لخّصلي

األنظمة المدمجة Systems Embedded Embedded system: computing systems designed النظام المضمن: أنظمة الحوسبة المصممة لغرض معين. .purpose specific a for األنظمة المدمجة في كل مكان! !everywhere are systems Embedded 2 Embedded Systems are getting more complex تعقيدا أصبحت األنظمة المضمنة أكب ر Modern high-end cars have over one hundred processors. تحتوي السيارات الحديثة المتطورة على أكثر من مائة معالج. Increasing number ofsensors, actuators, smart control, GUI.. زيادة عدد أجهزة االستشعار والمحركات الذكية التحكم ، واجهةالالال_ المستخدم الرسومية .. دمج البيانات الذكي. .fusion data Intelligent F-35 Lightning II Helmet Mounted Display System نظام عرض مثبت على خوذة Optical Track. المسار البصري. … are more Interconnected ... ترابطا ر أكب Command-and-control network – real-time integration of vehicles, people, command. شبكة القيادة والتحكم - التكامل في الوقت الحقيقي للمركبات واألشخاص والقيادة. Geotagging: useful or scary? وضع العالمات الجغرافية: مفيد أم مخيف؟ + 4 • Many other examples • العديد من األمثلة األخرى شبكة الطاقة Grid Power– األنظمة الطبية Medicalsystems– النقل Transportation– – Etc. CPS – the next evolution CPS - ل التطور التا 5 Cyber-physicalsystems: integration of computation with physical processes. Still build on top of embedded computing systems. Interaction with the physical environment is promoted to a “first class citizen”. يائية ز األنظمة السيربانية الف ب : تكامل الحساب مع العمليات المادية. زن ي عىل أنظمة الحوسبة المضمنة ال تزال تب . يتم تعزيز التفاعل مع البيئة المادية إىل "مواطن من الدرجة األوىل". Promotes interaction and integration ofsubsystemsالفرعية األنظمة يعزز التفاعل والتكامل ب يز ◦ Classic safety-critical embedded systems: black boxes ذات الكالسيكية المدمجة األنظمة األهمية الحرجة للسالمة: الصناديق السوداء ◦ CPS: white-boxes, open protocols CPS: المفتوحة الربوتوكوالت ، البيضاء الصناديق األهداف الرئيسية: :goals Main ◦ Co-design the cyber and physical part of the system ي تصميم الجزء السيربان ز ي ز المشاركة ف والمادي من النظام ◦ Engineer a “system of systems” "األنظمة نظام "هندسة CPS applications تطبيقات CPS Several new application only possible thanks to the CPS revolution! العديد من التطبيقات الجديدة ممكنة فقط بفضل ثورة !CPS Integrated operating room: seemingly connect medical devices, plug-and-play functionality غرفة عمليات متكاملة: يبدو أن األجهزة الطبية تربط ووظيفة التوصيل والتشغيل – Currently: a cable mess حاليا: فوضى في الكابالت – • Smart power grid: predict and response to varying conditions in supply and demand of power. شبكة الطاقة الذكية: التنبؤ واالستجابة للظروف • المتغيرة في العرض والطلب على الطاقة. • An other ignored requirement for sustainable energy… 6 شرط آخر تم تجاهله ل الطاقة المستدامة... CPS applications تطبيقات CPS Other application are an evolution of existing systems. التطبيقات األخرى هي تطور األنظمة القائمة. Unmanned Arial Vehicles بدون طيار Arial مركبات Autonomous Vehicles المركبات ذاتية القيادة 7 CPS Requirements متطلبات CPS 8 أمان Safety 1. ◦ All such systemsinteract with the environment. ◦ تتفاعل جميع هذه األنظمة مع البيئة. ◦ System failure can have catastrophic consequences. ◦ يمكن أن يكون لفشل النظام عواقب وخيمة. ◦ System correctness depends on both logical results and the time at which results are produced (real-time). تعتمد صحة النظام على كل من النتائج المنطقية والوقت الذي تكون فيه النتائج يتم إنتاجها )في الوقت الحقيقي(. أداء Performance 2. ◦ Safety is number#1 requirement, but we still need to achieve sufficient performance. السالمة هي المتطلبات رقم # 1 ، لكننا ما زلنا بحاجة إلى تحقيق ما يكفي اداء ◦ Many systems are resource constrained (in either weight, power, cost, etc.) ◦ العديد من األنظمة مقيدة بالموارد )سواء في الوزن أو القوة أو التكلفة ، إلخ.