XANDAR tiene como objetivo la generación de código en el diseño de varios núcleos de seguridad crítica

La próxima generación de sistemas integrados en red requiere una rápida creación de prototipos y un alto rendimiento, al tiempo que mantiene cualidades clave como la confiabilidad y la seguridad. Sin embargo, la implementación de sistemas integrados críticos para la seguridad adolece de complejos procesos de ingeniería y cadenas de herramientas de software. Además, la tendencia actual en los sistemas autónomos que se basan en aplicaciones de aprendizaje automático (ML) e inteligencia artificial (AI) en combinación con requisitos operativos de falla hace que la verificación y validación de estos nuevos sistemas sea una tarea desafiante.

Para abordar esto, un proyecto de tres años financiado por la Unión Europea llamado XANDAR tiene como objetivo entregar una cadena de herramientas de software madura (desde la captura de requisitos hasta la integración real del código en el objetivo, incluida la verificación y validación) que satisfaga la necesidad de creación rápida de prototipos de sistemas integrados interoperables y autónomos. .

A partir de una arquitectura de sistema basada en modelos, XANDAR aprovechará las novedosas técnicas de síntesis automática de modelos y paralelización de software para lograr requisitos no funcionales específicos que sientan las bases para una novedosa tecnología en tiempo real, seguridad y protección por construcción (X-by -Paradigma de construcción, o XbC).

El desafío de múltiples núcleos en entornos críticos para la seguridad

La era del procesamiento paralelo ha llevado las arquitecturas de múltiples núcleos a la corriente principal, lo que ha llevado a una situación en la que se utilizan en casi todos los dominios de aplicaciones. Los desafíos iniciales con la programación de arquitecturas de múltiples núcleos, principalmente relacionados con la sincronización y las condiciones de carrera entre los hilos de ejecución operativos paralelos, aún no están completamente resueltos.

Aunque la situación se alivia al paralelizar compiladores, lenguajes paralelos, construcciones de lenguajes especiales y la creciente experiencia general de los desarrolladores de software que se acostumbran al nuevo paradigma de programación, en dominios críticos para la seguridad, el multi-core aún no ha tenido éxito. En entornos como el automotriz o aeroespacial, la verificación y la prueba de funcionamiento sin errores son esenciales, lo que entra en conflicto con la complejidad agregada y las nuevas fuentes de error en la programación de múltiples núcleos.

En este contexto, el diseño basado en modelos puede proporcionar las respuestas y cerrar la brecha que se extiende entre la programación actual de la arquitectura de múltiples núcleos y los requisitos de los dominios críticos para la seguridad.

El diseño de funciones de control basado en modelos ha recibido un interés creciente en las últimas dos décadas, especialmente en las industrias aeroespacial, automotriz y de procesos, que utilizan cada vez más la electrónica y el software integrados. La razón principal de esta tendencia es la posibilidad de gestionar el proceso de desarrollo desde un punto de vista de nivel superior, abstrayéndose así del diseño de sistemas de bajo nivel y permitiendo la simulación del comportamiento del sistema y la generación de código de las funciones modeladas. Esto da como resultado una reducción en el tiempo y el costo de desarrollo.

Si bien el diseño basado en modelos se está adoptando cada vez más para la especificación temprana del sistema, el modelado estructural y la exploración del espacio de diseño, la implementación final del software para sistemas integrados críticos a menudo todavía se desarrolla manualmente.

En proyectos de investigación recientes como ARGO, que se centra en la generación de código consciente de WCET (tiempo de ejecución del peor de los casos), se han desarrollado soluciones de un extremo a otro que tienen en cuenta aspectos de seguridad únicos para un sistema integrado aislado. En los últimos años también se han establecido enfoques de ingeniería de sistemas basados ​​en modelos para arquitecturas eléctricas / electrónicas. Dividen la arquitectura en múltiples capas de abstracción y puntos de vista para gestionar la complejidad a lo largo del proceso de desarrollo, desde el análisis y el diseño hasta la producción en serie. Las principales razones de esto pueden considerarse análogas al diseño de funciones basadas en modelos, pero desde el punto de vista de la arquitectura y el sistema.

El desarrollo basado en modelos de cada dominio suelen ser procesos de ejecución independientes, en los que las decisiones de arquitectura y la información deben modelarse manualmente en la herramienta de diseño de funciones basada en modelos o viceversa. Aunque existen formatos de intercambio para aspectos individuales de un sistema, como las matrices de comunicación, los procesos de importación / exportación tienden a ser propensos a errores y provocan inconsistencias entre la arquitectura y el modelo de comportamiento complementario, especialmente cuando se considera la colaboración distribuida y concurrente en los modelos.

Los enfoques y la investigación existentes modifican los modelos arquitectónicos con descripciones simples del comportamiento de la máquina de estados finitos y se ocupan de generar especificaciones de arquitectura ejecutables para la verificación basada en simulación. Sin embargo, esto debe desarrollarse más en un enfoque holístico que capture todos los pasos de diseño y verificación dentro de un entorno de desarrollo integrado utilizando un metamodelo de fuente única.

Esto incluye, en particular, el modelado de arquitectura de sistemas embebidos en red distribuidos, su modelado de comportamiento integrado detallado, su síntesis en un modelo de simulación de capas cruzadas, así como los pasos de verificación necesarios y la generación de código subsiguiente.

XANDAR se propone realizar un enfoque holístico en el que el generador de código proporcione las garantías X por construcción (XbC) requeridas y conserve las propiedades no funcionales relevantes del modelo de entrada. XANDAR introducirá nuevas innovaciones en esta área al proporcionar soporte de generación de código independiente de la plataforma, incluida la generación de ejecutables de monitoreo para servicios críticos, así como aceleradores no deterministas para aplicaciones de IA y ML.

Abordar estos desafíos requiere nuevos conceptos, algoritmos de decisión automatizados, verificaciones formales y optimizaciones de programas, no solo para el rendimiento y la eficiencia energética, sino también para las garantías no funcionales. Todo el proceso está sujeto a una compensación entre rendimiento en tiempo real, eficiencia energética, garantías no funcionales y flexibilidad en tiempo de ejecución. Los generadores de código de alta calidad y las transformaciones que optimicen conjuntamente todos estos aspectos requieren soluciones nuevas y especializadas.

Socios del consorcio XANDAR

El proyecto XANDAR es un programa de tres años que finaliza en diciembre de 2023 y está financiado por la UE con una suma de 5 millones de euros en el marco de Horizonte 2020. Los socios del consorcio de la industria y el mundo académico, dirigido por el profesor Jürgen Becker del Instituto de Tecnología de Karlsruhe, son:

• Instituto de Tecnología de Karlsruhe (Alemania)
• Universidad del Peloponeso (Grecia)
• Centro Aeroespacial Alemán
• AVN Innovative Technology Solutions Ltd (Chipre)
• Vector Informatik GmbH (Alemania)
• Queen's University Belfast (Irlanda del Norte)
• BMW Group (Alemania)
• fentISS (España)

Uno de los ocho socios del consorcio XANDAR es Vector. La empresa está contribuyendo al logro de los ambiciosos objetivos del proyecto basándose en su experiencia como especialista en software integrado y con sus entornos de desarrollo de alto rendimiento PREEvision y TA Tool Suite.

Aquí, PREEvision hace posible especificar sistemas integrados conectados de forma colaborativa y basados ​​en modelos con una semántica bien definida que integra todos los niveles del sistema. TA Tool Suite se puede utilizar para especificar, simular y validar el comportamiento temporal de sistemas complejos en tiempo real. Los dos entornos proporcionan una base para configurar el marco de diseño de X-by-Construction.