Ausgewählte Kapitel der Systemsoftware

Inhalt

Ziel des Seminars ist es, den Studierenden einen umfassenden Einblick in die heutige Welt des wissenschaftlichen Arbeitens zu geben. Dies geschieht durch Vorstellung von etablierten Publikationsprozessen: von der Forschungsidee über die Anfertigung eines wissenschaftlichen Papiers, bis hin zur Vortragspräsentation auf einer Fachkonferenz.

Im Wintersemester 2023 wird sich das Seminar um den Themenkomplex Ressourcenmanagement in Eingebetteten Systemen mit Energie- und Echtzeitanforderungen (REESEE) drehen:
In eingebetteten Systemen sind neben dem Prozessor auch zahlreiche andere Peripheriegeräte wie beispielsweise WiFi, Bluetooth, SPI oder I2C vorhanden. Diese haben einen massiven Einfluss auf den Energiebedarf des Systems. Ein Ziel kann es daher sein, deren Einfluss durch gezieltes Ansteuern zu beschränken. Im selben Maß kann man die Taktraten / Clocks des Systems nutzen, um die Energieaufnahme zu kontrollieren.
Eine Kategorie der eingebetteten Systeme, bei denen der Energiebedarf besonders wichtig ist, sind sogenannte intermittierende Systeme. Diese agieren ohne konstante Energiezufuhr und bauen auf Energy Harvesting-Ansätze auf. Dadurch ist zu jeder Zeit eine Unterbrechung in der Energiezufuhr möglich. Dies hat Einfluss auf das gesamte System: Zum einen soll das System nicht in einen inkonsistenten Zustand kommen, zum anderen wünscht man ebenso Fortschritt in der Ausführung des Programmcodes. In solchen Systemen ist auch das Debugging erschwert: Durch das Verbinden eines traditionellen Debuggers wird die Energiezufuhr beeinflusst, und Probleme, die durch das Verlieren eben dieser entstehen, treten nicht mehr auf.
Zu guter Letzt bezieht sich der Begriff 'Ressource' auch auf den Einfluss der Geräte auf den ökologischen Fußabdruck. Dies gilt sowohl für den Energieverbrauch, als auch für die Produktion und die Materialien der Hardwarekomponenten, welche auch wieder Einfluss auf das Design der Systeme haben.

Die jeweiligen Themen werden anhand von aktuellen wissenschaftlichen Papieren durch die Studierenden erarbeitet und gemeinsam diskutiert. Dazu werden Arbeitstechniken für die Literaturanalyse und Präsentationstechniken vorgestellt, die anschließend durch die Studierenden praktisch angewendet werden. Die Vermittlung dieser Arbeitstechniken geschieht durch die Erarbeitung und Diskussion eines Beispielpapiers und dessen verwandter Arbeiten mit allen Teilnehmenden.

Organisatorisches

Den Studierenden wird als Ausgangsbasis zum jeweiligen Thema eine wissenschaftliche Arbeit zur Verfügung gestellt, anhand der das Thema anschließend selbstständig erarbeitet werden soll. Die Literaturanalyse mündet in einer Ausarbeitung, die den Themenschwerpunkt zusammenfasst und kritisch bewertet. Die Ergebnisse werden in einem Vortrag den Seminarteilnehmenden vorgestellt und anschließend diskutiert.

Für eine Teilnahme am Seminar ist eine Anmeldung im StudOn notwendig. Die Themen werden rechtzeitig vor Beginn des Semesters bereit gestellt. Um ein Thema zu reservieren, schreibt uns bitte eine Email mit dem gewünschten Thema an die Mailingliste.

Das Seminar kann sowohl von Bachelor- als auch Masterstudierenden belegt werden. Abhängig davon wird die Schwierigkeit der Themen/der Anspruch an die Ausarbeitung gewählt.

Die am Seminar teilnehmenden Studierenden können wählen, ob sie den Vortrag und die Ausarbeitung auf Deutsch oder Englisch erstellen.

Ausarbeitung

• Eigenständiges Erarbeiten eines Themas
• Sprache: Deutsch oder Englisch
• Abgabe eines formlosen Exposés
• Abgabe eines formlosen Exposés vier Wochen vor dem Vortrag.
• Abgabe einer Vorabversion drei Wochen vor dem Vortrag
• Abgabe der endgültigen Version eine Woche vor dem Vortrag
• Voraussetzungen:
  • Berücksichtigung der Wissensbasis
  • 6 Seiten (Master) bzw. 4 Seiten (Bachelor) - exklusive Referenzen
  • Verwendung des ACM Standard Proceeding Templates (ACM sigconf style) | Template

Vortrag

• Vorbereitung und Diskussion der Vorträge der anderen Seminarteilnehmenden
• Erstellung eines Foliensatzes zur Ausarbeitung
• Sprache: Deutsch oder Englisch
• Abgabe einer Vorabversion der Folien zwei Wochen vor dem Vortrag
• Voraussetzungen:
  • Berücksichtigung der Hinweise zur Erstellung der Folien
  • Foliensatz für einen 20-minütigen Vortrag
  • Optional: Verwendung eines i4 Beamertemplates

Das Exposé soll formlos und kurz die angedachte Gliederung und die Idee der zu erstellenden Ausarbeitung beschreiben und ist als Ausgangspunkt gedacht. Nach Abgabe der Vorabversion der Ausarbeitung erhalten die Studierenden Feedback, welches vor dem Vortrag eingearbeitet werden muss. Eine Woche vor dem Vortrag reichen die Studierenden die endgültige Fassung ihrer Ausarbeitung ein. Die finale Fassung wird am selben Tag an die restlichen Studierenden zur Vorbereitung auf den Vortrag über die Mailingliste verschickt.