( قابلية التشغيل البيني Interoperability 2. ◦ Individual subsystems connected by open protocols. ◦ األنظمة الفرعية الفردية المتصلة ببروتوكوالت مفتوحة. CPS as multidisciplinary approach كنهج متعدد التخصصات CPS 9 CPS design requires competences in… يتطلب تصميم CPS كفاءات في ... هندسة الكمبيوتر Architecture Computer◦ ◦ CAD & Embedded Design CAD المضمن والتصميم هندسة البرمجيات Engineering Software◦ تحكم Control◦ التحقق الرسمي Verification Formal◦ تحليل الوقت الحقيقي Analysis Time-Real◦ … plus whatever engineering field(s) are related to the design of the plant/actuator. ... باإلضافة إلى أي مجال )مجاالت( هندسية مرتبطة بتصميم مصنع / مشغل Problem: all such field and subfields have very different design & development conventions. المشكلة: كل هذه الحقول والحقول الفرعية لها اصطالحات تصميم وتطوير مختلفة جدا. Perhaps we need a new science of CPS design? ربما نحتاج إلى علم جديد لتصميم CPS؟ CPS Challenges – Design Abstractions تجريدات التصميم - CPS تحديات We could argue that the biggest design challenge is in abstractions – the entire ECE design is a stack-based process. يمكننا أن نجادل بأن التحدي األكبر للتصميم يكمن في التجريد - الكل تصميم ECEهو عملية قائمة على المكدس. • Unfortunately, most such abstractions do not directly encapsulate characteristics of the environment such as: لسوء الحظ ، فإن معظم هذه التجريدات ال تلخص • بشكل مباشر خصائص البيئة مثل: التزامن Concurrency– األهمية Criticality– توقيت Timing– • It is very hard to predict if the cyber part will meet the requirements of the physical part! من الصعب جدا التنبؤ بما إذا كان الجزء السيبراني • 10 سيلبي متطلبات الجزء المادي! Current Design Flowل

تدفق التصميم الحا The picture below exemplifies a typical design flow for an avionic subsystem. توضح الصورة أدناه تدفق تصميم نموذجي لنظام فرعي إلكتروني للطيران. Analysis is required to verify that requirements are met. التحليل مطلوب للتحقق من استيفاء المتطلبات. Analysis can only be performed after implementation. Recipe for disaster! ال يمكن إجراء التحليل إال بعد التنفيذ. وصفة لكارثة! 11 Current Design Flowل

تدفق التصميم الحا The picture below exemplifies a typical design flow for an avionic subsystem. توضح الصورة أدناه تدفق تصميم نموذجي لنظام فرعي إلكتروني للطيران. Analysis is required to verify that requirements are met. التحليل مطلوب للتحقق من استيفاء المتطلبات. Analysis can only be performed after implementation. Recipe for disaster! ال يمكن إجراء التحليل إال بعد التنفيذ. وصفة لكارثة! 12 Reliable CPS: notso much! CPS !با ليسكث :موثوق In 2007, 12 F-22s were going from Hawaii to Japan. في عام 2007 ، كانت 12 طائرة من طراز -22Fمتجهة من هاواي إلى اليابان. All 12 experienced multiple crashes. تعرضت جميع ال 12 لحوادث متعددة. ال يوجد مالحة navigation No◦ ال توجد أنظمة فرعية للوقود subsystems fuel No◦ اتصاالت محدودة communications Limited◦ إعادة التشغيل لم تساعد help t’didn Rebooting◦ F-22 has 1.7 million lines of code. على 1.7 مليون سطر من التعليمات -22Fيحتوي البرمجية. F-22 Raptor CPS Challenges- Safety تحدياتCPS - السالمة 14 Safety is hard to guarantee in interconnected and interdependent systems. ابطة ابطة والمب ر األنظمة المب ر ي ز يصعب ضمان السالمة ف .

