ReCoNets – Rekonfigurierbare Netzwerke · Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg...
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Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-NürnbergDirk Koch
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ReCoNets – Rekonfigurierbare Netzwerke
D. Koch, F. Reimann, T. Streichert, J. TeichLehrstuhl für Informatik 12
(Hardware-Software-Co-Design)Universität Erlangen-Nürnberg
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-NürnbergDirk Koch
2
Motivation
S2
BH
S3
Verhalten Struktur
Taskplatzierung? Reparaturstrategien? Echtzeit? Systemintegration? Betriebssystemdienste?
Taskplatzierung? Reparaturstrategien? Echtzeit? Systemintegration? Betriebssystemdienste?
S1
Ctrl1
Akt2Akt1
Sen1
Akt1
Sen1
Akt2
= Software-Task
= Hardware-Task
Ctrl’1
Ctrl1
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3
GliederungMotivation
Replikaplatzierung
ReparaturstrategienTask-Migration in TDMA-Netzwerken
Systemintegration / BetriebssytemdiensteRekonfigurierbare KommunikationReCoBus-BuilderKopplung ReCoNodes – ReCoNets
Bearbeitungsstand
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4
GliederungMotivation
Replikaplatzierung
Reparaturstrategien Task-Migration in TDMA-Netzwerken
Systemintegration / BetriebssytemdiensteRekonfigurierbare KommunikationReCoBus-BuilderKopplung ReCoNodes – ReCoNets
Bearbeitungsstand
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5
Task ReplikationWo müssen Replikate platziert werden, damit eine Funktionalität möglichst lange erhalten bleibt?
r1
t1
r2
t2
r2
t1
r1
t2
Wiederherstellung derInter-Task Kommunikation
Aktivieren des Replikats
Defekt?
Optimierung derTask Bindung
Task Replikation
SchnelleReparatur
Partitionierung
Geänderte Topologie
Link
Node
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Task Replikation – GrundideePartitionierung des Netzwerks in zweifache Zusammenhangskomponenten (Biconnected Components BCC)
zweifache Zusammenhangskomponente (BCC)
Artikulations Punkt
Bridge
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Bestimmung der BCCs
b
d
c
g
e
f
a
e1 e3
e2
e4
e5
e6e8
e9e7
c,1
d,2
e,3
f,4
g,5
b,6
a,7
1. BCC {d,e,f,g}2. BCC {a,b}3. BCC {c,d,b}
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Task Replikation – GrundideeAusgehend von einer festen Task-Bindung werden zusätzliche Knoten für Replikate gesucht. Verschiedene Heuristiken möglich:
Replikabindung an Knoten in einer anderen Zusammen-hangskomponente mit möglichem KommunikationspartnerReplikabindung an Knoten in einer Zusammenhangs-komponente mit der maximalen Anzahl an Tasks…
t1 t2
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Aktive ReplikationAnnahme: Jeder Task belegt 50% der auf einem Knoten verfügbaren Last.Tasks kommunizieren untereinanderEin aktives Replikat belegt die gleiche Last wie der zugehörige Task.
Ein einfacher Ressourcendefekt kann zu einem Totalausfall führen!
t1
t2
t3
t4
r1
r2
r3t5
r5
r4
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Annahme: Jeder Task belegt 50% der auf einem Knoten verfügbaren Last.Tasks kommunizieren untereinanderEin Replikat belegt erst nach seiner Aktivierung Last.
Ein einfacher Ressourcendefekt ist tolerierbar!
