XANDAR ускоряет генерацию кода для критичных по безопасности многоядерных систем

Следующее поколение сетевых встроенных систем требует быстрого прототипирования и высокой производительности, никогда не компрометируя надежность или безопасность. Однако развертывание критичного по безопасности встроенного ПО по-прежнему затруднено сложными тулчейнами и сложными инженерными процессами. Восхождение автономных систем, комбинирующих машинное обучение и искусственный интеллект с требованиями fail-operational, лишь усилило проблему верификации и валидации.

Для решения этих препятствий трехлетний проект ЕС Horizon 2020 XANDAR доставляет полностью интегрированный программный тулчейн — от захвата требований через интеграцию кода на целевом железе — с верификацией и валидацией. Цель — позволить быстрое прототипирование интероперабельных, автономных встроенных систем без жертв безопасности или защищенности.

Строясь на модельно-базированной системной архитектуре, XANDAR вводит новые техники автоматического модельного синтеза и программной параллелизации, удовлетворяющие строгим нефункциональным требованиям. Эта работа закладывает основу для новой парадигмы реального времени, безопасности- и защищенности-по-конструкции, известной как X-by-Construction (XbC).

Проблема многоядерности в критичных по безопасности средах

Параллельная обработка сделала многоядерные архитектуры повсеместными по доменам приложений. Однако программирование этих систем — особенно синхронизация потоков и избегание условий гонки — остается трудным. Параллельные компиляторы, доменно-специфические языки и развивающийся опыт разработчиков облегчили бремя, но в критичных по безопасности доменах, таких как авто и аэрокосмос, верификация и доказательство безошибочной работы остаются первостепенными, конфликтуя с добавленной сложностью многоядерного программирования.

Модельно-базированный дизайн может преодолеть этот разрыв, позволяя разработчикам абстрагироваться от низкоуровневых деталей, в то время как все еще моделируют, симулируют и генерируют код для встроенных функций. Этот более высокоуровневый подход привел к принятию в аэрокосмосе, авто и процессных индустриях, давая более быстрые циклы разработки и более низкие затраты.

Несмотря на свои сильные стороны, модельно-базированный дизайн часто ограничивается ранней системной спецификацией и архитектурным исследованием; финальное ПО для критичных по безопасности систем все еще часто пишется вручную. Проекты вроде ARGO ввели WCET-aware генерацию кода, и модельно-базированная системная инженерия применялась к электрическим/электронным архитектурам путем слоения абстракций и точек зрения. Эти достижения, однако, все еще требуют ручной кросс-доменной интеграции и страдают от ошибочных импорт/экспорт рабочих процессов.

Текущие исследования обычно расширяют архитектурные модели простыми описаниями конечных автоматов и генерируют исполняемые спецификации для симуляции-базированной верификации. Но действительно холистическая среда — покрывающая распределенную сетевую архитектуру, интегрированное поведенческое моделирование, кросс-слойную симуляцию, верификацию и генерацию кода — еще не реализована.

XANDAR нацелен заполнить эту пустоту. Его генератор кода будет соблюдать гарантии XbC, сохраняя все нефункциональные свойства от входной модели. Инновации включают платформо-агностичную генерацию кода, мониторинг раннаблов для критических сервисов и недетерминированные ускорители, адаптированные к AI и ML нагрузкам.

Достижение этого требует автоматизированных алгоритмов принятия решений, формальных проверок и оптимизаций, балансирующих реально-временную производительность, энергоэффективность, нефункциональные гарантии и рантайм-гибкость. Высококачественные генераторы кода, ко-оптимизирующие по этим измерениям, будут требовать специализированных, передового решения.

Партнеры консорциума XANDAR

Программа XANDAR идет до декабря 2023 года и финансируется на 5 миллионов евро под Horizon 2020. Консорциум — возглавляемый профессором Юргеном Беккером из Карсруэского технологического института — объединяет индустрию и академию:

• Karlsruhe Institute of Technology (Германия)
• University of Peloponnese (Греция)
• German Aerospace Center
• AVN Innovative Technology Solutions Ltd (Кипр)
• Vector Informatik GmbH (Германия)
• Queen's University Belfast (Северная Ирландия)
• BMW Group (Германия)
• fentISS (Испания)

Vector, один из восьми партнеров, вносит свою экспертизу встроенного ПО и высокопроизводительные среды разработки PREEvision и TA Tool Suite.

PREEvision позволяет коллаборативную, модельно-базированную спецификацию подключенных встроенных систем с четкой семантикой, охватывающей все системные уровни. TA Tool Suite поддерживает спецификацию, симуляцию и валидацию таймингового поведения сложных реально-временных систем. Вместе они формируют фундамент для X-by-Construction дизайна в XANDAR.