1. Do not trust communication channels. االتصال قنوات ي ز ال تثق ف . ◦ Ex: medical plug-and-play initiative is looking to interconnect medical devices using wirelesstechnology. ◦ على سبيل المثال: تتطلع مبادرة التوصيل والتشغيل الطبية إلى ربط األجهزة الطبية باستخدام التكنولوجيا الالسلكية. ◦ Problem: what happens if somebody jams the signal? ◦ المشكلة: ماذا يحدث إذا قام شخص ما بتشويش اإلشارة؟ يجب أن يكون كل نظام فرعي آمنا بشكل مستقل. .safe independently be must subsystem Each◦
2. Do not trust the users. يز المستخدم ي ز ال تثق ف . ◦ Users are an (unfortunate) part of the systems. .األنظمة من( مؤسف )جزء المستخدمون ◦ Users are very error prone: over 90% of avionic accidents are caused by flight crew/controllers. ر المستخدمون عرضة للخطأ: من أكب ٪90 من حوادث الط بان ناتجة عن الط بان الطاقم / وحدات التحكم. System must be protected against user mistakes المستخدم أخطاء من النظام حماية يجب CPS Challenges- Safety تحدياتCPS - السالمة
3. Do not trust lower-criticality subsystems. .4 ال تثق في األنظمة الفرعية ذات األهمية المنخفضة. ◦ Medical pacemaker composed of multiple subsystems. ◦ جهاز تنظيم ضربات القلب الطبي يتكون من أنظمة فرعية متعددة. ◦ Life-critical functionalities: base pacing, wiring, battery ◦ وظائف حيوية للحياة: السرعة األساسية ، األسالك ، البطارية ◦ Non-critical functionalities: adaptive pacing, logging, programming, RF communication. ◦ الوظائف غير الحرجة: السرعة التكيفية ، والتسجيل ، والبرمجة ، واتصاالت الترددات الالسلكية. ◦ Protect life-criticalsubsystem. ◦ حماية النظام الفرعي الحرج للحياة. Pacemaker 15 CPS Challenges- Safety تحدياتCPS - السالمة
4. Do not trust lower-criticality subsystems. .4 ال تثق في األنظمة الفرعية ذات األهمية المنخفضة. ◦ Medical pacemaker composed of multiple subsystems. ◦ جهاز تنظيم ضربات القلب الطبي يتكون من أنظمة فرعية متعددة. ◦ Life-critical functionalities: base pacing, wiring, battery ◦ وظائف حيوية للحياة: السرعة األساسية ، األسالك ، البطارية ◦ Non-critical functionalities: adaptive pacing, logging, programming, RF communication. ◦ الوظائف غير الحرجة: السرعة التكيفية ، والتسجيل ، والبرمجة ، واتصاالت الترددات الالسلكية. ◦ Protect life-criticalsubsystem. ◦ حماية النظام الفرعي الحرج للحياة. Pacemaker 16 التحقق واالعتمادCertification & Verification 17 How do we ensure safety? السالمة؟ نضمن كيف التحقق الرسمي Verification Formal 1. ◦ Build a model of the systems. .لألنظمة نموذج بناء ◦ Prove (mathematically) that the system satisfiessome safety property. ◦ أثبت )رياضيا( أن النظام يفي ببعض خصائص السالمة. ◦ Problem#1: no good model for the whole system. ◦ المشكلة # :1 ال يوجد نموذج جيد للنظام بأكمله. ◦ Problem#2: model is not implementation. .تنفيذا ليس النموذج :2 # المشكلة شهاده Certification 2. ◦ Usually a process-based mechanism: show that you have performed all process step according to some standard . عادة ما تكون آلية قائمة على العملية: أظهر أنك قد أجريت جميع العمليات خطوة وفقا لبعض المعايير. عادة ما يتضمن اختبارات مكثفة. .testing extensive includes Typically◦ مكلف جدا. .expensive Very◦ CPS Challenges- Integration تحديات CPS - التكامل Putting the system together is much more challenging that implementing the يعد تجميع النظام معا أكثر صعوبة من تنفيذ األنظمة الفرعية الفردية. .subsystems individual Quiz (avionic systems): can you guess what % of $ goes in implementation vs debugging? اختبار )أنظمة إلكترونيات الطيران(: هل يمكنك تخمين النسبة المئوية من $ التي تذهب في التنفيذ مقابل تصحيح؟ 