Passive Replikation
t1
t2
t3
t4
r1r2 r3t5
r5r4
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Experimental EvaluationSimulative Bestimmung der Mean-Time-To-Failure (MTTF)Vergleich mit randomisierter Replikation:
Aktive Replikation verbessert die MTTF bis zu 14%Passive Replikation verbessert die MTTF bis zu 23%
Aktive Replikation
Passive Replikation
•T. Streichert, M. Glaß, R. Wanka, C. Haubelt and J. Teich: Topology-Aware Replica Placement inFault-Tolerant Embedded Networks, ARCS08, Dresden, Deutschland, 2008
•T. Streichert, C. Strengert, D. Koch, C. Haubelt and J. Teich: Communication Aware Optimization of the Task Binding in Hardware/Software Reconfigurable Networks, Journal on Integrated Circuitsand Systems, Vol. 2, Nr 1, pp. 29-36, März 2007
•T. Streichert, C. Haubelt, D. Koch and J. Teich: Concepts for Self-Adaptive and Self-HealingNetworked Embedded Systems, Organic Computing, pp. 241-260, Springer, 2008
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GliederungMotivation
Replikaplatzierung
ReparaturstrategienTask-Migration in TDMA-Netzwerken
Systemintegration / BetriebssytemdiensteRekonfigurierbare KommunikationReCoBus-BuilderKopplung ReCoNodes – ReCoNets
Bearbeitungsstand
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Task-Migration in TDMA-NetzwerkenTime Division Multiple Access am Beispiel FlexRay
statisch Sym. Idledynamisch statisch Sym. Idledynamisch
Zyklus i Zyklus i+1
slot
1sl
ot 2
slot
n
min
i 1m
ini 2
min
i k... ...Statisches Segment für TDMA DatenübertragungDynamisches Segment für Ereignisgesteuerte KommunikationSymbolfenster für Administration (z.B.: WakeUp & Sleep)Network Idle Time zur Uhrensynchronisation
Slotvergabe? Overhead?Rekonfigurationstechniken?
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Task-Migration in TDMA-NetzwerkenVariante 1: Vollständige Rekonfiguration im Fehlerfall
Sehr langsam: treset + tconfig + tintegrate = 0.1 ms + 4,4 ms + {25...30} msAusfall der Kommunikation während der RekonfigurationMit jedem Communication Controller implementierbar
1: Sync A 2: m1 4: m21: Sync C 5: m3 6: m4statisches Segment dynamisches Segment
Knoten A Knoten B Knoten C
Prozess3: m4Prozess1: m1
Prozess2: m2, m3Prozess2': m2, m3
1: Sync A 2: m1 4: m21: Sync C 5: m3 6: m4statisches Segment dynamisches Segment
Knoten A
Knoten B (defekt)
Knoten C
Prozess3: m4Prozess1: m1
Prozess2': m2, m3 Prozess2: m2, m3
1: Sync A 2: m1 4: m21: Sync C 5: m3 6: m4statisches Segment dynamisches Segment
Knoten A
Knoten B (defekt)
Knoten C
Prozess3: m4Prozess1: m1
Prozess2': m2, m3 Prozess2: m2, m3
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Task-Migration in TDMA-NetzwerkenVariante 2: Partielle Rekonfiguration im dynamischen Segment(Alternative Reallokation von Sendepuffern im dynamischen Segment zur Laufzeit)
Mit vielen Communication Controllern implementierbarUnterbrechungsfreie Kommunikation während der RekonfigurationBandbreitengarantie
PriorisierungParametrisierung (Länge des dynamischen Segments)
Latenz von einem Buszyklus
1: Sync A 2: m1 4: m23: Sync C 5: m3 6: m4statisches Segment dynamisches Segment
1: Sync A 3: m1 4: m22: Sync C 5: m3 6: m4
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Task-Migration in TDMA-NetzwerkenVariante 3: Sekundäre Empfangspuffer im dynamischen Segment
Umkonfigurieren der Kommunikation innerhalb eines ZyklusVerschwendung von Bandbreite
1: Sync A 2: m1 4: m23: Sync C 5: m3 6: m4statisches Segment dynamisches Segment
Knoten A Knoten B Knoten C
Prozess3: m4Prozess1: m1
Prozess2: m2, m3Prozess2': m2, m3
1: Sync A 2: m1 4: m23: Sync C 5: m3 6: m4statisches Segment dynamisches Segment
Knoten A Knoten C
Prozess3: m4Prozess1: m1
Prozess2': m2, m3Knoten B (defekt)
Prozess2: m2, m3
leer1: Sync A 2: m1 4: m23: Sync C 5: m3 6: m4statisches Segment dynamisches Segment
Knoten A Knoten C
Prozess3: m4Prozess1: m1
Knoten B (defekt)
Prozess2: m2, m3
leer
Prozess2': m2, m3
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Task-Migration in TDMA-NetzwerkenVariante 4: Partielle Rekonfiguration
Umkonfigurieren der Kommunikation innerhalb eines ZyklusNicht auf jeder Hardware umsetzbar
