Predictable Execution for Device-Bound Embedded Systems with Intermittent Power

Abstract

Batteryless embedded systems have the potential to create a sustainable Internet of Things. By harvesting energy from their environment, these systems achieve a degree of self-sufficiency with regard to their energy demand. As energy-harvesting techniques cannot ensure a continuous power supply, such systems face blackout periods with insufficient energy. Hence, these systems operate intermittently and require means to preserve their progress across blackouts. Inherently, intermittent systems rely on devices to interact with their environment, such as sensors or communication devices. This characteristic complicates progress guarantees because device operations, in contrast to the execution of machine-code instructions, rely on transactional semantics rather than incremental progress. A blackout during a device operation, such as transmitting a packet, requires retrying the operation without the possibility to pick up the transmission exactly where the blackout occurred. The context-dependent power consumption of devices, which potentially constitutes a substantial part of the system’s overall demand, hinders reasoning about the energy demand of device-related tasks. While energy harvesting enables sustainable operation at runtime, manufacturing systems likewise requires resources and impacts the environment. Considering, for example, the carbon footprint is a necessity for sustainable systems. Current design approaches lack the means to assess both the environmental impact and the operational characteristics of design options and to consider the system-wide consequences of design choices. This thesis enables predictable and guaranteed execution in intermittent systems and provides means to achieve sustainable designs for these systems under the respective application constraints. The presented approaches comprise static analysis, the runtime and operating system, and the system design. Bounds on the worst-case resource demand that include the influence of devices are the fundamental means to uphold the transactional semantics of device operations. Starting task execution only with sufficient resources available eliminates unexpected blackouts. State-aware power-consumption models for devices coupled with a context-sensitive tracking of device states across program paths yields accurate bounds on the resource demand. A microarchitecture-aware modeling of the processor’s temporal behavior further improves the accuracy of system-wide energy-consumption bounds. In combination, the approaches of this thesis enable a more efficient use of the available energy at runtime through the awareness of worst-case resource demands. A case study on a carbon-minimal design under application con- straints for the energy storage validates the benefits of a holistic view on system design. By trading the increased effort of static analysis for a simpler, predictable, and guaranteed runtime behavior, this thesis achieves progress guarantees for device operations under intermittent operating conditions. The awareness of resource demands both at design and runtime paves the way towards a truly sustainable Internet of Things.

Alternate abstract:

Batterielose eingebettete Systeme bieten das Potential ein nachhaltiges Internet der Dinge zu erschaffen. Sie ernten Energie aus ihrer Umgebung und sind so energieautark. Da diese Form der Energiegewinnung keine kontinuierliche Versorgung gewährleistet, erleben solche Systeme stromlose Phasen, während derer kein Betrieb möglich ist. Folglich arbeiten diese Systeme intermittierend und benötigen Mittel, um ihren Fortschritt über Stromausfälle hinweg zu bewahren. Grundsätzlich nutzen intermittierende Systeme Geräte zur Interaktion mit ihrer Umgebung oder Kommunikation. Diese Eigenschaft verkompliziert Fortschrittsgarantien, da Geräteaktionen, im Gegensatz zur Ausführung von Prozessorbefehlen, transaktionale Semantiken anstatt inkrementellen Fortschritt aufweisen. Ein Stromausfall während einer Geräteaktion erfordert ein Wiederholen der gesamten Aktion. Die Möglichkeit, genau an der Stelle des Stromausfalls fortzufahren, besteht nicht. Der kontextabhängige Energiebedarf von Geräteaktionen kann einen bedeutenden Teil des Systembedarfs ausmachen und erschwert Aussagen über den Energiebedarf von Aufgaben mit Gerätenutzung. Während Energieautarkie einen nachhaltigen Betrieb zur Laufzeit ermöglicht, benötigt die Herstellung der Systeme ebenfalls Ressourcen und hat Umweltauswirkungen. Die Betrachtung des CO2-Fußabdrucks ist beispielsweise unerlässlich für nachhaltige Systeme. Bestehenden Entwurfsmethoden fehlen die Möglichkeiten, um gleichzeitig Umweltauswirkungen und operative Aspekte von Entwurfsoptionen sowie deren Auswirkungen auf das Gesamtsystem zu betrachten. Diese Dissertation ermöglicht vorhersagbares und garantiertes Laufzeitverhalten in intermittierenden Systemen und bietet Mittel für ein nachhaltiges Design. Die vorgestellten Ansätze umfassen statische Analyse, Laufzeit- und Betriebssystem sowie Systementwurf. Obere Schranken für den schlimmstmöglichen Energiebedarf unter Berücksichtigung von Geräteeinflüssen ermöglichen den Erhalt der transaktionalen Semantik von Geräteaktionen. Aufgaben nur bei ausreichend verfügbaren Ressourcen zu beginnen, verhindert unerwartete Ausfälle. Zustandsgewahre Modelle der Leistungsaufnahme von Geräten und eine Nachverfolgung der Gerätezustände über Programmpfade hinweg liefern genaue Ressourcenbedarfsschranken. Eine mikroarchitekturgewahre Modellierung des zeitlichen Prozessorverhaltens erhöht weiter die Genauigkeit der Energiebedarfsschranken. Gemeinsam ermöglichen die Ansätze dieser Arbeit eine effizientere Nutzung der verfügbaren Energie mittels Wissen über den schlimmstmöglichen Bedarf. Eine Fallstudie zum CO2-minimalen Systementwurf unter Beachtung von Anwendungsanforderungen unterstreicht die Vorteile ganzheitlicher Systementwürfe. Durch erhöhten statischen Analyseaufwand erkauft diese Dissertation ein einfacheres, vorhersagbares und garantiertes Laufzeitverhalten und erzielt so Fortschrittsgarantien für Geräteaktionen unter intermittierenden Betriebsbedingungen. Das Bewusstsein für Ressourcenbedarf zu Entwurfs- und Laufzeit ebnet den Weg zu einem wahrhaft nachhaltigen Internet der Dinge.