20% Implementation تنفيذ 80% Debugging & Verification تصحيح األخطاء والتحقق Avionic Development Cost تكلفة تطوير إلكترونيات الطيران • Individual productivity forsafetycritical code is reported as 6 lines/day! • اإلنتاجية الفردية للسالمة - يتم اإلبالغ عن التعليمات البرمجية الحرجة على أنها 6 أسطر / يوم! 18 – F22: 1.7 million lines / 6 = 776 man-years – 1.7 22:Fمليون سطر / 6 = 776 سنة عمل – Perhaps the US$66.7billion program cost is not a surprise… ربما 66.7 مليار دوالر أمريكي تكلفة البرنامج ليست مفاجأة ... • Clearly the design process must be improved… • من الواضح أنه يجب تحسين عملية التصميم ... CPS Challenges- Timing Predictability إمكانية التنبؤ بالتوقيت - CPSتحديات The biggest architectural challenge. التحدي المعماري األكبر. The lowest abstraction layer (transistors) is pretty deterministic – we know how to compute exact timings. أدنى طبقة تجريد )ترانزستورات( جميلة حتمية - نحن نعرف كيفية حساب التوقيتات الدقيقة. However, higher levels lose all concept of timing. ومع ذلك ، فإن المستويات األعلى تفقد كل مفهوم التوقيت. ◦ Deep pipelining, caches, out-of-order and speculative execution… خطوط األنابيب العميقة ، المخابئ ، خارج الترتيب والمضاربة تنفيذ... ◦ Thread models, locking, interrupts… ◦ نماذج الخيط ، القفل ، المقاطعات ... This is fine for general purpose computing, but not for CPS – the physicalsystem uses real time! هذا جيد للحوسبة لألغراض العامة ، ولكن ليس ل - CPSيستخدم النظام المادي الوقت الفعلي! (by Prof. Edward Lee) 19 CPS Challenges- Timing Predictability إمكانية التنبؤ بالتوقيت - CPSتحديات We need to ensure that computation alwaysfinishes within guarantee time windows-> We are interested in worst-case performance, not average performance! نحن بحاجة إلى التأكد من أن الحساب ينتهي دائما في غضون فترات زمنية مضمونة - < نحن مهتمون باألداء األسوأ ، وليس متوسط األداء! إمكانية التنبؤ بالتوقيت predictability Timing ◦ The time that the system requires to perform an operation should exhibit little variation الوقت الذي يتطلبه النظام إلجراء عملية يجب أن تظهر تباينا طفيفا ◦ Such time should be easy to compute ◦ يجب أن يكون هذا الوقت سهل الحساب ◦ It should not be affected by other parallel operations in the system. ◦ ال ينبغي أن تتأثر بالعمليات الموازية األخرى في النظام. (by Prof. Edward Lee) 20 Real-Time and Composability كيب وقابلية الب ر الوقت الحقيق ر 21 تعتمد صحة النظام على: :on depends correctness System ◦ Logical correctness: system produces correct results. ◦ الصواب المنطقي: ينتج النظام نتائج صحيحة. ◦ Temporal correctness: system produces results at the right time. ◦ الصواب الزمني: ينتج النظام نتائج في الوقت المناسب. Timing (real-time) analysis = verify temporal correctness. تحليل التوقيت )في الوقت الفعلي( = التحقق من الصحة الزمنية. من الناحية المثالية ، نريد تحليال قابال للتركيب analysis composable want we ,Ideally التحقق من كل نظام فرعي بمعزل عن غيره isolation in subsystem each Verify◦ ◦ Then verify that there interaction is correct التفاعل صحة من تحقق ثم لسوء الحظ ، هذا صعب للغاية في الممارسة العملية ... ...practice in hard very is this ,Unfortunately Main issue: hardware and software resources shared among multiple subsystems. القضية الرئيسية: موارد األجهزة والبرمجيات المشتركة بين أنظمة فرعية متعددة.