1: Sync A 2: m1 4: m23: Sync C 5: m3 6: m4statisches Segment dynamisches Segment
Knoten A Knoten B Knoten C
Prozess3: m4Prozess1: m1
Prozess2: m2, m3Prozess2': m2, m3
1: Sync A 2: m1 4: m23: Sync C 5: m3 6: m4statisches Segment dynamisches Segment
Knoten A Knoten C
Prozess3: m4Prozess1: m1
Prozess2': m2, m3Knoten B (defekt)
Prozess2: m2, m3
leer1: Sync A 2: m1 4: m23: Sync C 5: m3 6: m4statisches Segment dynamisches Segment
Knoten A Knoten C
Prozess3: m4Prozess1: m1
Knoten B (defekt)
Prozess2: m2, m3
leer
Prozess2': m2, m3
1: Sync A 2: m1 3: Sync C 5: m3 6: m4statisches Segment dynamisches Segment
Knoten A Knoten C
Prozess3: m4Prozess1: m1
Knoten B (defekt)
Prozess2: m2, m3Prozess2': m2, m3
4: m2
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Task-Migration in TDMA-NetzwerkenVersuchsaufbau
R. Brendle, T. Streichert, D. Koch, C. Haubelt und J. Teich: Dynamic Reconfiguration of FlexRay Schedules for Response Time Reduction in Asynchronous Fault-Tolerant Networks, ARCS08, Dresden, Deutschland, 2008
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GliederungMotivation
Replikaplatzierung
ReparaturstrategienTask-Migration in TDMA-Netzwerken
Systemintegration / BetriebssytemdiensteRekonfigurierbare KommunikationReCoBus-BuilderKopplung ReCoNodes – ReCoNets
Bearbeitungsstand
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Rekonfigurierbare KommunikationRekonfigurationstechniken
Feine Granularität vermindert interne Fragmentierung (Verschnitt)Bedarf einer effizienten Kommunikationsinfrastruktur
Busse (Shared-Memory-Kommunikation)Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (I/O, Fifo-Kanäle)
a) Insel-Rekonfiguration b) Slot-Rekonfiguration c) Gitter-Rekonfiguration
statischer Systemteil verschiedene Module rekonfigurierbare Fläche
m1 m2 m1 m2 m3 m1 m2
m3
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ReCoBus-KommunikationGrundidee eines Busses für FPGA-basierte rekonfigurierbare SoCsam Beispiel von gemeinsam genutzten Lesedaten:
•GleichförmigeVerdrahtung
•IdentischeLogik innerhalbdes Busses
Modul 0 Modul N
. . .out
dataen0
outdata
enN
Modul 0 Modul N
. . .out
dataen0
indata
indata
&
outdata
enN
&
≥1
indata
indata
Modul 0 Modul N
. . .outdata
outdata
indata
indata
muxen
Tristate Multiplexer Logik
Modul 0
. . .out
dataen0
&
indata
≥1
Modul N
outdataenN
&
indata
≥1
. . . '0'
Modul 1
outdataen1
&
indata
≥1LUT LUT LUT
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ReCoBus-KommunikationProblem: Struktur einer Multiplexer-Kette ist ungünstig für feingranulare Implementierungen:
Logik-Overhead: 4/24 = 17%
D7..0
D15..8
D23..16
D31..24
'0'
'0'
'0'
'0'
Slot 1 Slot 2 Slot 3rekonfigurierbare Fläche
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23
ReCoBus-KommunikationProblem: Struktur einer Multiplexer-Kette ist ungünstig für feingranulare Implementierungen:
Logik-Overhead: 4/18 = 22%
D7..0
D15..8
D23..16
D31..24
'0'
'0'
'0'
'0'
Slot 1 Slot 2 Slot 3rekonfigurierbare Fläche
Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4
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24
ReCoBus-KommunikationProblem: Struktur einer Multiplexer-Kette ist ungünstig für feingranulare Implementierungen:
Logik-Overhead: 4/24 = 17%
D7..0
D15..8
D23..16
D31..24
'0'
'0'
'0'
'0'
Slot 1 Slot 2 Slot 3rekonfigurierbare Fläche
Slot 4
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25
ReCoBus-KommunikationProblem: Struktur einer Multiplexer-Kette ist ungünstig für feingranulare Implementierungen:
Logik-Overhead: 4/12 = 33%
D7..0
D15..8
D23..16
D31..24
'0'
'0'
'0'
'0'
rekonfigurierbare FlächeSlot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4 Slot 5 Slot 6
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26
ReCoBus-KommunikationProblem: Struktur einer Multiplexer-Kette ist ungünstig für feingranulare Implementierungen:
Logik-Overhead: 4/12 = 33%
D7..0
D15..8
D23..16
D31..24
'0'
'0'
'0'
'0'
rekonfigurierbare FlächeSlot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4 Slot 5 Slot 6
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ReCoBus-KommunikationProblem: Struktur einer Multiplexer-Kette ist ungünstig für feingranulare Implementierungen:
Logik-Overhead: 4/6 = 66%; extrem große Latenz!
