A Tool Integra-on Approach for Architectural Explora-on of - PowerPoint PPT Presentation

Industrial Cyber-Physical Systems A ¡Tool ¡Integra-on ¡Approach ¡for ¡Architectural ¡ Explora-on ¡of ¡Aircra6 ¡Electric ¡Power ¡Systems ¡ Hokeun ¡Kim , ¡Liangpeng ¡Guo, ¡Edward ¡A. ¡Lee ¡ ¡ and ¡Alberto ¡Sangiovanni-­‑Vincentelli ¡ EECS, University of California, Berkeley The ¡1st ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡ Cyber-­‑Physical ¡Systems, ¡Networks, ¡and ¡Applica-ons ¡ Taipei, ¡Taiwan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡August ¡19 ¡-­‑ ¡20, ¡2013 ¡ Sponsored ¡by ¡the ¡iCyPhy ¡Research ¡Consor4um, ¡a ¡collabora4on ¡of ¡ ¡ UC ¡Berkeley, ¡Caltech, ¡IBM, ¡and ¡United ¡Technologies. ¡

Introduc-on ¡ • Aircra6 ¡electric ¡power ¡system ¡(EPS) ¡ – Genera-on, ¡conversion ¡and ¡distribu-on ¡of ¡power ¡for ¡ aircra6 ¡u-li-es ¡ – Safety-­‑cri-cal ¡cyber-­‑physical ¡system ¡ – Consists ¡of ¡power ¡generators, ¡buses, ¡contactors, ¡loads ¡ and ¡sensors ¡ – Becoming ¡increasingly ¡more ¡complex ¡ References ¡ • K. ¡Emadi ¡and ¡M. ¡Ehsani, ¡“Aircra6 ¡power ¡systems: ¡technology, ¡state ¡of ¡the ¡art, ¡and ¡future ¡ – trends,” ¡Aerospace ¡and ¡Electronic ¡Systems ¡Magazine, ¡IEEE, ¡vol. ¡15, ¡no. ¡1, ¡pp. ¡28–32, ¡2000. ¡ L. ¡Guo, ¡M. ¡Maasoumy, ¡M. ¡Mozumdar, ¡P. ¡Nuzzo, ¡N. ¡Ozay, ¡U. ¡Topcu, ¡H. ¡Xu, ¡R. ¡Murray ¡and ¡ – A.Sangiovanni-­‑Vincentelli, ¡"Aircra6 ¡Electric ¡Power ¡System: ¡Descrip-on, ¡Specifica-ons ¡and ¡ Design ¡Challenges", ¡MuSyC ¡DSCS ¡internal ¡report, ¡March ¡2012, ¡unpublished ¡ CPSNA 2013 2

Introduc-on ¡(cont’d) ¡ • Characteris-cs ¡of ¡modern ¡safety-­‑cri-cal ¡cyber-­‑ physical ¡systems ¡ – Consist ¡of ¡heterogeneous ¡components ¡ – Complex ¡systems ¡both ¡in ¡func-onali-es ¡and ¡ underlying ¡architectures ¡ – Timing ¡behavior ¡is ¡part ¡of ¡correctness ¡ – Valida-on ¡of ¡reliability ¡is ¡cri-cal ¡ CPSNA 2013 3

Introduc-on ¡(cont’d) ¡ • Design ¡challenges ¡ – How ¡can ¡we ¡model ¡heterogeneous ¡components ¡in ¡ safety-­‑cri-cal ¡cyber-­‑physical ¡systems ¡together? ¡ – How ¡can ¡we ¡cope ¡with ¡architectural ¡explora-on ¡ problem ¡with ¡complex ¡func-onali-es? ¡ – How ¡can ¡we ¡validate ¡-ming ¡behavior ¡in ¡advance? ¡ CPSNA 2013 4