األنظمة المدمجة Systems Embedded
Embedded system: computing systems designed
النظام المضمن: أنظمة الحوسبة المصممة لغرض معين. .purpose specific a for
األنظمة المدمجة في كل مكان! !everywhere are systems Embedded
2
Embedded Systems are getting more complex تعقيدا
أصبحت األنظمة المضمنة أكب ر
Modern high-end cars have over one hundred processors.
تحتوي السيارات الحديثة المتطورة على أكثر من مائة معالج.
Increasing number ofsensors, actuators, smart
control, GUI..
زيادة عدد أجهزة االستشعار والمحركات الذكية التحكم ، واجهةالالال_ المستخدم الرسومية ..
دمج البيانات الذكي. .fusion data Intelligent
F-35 Lightning II
Helmet Mounted Display System
نظام عرض مثبت على خوذة
Optical Track.
المسار البصري.
… are more Interconnected
... ترابطا
ر
أكب
Command-and-control network
– real-time integration of
vehicles, people, command.
شبكة القيادة والتحكم - التكامل في الوقت
الحقيقي للمركبات واألشخاص والقيادة.
Geotagging: useful or scary?
وضع العالمات الجغرافية: مفيد أم
مخيف؟
+
4
• Many other examples
• العديد من األمثلة األخرى
شبكة الطاقة Grid Power–
األنظمة الطبية Medicalsystems–
النقل Transportation–
– Etc.
CPS – the next evolution CPS - ل
التطور التا
5
Cyber-physicalsystems: integration of computation with physical processes.
Still build on top of embedded computing systems.
Interaction with the physical environment is promoted to a “first class citizen”.
يائية
ز
األنظمة السيربانية الف ب : تكامل الحساب مع العمليات المادية.
زن ي عىل أنظمة الحوسبة المضمنة
ال تزال تب .
يتم تعزيز التفاعل مع البيئة المادية إىل "مواطن من الدرجة األوىل".
Promotes interaction and integration ofsubsystemsالفرعية األنظمة
يعزز التفاعل والتكامل ب يز
◦ Classic safety-critical embedded systems: black boxes ذات الكالسيكية المدمجة األنظمة
األهمية الحرجة للسالمة: الصناديق السوداء
◦ CPS: white-boxes, open protocols CPS: المفتوحة الربوتوكوالت ، البيضاء الصناديق
األهداف الرئيسية: :goals Main
◦ Co-design the cyber and physical part of the system ي
تصميم الجزء السيربان ز
ي
ز
المشاركة ف
والمادي من النظام
◦ Engineer a “system of systems” "األنظمة نظام "هندسة
CPS applications تطبيقات CPS
Several new application only possible thanks to the CPS revolution!
العديد من التطبيقات الجديدة ممكنة فقط بفضل ثورة !CPS
Integrated operating room:
seemingly connect medical devices,
plug-and-play functionality
غرفة عمليات متكاملة: يبدو أن األجهزة الطبية
تربط ووظيفة التوصيل والتشغيل
– Currently: a cable mess
حاليا: فوضى في الكابالت –
• Smart power grid: predict and response
to varying conditions in supply and
demand of power.
شبكة الطاقة الذكية: التنبؤ واالستجابة للظروف •
المتغيرة في العرض والطلب على الطاقة.
• An other ignored requirement for
sustainable energy…
6 شرط آخر تم تجاهله ل الطاقة المستدامة...
CPS applications تطبيقات CPS
Other application are an evolution of existing systems.
التطبيقات األخرى هي تطور األنظمة القائمة.
Unmanned Arial Vehicles
بدون طيار Arial مركبات
Autonomous Vehicles
المركبات ذاتية القيادة
7
CPS Requirements متطلبات CPS
8
أمان Safety 1.
◦ All such systemsinteract with the environment.
◦ تتفاعل جميع هذه األنظمة مع البيئة.
◦ System failure can have catastrophic consequences.
◦ يمكن أن يكون لفشل النظام عواقب وخيمة.
◦ System correctness depends on both logical results and the time at which results
are produced (real-time).