D7..0
D15..8
D23..16
D31..24
'0'
'0'
'0'
'0'
rekonfigurierbare FlächeSlot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4 Slot 5 Slot 6S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12
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ReCoBus-KommunikationLösung: Verschränkung mehrere unabhängiger einzelner Multiplexer-Ketten:
Logik-Overhead: 1/6 = 17%; geringe Latenz trotz feiner Granularität!
D7..0D15..8
'0'
rekonfigurierbare Fläche
D23..16
D7..0D15..8
D31..24
D23..16
D7..0D15..8
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12
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ReCoBus-KommunikationBeispielsystem:
Alignment-Multiplexer erlaubt freie ModulplatzierungInterface wächst automatisch mit der Modulkomplexität (Größe)
11≥1
&
≥1
&
≥1
&
≥1
&
≥1
&
≥1
&
1
CPUdummy
en dout en douten douten douten dout
dindin dindin din din din din din
S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 7 S 8 S 9Modul 0
en dout
Modul 1
'0'
•D. Koch, T. Streichert, C. Haubelt und J. Teich: Efficient Reconfigurable On-Chip Buses,Europäisches Patent EP07017975, Hinterlegungstag 13.09.2007
•D. Koch, C. Haubelt und J. Teich: Efficient Reconfigurable On-Chip Buses for FPGAs,FCCM 2008, Stanford, Kalifornien, 2008
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ReCoBus – BesonderheitenDirekte Busanbindung der Module
Kompatibel zu allen etablierten Standards (AMBA, Wishbone, …)
Modul-Relokation
Flexible Platzierung & variable Modulgrößen
Modul-Mehrfachinstantiierungen
Sehr geringer Logik-Overhead
Für hohen Durchsatz geeignet
Hot-Swap-Fähig: keine Störung des Busses durch Rekonfiguration
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ReCoBusJedes Busprotokoll kann mit vier Klassen von Busleitungen implementiert werden1. Shared Write 2. Dedicated Write3. Shared Read4. Dedicated Read
Beispiel eines rekonfigurierbaren SoCs:
brid
ge
MEMSl
ot 0
Slot
1
Slot
2
Slot
3
Slot
4
CPU
buslogic
Video
I/O
Problem:gleichförmigeVerdrahtungdedizierterBusleitungen
addressdecode
addresswrite_data
read_datainterrupt_1
interrupt_2
R \ W
select_1select_2
__
Master Slave 1 Slave 2
dedicated masterwrite signals
dedicated masterread signals
shared masterread signals
shared masterwrite signals
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ReCoBus – Dedizierte SchreibleitungenLösung: gleichförmig verteilte Adresskomparatoren im Bus(Realisierung durch SRL16 Schieberegister-Primitive)
Zweistufige Konfiguration:1. FPGA: Initialisiere Schieberegister mit 0xFFFF2. Logik: Konfiguriere internen Adresskomparator & aktiviere Modul
Q15
4
ENDin
module_reset
module_select
module_read
module sidebus sidebus_read
bus_enableconfig_clock
config_data
fits into onelook-up table
reconfigurable select generator
Q0
&
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slot 0 slot 1re
set
sele
ctre
ad_e
n
slot 2 slot 3 slot 4
rese
tse
lect
read
_en
slot 5module 1 module 2
CPU
buslogic
bus_readbus_enable config_clockconfig_data
dummy
moduleselectlogic
selectmodule
logic
ReCoBus – Dedizierte SchreibleitungenAnordnung der Adresskomparatoren im Bus
Erlaubt ModulrelokationMehrfachinstantiierung eines Moduls Automatische Reset-GenerierungKeine Störungen auf dem Bus durch die Rekonfiguration (Hot-Plug)
Q15
4
ENDin
module_reset
module_select
module_read
module sidebus sidebus_read
bus_enableconfig_clock
config_data
&
fits into onelook-up table
reconfigurable select generator
Q0
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ReCoBus-BuilderFloorplanning- und Bussynthesewerkzeug zur RSoC-GenerierungUnterstützt sämtliche Spartan-3, Virtex-II und Virtex-IIPro FPGAs
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-NürnbergDirk Koch
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ReCoBus-BuilderEinfache Integration in die Xilinx-ISE UmgebungBlocker Macros als Workaround für mangelhafte Werkzeuge
D. Koch, C. Beckhoff and J. Teich: ReCoBus-Builder – a Novel Tool and Technique to Build Statically and Dynamically Reconfigurable Systems for FPGAs, Akzeptiert für die FPL 2008
Kooperationenwillkommen!
