung mit Virtualisierung.Es liegt nahe, diese erprobten Konzepte nun auch auf eingebettete Systeme anzuwenden, doch eine einfache Übernahme der Techniken erweist sich als nicht tragfähig. Der Grund hierfür liegt in der zusätzlichen Forderung nach Echtzeitverarbeitung, die bei eingebettetem Systemen in der Regel erhoben wird.Diese Arbeit bewegt sich im Spannungsfeld dreier Gebiete: Virtualisierung, Echtzeitverarbeitung und Parallelverarbeitung. Jedes dieser Gebiete gilt für sich genommen als weitgehend erforscht, doch ergeben sich bei ihrer gemeinsamen Betrachtung zahlreiche neue Fragestellungen und Möglichkeiten.In dieser Arbeit werden dazu Modelle zur Beschreibung von Echtzeitanwendungen innerhalb der Prozesshierarchie einer Virtualisierungsumgebung entwickelt. Bestehende Schnittstellen zur Virtualisierung werden auf ihre Möglichkeiten zur Echtzeitverarbeitung untersucht, und es werden neue Schnittstellen zur Virtualisierung auf Mehrprozessormaschinen geschaffen und erprobt, die die spezifischen Anforderungen eingebetteter Systeme -insbesondere die Echtzeitfähigkeit- berücksichtigen. Damit wird eine sichere und effiziente Koexistenz von Programmen mit unterschiedlich harten Zeitanforderungen in getrennten virtuellen Maschinen auf einem gemeinsamen Mehrprozessorrechner ermöglicht.