Applying the Engineering Statechart Formalism to the evaluation of soft real-time in operating systems : a use case tailored modeling and analysis technique

Abstract

Multimedia applications that have emerged in recent years impose unique requirements on an underlying general purpose operating system (GPOS). The suitability of a GPOS for multimedia processing is judged by its soft real-time capabilities. To date, the question of how these capabilities can be assessed has scarcely been addressed: this is a gap in GPOS research. By answering questions on the impacts of the Interrupt Handling Facility (IHF) on the overall soft real-time capabilities of a GPOS, this thesis contributes to the filling of this blank space. The Engineering Statechart Formalism (ESF), a use case tailored formal method of modeling real-world OS, is syntactically and semantically defined. Models of the IHF of selected real-world operating systems are then created by means of this technique. As no appropriate real-time concept fitting the goals of this thesis as yet exists, a suitable definition is constructed. By projecting this system-wide idea to the interrupt subsystem, specific indicators for this subsystem are erived. These indicators are then evaluated by applying formal techniques such as graph-based analysis and temporal logic model checking to the ESF models. Finally, the assertions derived from this evaluation are interpreted with respect to their impacts on real-time multimedia processing in different general purpose operating systems.

Multimedia-Anwendungen haben in den letzten Jahren weite Verbreitung erfahren. Solche Anwendungen stellen besondere Anforderungen an das Betriebssystem (BS), auf dem sie ausgeführt werden. Insbesondere Echtzeitfähigkeiten des Betriebssystems sind von Bedeutung, wenn es um seine Eignung für Multimedia-Verarbeitung geht. Bis heute wurde die Frage, wie sich diese Fähigkeiten konkret innerhalb eines BS manifestieren, nur unzureichend untersucht. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Füllung dieser Lücke in der BS-Forschung. Die Effekte des Subsystems zur Unterbrechungsbehandlung in BS auf die Echtzeitfähigkeit des Gesamtsystems werden detailliert auf Basis von Modellen dieses Subsystems in verschiedenen BS analysiert. Um eine formale Auswertung zu erlauben, wird eine auf den Anwendungsfall zugeschnittene formale Methode zur BS-Modellierung verwendet. Die spezifizierte Syntax und Semantik dieses Engineering Statechart Formalism (ESF) basieren auf dem klassischen Statechart-Formalismus. Da bislang kein geeigneter Echtzeit-Begriff existiert, wird eine konsistente Definition hergeleitet. Durch die Abbildung dieser sich auf das Gesamtsystem beziehenden Eigenschaft auf die Unterbrechungsbehandlung werden spezifische Indikatoren für dieses Subsystem hergeleitet. Die Ausprägungen dieser Indikatoren für die verschiedenen untersuchten Betriebssyteme werden anhand formaler Methoden wie graphbasierter Analyse und Temporal Logic Model Checking ausgewertet. Die Interpretation der Untersuchungsergebnisse liefert Aussagen über die Effekte der Implementierung der Unterbrechungsbehandlung auf die Echtzeitfähigkeit der untersuchten Betriebssysteme bei der Verarbeitung von multimedialen Daten.