Eine Vorabversion der Folien muss bis zwei Wochen vor dem Vortrag eingereicht werden. Auch für die Folien erhalten die Studierenden Feedback, das bis zum Vortrag eingearbeitet werden kann.

Material zur Vortragsgestaltung und zu wissenschaftlichem Arbeiten

• Friedemann Mattern: Seminarvortrag - Hinweise zur Präsentation
• Karsten Weicker: Seminar-Leitfaden - Anmerkungen zum Vortrag und der schriftlichen Ausarbeitung
• Markus Rath: Leitfaden zur Anfertigung von Seminar-, Studien- und Diplomarbeiten
• Srinivasan Keshav: How to Read a Paper
• Timothy Roscoe: Writing Reviews for Systems Conferences
• Graham Cormode: How NOT to Review a Paper: The Tools and Techniques of the Adversarial Reviewer

Semesterplan

Termin: Mittwoch, 18:00, Aquarium (0.031)

Datum	Themen	Folien
18.10.2023	Organisation, Einführung und Themenvergabe	F1
25.10.2023	Arbeitstechniken	F2
01.11.2023	entfällt: Feiertag
08.11.2023	Vortragstechniken	F3
15.11.2023	Moderner Wissenschaftsbetrieb, Lesen und Begutachten von Fachliteratur	F4
22.11.2023	Forschungs- und Arbeitsethik	F5
29.11.2023	frei
06.12.2023	frei
13.12.2023	Thema 1: Energy-Consumption Modeling of Embedded Devices	T1 (Slides)
20.12.2023	frei
10.01.2024	Thema 3: Dynamic Power Management Thema 4: Dynamic Clock Control	T3 (Slides), T4 (Slides)
17.01.2024	Thema 5: Energy reduction via Hotspot Detection and Elimination Thema 6: Benchmarking Crimes	T5 (Slides), T6 (Slides)
24.01.2024	Thema 7: Applications & Intermittent Systems Thema 8: BLE & Intermittent Systems Thema 9: Debugging Intermittent Systems	T7 (Slides), T8 (Slides), T9 (Slides)
31.01.2024	Thema 10: Real-Time & Case Study Thema 11: Hardware for Real-Time Systems	T10 (Slides), T11 (Slides)
07.02.2024	Thema 12: Operating System Support for Embedded Devices Thema 13: Real-Time System OSs & Verification	T12 (Slides), T13 (Slides)

Themen

Themenblock: Energy Measurements & Accounting

1. Thema (MA): Energy-Consumption Modeling of Embedded Devices (Vortrag: V1)

• Determining Application-Specific Peak Power and Energy Requirements for Ultra-Low-Power Processors
• Data Dependent Energy Modeling for Worst Case Energy Consumption Analysis

2. Thema (MA): Energy reduction for RTS with devices

• Preemption Control for Energy-Efficient Task Scheduling in Systems with a DVS Processor and Non-DVS Devices
• Energy reduction techniques for systems with non-DVS components

Themenblock: Clock Control

3. Thema (BA): Dynamic Power Management (Vortrag: V3)

• Process Cruise Control Event-Driven Clock Scaling for Dynamic Power Management

4. Thema (MA): Dynamic Clock Control (Vortrag: V4)

• Dynamic Clock Reconfiguration for the Constrained IoT and its Application to Energy-efficient Networking (ScaleClock)
• Power Clocks: Dynamic Multi-Clock Management for Embedded Systems

Themenblock: Energy Consumption Reduction

5. Thema (BA): Energy reduction via Hotspot Detection and Elimination (Vortrag: V5)

• Automatic Energy-Hotspot Detection and Elimination in Real-Time Deeply Embedded Systems

Themenblock: Benchmarking

6. Thema (BA): Benchmarking Crimes (Vortrag: V6)

• Benchmarking Crimes: An Emerging Threat in Systems Security
• Benchmarking Crimes Website

Themenblock: Intermittent Systems

7. Thema (BA): Applications & Intermittent Systems (Vortrag: V7)

• Battery-Free GameBoy

8. Thema (BA): BLE & Intermittent Systems (Vortrag: V8)

• Intermittently-Powered Bluetooth that Works

9. Thema (MA): Debugging Intermittent Systems (Vortrag: V9)

• DIPS: Debug Intermittently-Powered Systems Like Any Embedded System
• An Energy-interference-free Hardware-Software Debugger for Intermittent Energy-harvesting Systems

Themenblock: Real Time

10. Thema (BA): Real-Time & Case Study (Vortrag: V10)

• Building Real-Time Embedded Applications on QduinoMC: A Web-connected 3D Printer Case Study

11. Thema (MA): Hardware for Real-Time Systems (Vortrag: V11)

• Design and Analysis of SIC: A Provably Timing-Predictable Pipelined Processor Core
• A Definition and Classification of Timing Anomalies

Themenblock: Operating Systems & Interference & Verification

12. Thema (BA): Operating System Support for Embedded Devices (Vortrag: V12)

• Tinkertoy: Build Your Own Operating Systems for IoT Devices

13. Thema (MA): Real-Time System OSs & Verification (Vortrag: V12)

• seL4: Formal verification of an OS kernel
• No Crash, No Exploit: Automated Verification of Embedded Kernels

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