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ReCoBus – BeispielsystemRSoC mit 60 Slots8-Bit Daten/Slot, (6x Verschränkt)27 partielle Module(individuell adressierbar)Buslatenz < 10 ns
Vorgestellt auf der FCCM Configurable Computing Demo Night, Stanford, Kalifornien, 2008
(ESM mit XC2V6000-6)
6 Slices implementieren:8-Bit Schreibdaten8-Bit Lesedatenmodule_selectmodule_readmodule_reset
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Kopplung: ReCoNodes – ReCoNetsRekonfigurations-Management:
Remote-RekonfigurationHW Bitstream-Dekomprimiererz.B.: 120 LUTs, 400 MB/s, garantierter Mindestdurchsatz,Kompressionsrate ~ gzip --best
Modul-KompaktierungDynamik im Laufzeitsystembewirkt Fragmentierung derrekonfigurierbaren FPGA-FlächeProblem: die Anzahl der aktuell zur Verfügung stehenden Slotssagt allein nicht aus, ob ein Modul platziert werden kann. Lösung: unterbrechungsfreie Kompaktierung
• D. Koch, C. Beckhoff und J. Teich: Bitstream Decompression for High Speed FPGAConfiguration from Slow Memories, ICFPT07, Kokurakita, Kitakyushu, JAPAN, 2007
• S. Fekete, T. Kamphans, N. Schweer, J. van der Veen, J. Angermaier, D. Koch, und J. Teich:No-break Dynamic Defragmentation of Reconfigurable Devices, Akzeptiert für die FPL 2008
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GliederungMotivation
Replikaplatzierung
ReparaturstrategienTask-Migration in TDMA-Netzwerken
Systemintegration / BetriebssytemdiensteRekonfigurierbare KommunikationReCoBus-BuilderKopplung ReCoNodes – ReCoNets
Bearbeitungsstand
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Bearbeitungsstand (Dritte Förderperiode)Replikaplatzierung
AP1 Modellierung verschiedener ReplizierungsstrategienAP2 Online-Strategien zur Replika-PlatzierungAP3 Analytische ZuverlässigkeitsanalyseAP4 Simulative Zuverlässigkeitsanlyse
Echtzeitverhalten der ReparaturstrategienAP5 Task-Migration in TDMA-Netzwerken (Busse)AP6 TDMA in Punkt-zu-Punkt-NetzwerkenAP7 Task-Migration in echtzeitfähigen Punkt-zu-Punkt NetzenAP8 Analyse der Zuverlässigkeit unter Echtzeitaspekten
Kopplung der Mikro- und MakroebeneAP9 Kommunikationsstrukturen für das HW/SW-MorphingAP10 Integration von Online-PlatzierungsverfahrenAP11 Unterstützung der ESM in der ReCoNets-Entwurfsmethodik
ImplementierungAP12 Prototypische Umsetzung und Demonstrator
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FragenReplikaplatzierung
AP1 Modellierung verschiedener ReplizierungsstrategienAP2 Online-Strategien zur Replika-PlatzierungAP3 Analytische ZuverlässigkeitsanalyseAP4 Simulative Zuverlässigkeitsanlyse
Echtzeitverhalten der ReparaturstrategienAP5 Task-Migration in TDMA-Netzwerken (Busse)AP6 TDMA in Punkt-zu-Punkt-NetzwerkenAP7 Task-Migration in echtzeitfähigen Punkt-zu-Punkt NetzenAP8 Analyse der Zuverlässigkeit unter Echtzeitaspekten
Kopplung der Mikro- und MakroebeneAP9 Kommunikationsstrukturen für das HW/SW-MorphingAP10 Integration von Online-PlatzierungsverfahrenAP11 Unterstützung der ESM in der ReCoNets-Entwurfsmethodik
ImplementierungAP12 Prototypische Umsetzung und Demonstrator
www.reconets.de