Introduc-on ¡(cont’d) ¡ • Tool ¡integra-on ¡approach ¡ – Crea-ng ¡a ¡plaborm ¡for ¡architectural ¡explora-on ¡of ¡ safety-­‑cri-cal ¡cyber-­‑physical ¡systems ¡by ¡integra-ng ¡ Ptolemy ¡II ¡and ¡Metro ¡II ¡ • Ptolemy ¡II ¡ – A ¡system ¡design ¡framework ¡suppor-ng ¡ experimenta-on ¡with ¡mul-ple ¡heterogeneous ¡models ¡ of ¡computa-on ¡(e.g. ¡DE, ¡SDF, ¡SR, ¡etc.) ¡ • Metro ¡II ¡ – Design ¡environment ¡for ¡plaborm ¡based ¡design ¡where ¡ the ¡mapping ¡can ¡be ¡easily ¡changed ¡and ¡thus ¡suitable ¡ for ¡architectural ¡explora-on ¡ CPSNA 2013 5

Introduc-on ¡(cont’d) ¡ • Design ¡challenges ¡revisited ¡ – How ¡can ¡we ¡model ¡heterogeneous ¡components ¡in ¡safety-­‑ cri-cal ¡cyber ¡physical ¡systems ¡together? ¡ • By ¡using ¡Ptolemy ¡II ¡that ¡supports ¡mul-ple ¡models ¡of ¡computa-on ¡ – How ¡can ¡we ¡cope ¡with ¡architectural ¡explora-on ¡problem ¡ with ¡complex ¡func-onali-es? ¡ • By ¡decoupling ¡func-onal ¡aspects ¡from ¡architectural ¡aspects ¡using ¡ Metro ¡II ¡ – How ¡can ¡we ¡validate ¡-ming ¡behavior ¡in ¡advance? ¡ • By ¡running ¡co-­‑simula-on ¡on ¡the ¡integrated ¡plaborm ¡of ¡Ptolemy ¡II ¡ and ¡Metro ¡II ¡ CPSNA 2013 6

Approach ¡ • Approach ¡overview ¡ Ptolemy II ( + Metro II Extension) SystemC Metro II Architectural Model Scheduler Interac4on ¡ Task1 Task2 Task3 CPSNA 2013 7

Func-onal ¡Model ¡ • Aircra6 ¡EPS ¡specifica-on ¡ Generators ¡ • Generate AC power ¡ LHV APU EXT RHV • May have faulty behaviors • Main & backup generators B1 B3 B4 B2 Contactors B5 • Transfer power from B6 generators to loads • Set up control paths a b c a b c a b c a b c AC Loads • Always need to be powered by exactly one generator Left AC Load Right AC Load • Can be powered off while generators are replaced Courtesy : P. Nuzzo CPSNA 2013 8

Func-onal ¡Model ¡(cont’d) ¡ • A ¡supervisory ¡controller ¡for ¡aircra6 ¡EPS ¡(Ptolemy ¡II) ¡ Director • Implements Synchronous / Reactive • Metro II extension ¡ ¡ ¡ ¡ Output Input • Control signals for Contactors • Health status of Generators Sub tasks CPSNA 2013 9

Func-onal ¡Model ¡(cont’d) ¡ • Tasks ¡inside ¡of ¡the ¡supervisory ¡controller ¡ ArrangeLeftPath (ALP) • Selects a generator for Left AC Load ControlSignalGen (CSG) • Based on health status • Generate control signals for contactors (B1 ~ B6) • Based on the generator selections of ALP and ARP ¡ ¡ ¡ LHV APU EXT RHV ¡ ¡ ¡ ¡ B1 B3 B4 B2 ¡ B5 B6 ArrangeRightPath (ARP) • Selects a generator for Right AC Load a b c a b c a b c a b c ¡ ¡ Left AC Load Right AC Load ¡ ¡ CPSNA 2013 10