تعتمد صحة النظام على كل من النتائج المنطقية والوقت الذي تكون فيه النتائج يتم إنتاجها )في الوقت الحقيقي(.
أداء Performance 2.
◦ Safety is number#1 requirement, but we still need to achieve sufficient
performance.
السالمة هي المتطلبات رقم # 1 ، لكننا ما زلنا بحاجة إلى تحقيق ما يكفي اداء
◦ Many systems are resource constrained (in either weight, power, cost, etc.)
◦ العديد من األنظمة مقيدة بالموارد )سواء في الوزن أو القوة أو التكلفة ، إلخ.(
قابلية التشغيل البيني Interoperability 2.
◦ Individual subsystems connected by open protocols.
◦ األنظمة الفرعية الفردية المتصلة ببروتوكوالت مفتوحة.
CPS as multidisciplinary approach
كنهج متعدد التخصصات CPS
9
CPS design requires competences in…
يتطلب تصميم CPS كفاءات في ...
هندسة الكمبيوتر Architecture Computer◦
◦ CAD & Embedded Design CAD المضمن والتصميم
هندسة البرمجيات Engineering Software◦
تحكم Control◦
التحقق الرسمي Verification Formal◦
تحليل الوقت الحقيقي Analysis Time-Real◦
… plus whatever engineering field(s) are related to the design of the
plant/actuator.
... باإلضافة إلى أي مجال )مجاالت( هندسية مرتبطة بتصميم مصنع / مشغل
Problem: all such field and subfields have very different design & development
conventions.
المشكلة: كل هذه الحقول والحقول الفرعية لها اصطالحات تصميم وتطوير مختلفة جدا.
Perhaps we need a new science of CPS design?
ربما نحتاج إلى علم جديد لتصميم CPS؟
CPS Challenges – Design Abstractions
تجريدات التصميم - CPS تحديات
We could argue that the biggest design challenge is in abstractions – the entire
ECE design is a stack-based process.
يمكننا أن نجادل بأن التحدي األكبر للتصميم يكمن في التجريد - الكل تصميم ECEهو عملية قائمة على المكدس.
• Unfortunately, most such abstractions do
not directly encapsulate characteristics of
the environment such as:
لسوء الحظ ، فإن معظم هذه التجريدات ال تلخص •
بشكل مباشر خصائص البيئة مثل:
التزامن Concurrency–
األهمية Criticality–
توقيت Timing–
• It is very hard to predict if the cyber part
will meet the requirements of the physical
part!
من الصعب جدا التنبؤ بما إذا كان الجزء السيبراني •
10 سيلبي متطلبات الجزء المادي!
Current Design Flowل

تدفق التصميم الحا
The picture below exemplifies a typical design flow for an avionic subsystem.
توضح الصورة أدناه تدفق تصميم نموذجي لنظام فرعي إلكتروني للطيران.
Analysis is required to verify that requirements are met.
التحليل مطلوب للتحقق من استيفاء المتطلبات.
Analysis can only be performed after implementation. Recipe for disaster!
ال يمكن إجراء التحليل إال بعد التنفيذ. وصفة لكارثة!
11
Current Design Flowل

تدفق التصميم الحا
The picture below exemplifies a typical design flow for an avionic subsystem.
توضح الصورة أدناه تدفق تصميم نموذجي لنظام فرعي إلكتروني للطيران.
Analysis is required to verify that requirements are met.
التحليل مطلوب للتحقق من استيفاء المتطلبات.
Analysis can only be performed after implementation. Recipe for disaster!
ال يمكن إجراء التحليل إال بعد التنفيذ. وصفة لكارثة!
12
Reliable CPS: notso much! CPS !با ليسكث :موثوق
In 2007, 12 F-22s were going from
Hawaii to Japan.
في عام 2007 ، كانت 12 طائرة من طراز -22Fمتجهة
من هاواي إلى اليابان.
All 12 experienced multiple
crashes.
تعرضت جميع ال 12 لحوادث متعددة.
ال يوجد مالحة navigation No◦
ال توجد أنظمة فرعية للوقود subsystems fuel No◦
اتصاالت محدودة communications Limited◦
إعادة التشغيل لم تساعد help t’didn Rebooting◦
F-22 has 1.7 million lines of code.