Architectural ¡Model ¡ • Architectural ¡model ¡overview ¡ & ¡interac-on ¡with ¡the ¡func-onal ¡model ¡ Scheduler SystemC Wait for Notify Architectural SystemC systemC Model events events Task1 Task2 Task3 Named Pipes Propose or notify Metro II events Ptolemy II Functional Model CPSNA 2013 11

Architectural ¡Model ¡(cont’d) ¡ ¡ Proposed • Metro ¡II ¡execu-on ¡seman-cs ¡ Events 1. Base 2. Quantity ¡ Model Annotation & ¡Co-­‑simula-on ¡flow ¡ Enabled 3. Proposed Events Events with Annotations Constraint Solving Scheduler SystemC Wait for Notify Architectural SystemC systemC Model events events Task1 Task2 Task3 Named Pipes Propose or notify Metro II events Ptolemy II Functional Model CPSNA 2013 12

Architectural ¡Model ¡(cont’d) ¡ Proposed • Metro ¡II ¡execu-on ¡seman-cs ¡ Events 1. Base 2. Quantity Model Annotation & ¡Co-­‑simula-on ¡flow ¡ Enabled 3. Proposed Events Events with Annotations Constraint Solving Scheduler SystemC Wait for Notify Architectural SystemC systemC Model events events e1, e2, e3 – Metro II events Task1 Task2 Task3 e1 e2 e3 Named Pipes Propose or notify Metro II events Ptolemy II Functional Model CPSNA 2013 13

Architectural ¡Model ¡(cont’d) ¡ Proposed • Metro ¡II ¡execu-on ¡seman-cs ¡ Events 1. Base 2. Quantity Model Annotation & ¡Co-­‑simula-on ¡flow ¡ Enabled 3. Proposed Events Events with Annotations Constraint Solving Scheduler SystemC Wait for Notify Architectural SystemC systemC Model events events e1, e2, e3 – Metro II events Task1 Task2 Task3 t1, t2, t3 – Global clock (e1,t1) (e2,t2) (e3,t3) Named Pipes Propose or notify Metro II events Ptolemy II Functional Model CPSNA 2013 14

Architectural ¡Model ¡(cont’d) ¡ Proposed • Metro ¡II ¡execu-on ¡seman-cs ¡ Events 1. Base 2. Quantity Model Annotation & ¡Co-­‑simula-on ¡flow ¡ Enabled [Task1,(e1,t1)], [Task2,(e2,t2)], [Task3,(e3,t3)] 3. Proposed Events Events with Annotations Constraint Solving Scheduler SystemC Wait for Notify Architectural SystemC systemC Model events events e1, e2, e3 – Metro II events Task1 Task2 Task3 t1, t2, t3 – Global clock Named Pipes Global clock += Propose or notify (scheduling overhead Metro II events +execution time of tasks +synch overhead + etc.) Ptolemy II Functional Model CPSNA 2013 15

Architectural ¡Model ¡(cont’d) ¡ Proposed • Metro ¡II ¡execu-on ¡seman-cs ¡ Events 1. Base 2. Quantity Model Annotation & ¡Co-­‑simula-on ¡flow ¡ Enabled 3. Proposed Events Events with Annotations Constraint Solving Scheduler SystemC Wait for Notify Architectural SystemC systemC Model events events e4, e5, e6 – Metro II events Task1 Task2 Task3 e4 e5 e5 Named Pipes Propose or notify Metro II events Ptolemy II Functional Model CPSNA 2013 16

Architectural ¡Model ¡(cont’d) ¡ • Architectural ¡parameters ¡ – Scheduling ¡overhead ¡ – Priority ¡of ¡tasks ¡ – Speed ¡of ¡processing ¡elements ¡ (or ¡execu-on ¡-mes ¡of ¡tasks) ¡ – Paralleliza-on ¡of ¡independent ¡tasks ¡ – Synchroniza-on ¡overhead ¡for ¡parallelized ¡tasks ¡ CPSNA 2013 17