على 1.7 مليون سطر من التعليمات -22Fيحتوي
البرمجية.
F-22 Raptor
CPS Challenges- Safety تحدياتCPS - السالمة
14
Safety is hard to guarantee in interconnected and interdependent systems.
ابطة
ابطة والمب ر
األنظمة المب ر
ي
ز
يصعب ضمان السالمة ف .

1. Do not trust communication channels. االتصال قنوات
   ي
   ز
   ال تثق ف .
   ◦ Ex: medical plug-and-play initiative is looking to interconnect medical devices using
   wirelesstechnology.
   ◦ على سبيل المثال: تتطلع مبادرة التوصيل والتشغيل الطبية إلى ربط األجهزة الطبية باستخدام التكنولوجيا الالسلكية.
   ◦ Problem: what happens if somebody jams the signal?
   ◦ المشكلة: ماذا يحدث إذا قام شخص ما بتشويش اإلشارة؟
   يجب أن يكون كل نظام فرعي آمنا بشكل مستقل. .safe independently be must subsystem Each◦


2. Do not trust the users. يز المستخدم
   ي
   ز
   ال تثق ف .
   ◦ Users are an (unfortunate) part of the systems. .األنظمة من( مؤسف )جزء المستخدمون
   ◦ Users are very error prone: over 90% of avionic accidents are caused by flight
   crew/controllers.
   ر المستخدمون عرضة للخطأ: من
   أكب ٪90 من حوادث الط بان ناتجة عن الط بان الطاقم / وحدات التحكم.
   System must be protected against user mistakes المستخدم أخطاء من النظام حماية يجب
   CPS Challenges- Safety تحدياتCPS - السالمة


3. Do not trust lower-criticality subsystems.
   .4 ال تثق في األنظمة الفرعية ذات األهمية المنخفضة.
   ◦ Medical pacemaker composed of multiple subsystems.
   ◦ جهاز تنظيم ضربات القلب الطبي يتكون من أنظمة فرعية متعددة.
   ◦ Life-critical functionalities: base pacing, wiring, battery
   ◦ وظائف حيوية للحياة: السرعة األساسية ، األسالك ، البطارية
   ◦ Non-critical functionalities: adaptive pacing, logging, programming, RF communication.
   ◦ الوظائف غير الحرجة: السرعة التكيفية ، والتسجيل ، والبرمجة ، واتصاالت الترددات الالسلكية.
   ◦ Protect life-criticalsubsystem.
   ◦ حماية النظام الفرعي الحرج للحياة.
   Pacemaker
   15
   CPS Challenges- Safety تحدياتCPS - السالمة


4. Do not trust lower-criticality subsystems.
   .4 ال تثق في األنظمة الفرعية ذات األهمية المنخفضة.
   ◦ Medical pacemaker composed of multiple subsystems.
   ◦ جهاز تنظيم ضربات القلب الطبي يتكون من أنظمة فرعية متعددة.
   ◦ Life-critical functionalities: base pacing, wiring, battery
   ◦ وظائف حيوية للحياة: السرعة األساسية ، األسالك ، البطارية
   ◦ Non-critical functionalities: adaptive pacing, logging, programming, RF communication.
   ◦ الوظائف غير الحرجة: السرعة التكيفية ، والتسجيل ، والبرمجة ، واتصاالت الترددات الالسلكية.
   ◦ Protect life-criticalsubsystem.
   ◦ حماية النظام الفرعي الحرج للحياة.
   Pacemaker
   16
   التحقق واالعتمادCertification & Verification
   17
   How do we ensure safety? السالمة؟ نضمن كيف
   التحقق الرسمي Verification Formal 1.
   ◦ Build a model of the systems. .لألنظمة نموذج بناء
   ◦ Prove (mathematically) that the system satisfiessome safety property.
   ◦ أثبت )رياضيا( أن النظام يفي ببعض خصائص السالمة.
   ◦ Problem#1: no good model for the whole system.
   ◦ المشكلة # :1 ال يوجد نموذج جيد للنظام بأكمله.
   ◦ Problem#2: model is not implementation. .تنفيذا ليس النموذج :2 # المشكلة
   شهاده Certification 2.
   ◦ Usually a process-based mechanism: show that you have performed all process
   step according to some standard .
   عادة ما تكون آلية قائمة على العملية: أظهر أنك قد أجريت جميع العمليات خطوة وفقا لبعض المعايير.
   عادة ما يتضمن اختبارات مكثفة. .testing extensive includes Typically◦
   مكلف جدا. .expensive Very◦
   CPS Challenges- Integration تحديات CPS - التكامل
   Putting the system together is much more challenging that implementing the
   يعد تجميع النظام معا أكثر صعوبة من تنفيذ األنظمة الفرعية الفردية. .subsystems individual
   Quiz (avionic systems): can you guess what % of $ goes in implementation vs
   debugging?
   اختبار )أنظمة إلكترونيات الطيران(: هل يمكنك تخمين النسبة المئوية من $ التي تذهب في
   التنفيذ مقابل تصحيح؟
   20%
   Implementation
   تنفيذ
   80%
   Debugging & Verification
   تصحيح األخطاء والتحقق
   Avionic Development Cost
   تكلفة تطوير إلكترونيات الطيران
   • Individual productivity forsafetycritical code is reported as 6 lines/day!
   • اإلنتاجية الفردية للسالمة - يتم اإلبالغ عن التعليمات
   البرمجية الحرجة على أنها 6 أسطر / يوم!
   18
   – F22: 1.7 million lines / 6 = 776 man-years
   – 1.7 22:Fمليون سطر / 6 = 776 سنة عمل
   – Perhaps the US$66.7billion
   program cost is not a surprise…
   ربما 66.7 مليار دوالر أمريكي تكلفة البرنامج ليست مفاجأة ...
   • Clearly the design process must be improved…
   • من الواضح أنه يجب تحسين عملية التصميم ...
   CPS Challenges- Timing Predictability
   إمكانية التنبؤ بالتوقيت - CPSتحديات
   The biggest architectural challenge.
   التحدي المعماري األكبر.
   The lowest abstraction layer (transistors) is pretty
   deterministic – we know how to compute exact timings.
   أدنى طبقة تجريد )ترانزستورات( جميلة حتمية - نحن نعرف كيفية
   حساب التوقيتات الدقيقة.
   However, higher levels lose all concept of timing.
   ومع ذلك ، فإن المستويات األعلى تفقد كل مفهوم التوقيت.
   ◦ Deep pipelining, caches, out-of-order and speculative
   execution…
   خطوط األنابيب العميقة ، المخابئ ، خارج الترتيب والمضاربة تنفيذ...
   ◦ Thread models, locking, interrupts…
   ◦ نماذج الخيط ، القفل ، المقاطعات ...
   This is fine for general purpose computing, but not for
   CPS – the physicalsystem uses real time!
   هذا جيد للحوسبة لألغراض العامة ، ولكن ليس ل - CPSيستخدم النظام المادي الوقت الفعلي!
   (by Prof. Edward Lee)
   19
   CPS Challenges- Timing Predictability
   إمكانية التنبؤ بالتوقيت - CPSتحديات
   We need to ensure that computation alwaysfinishes
   within guarantee time windows-> We are interested in
   worst-case performance, not average performance!
   نحن بحاجة إلى التأكد من أن الحساب ينتهي دائما في غضون فترات
   زمنية مضمونة - < نحن مهتمون باألداء األسوأ ، وليس متوسط األداء!
   إمكانية التنبؤ بالتوقيت predictability Timing
   ◦ The time that the system requires to perform an operation
   should exhibit little variation
   الوقت الذي يتطلبه النظام إلجراء عملية يجب أن تظهر تباينا طفيفا
   ◦ Such time should be easy to compute
   ◦ يجب أن يكون هذا الوقت سهل الحساب
   ◦ It should not be affected by other parallel operations in the
   system.
   ◦ ال ينبغي أن تتأثر بالعمليات الموازية األخرى في النظام.
   (by Prof. Edward Lee)
   20
   Real-Time and Composability كيب
   وقابلية الب ر
   الوقت الحقيق ر
   21
   تعتمد صحة النظام على: :on depends correctness System
   ◦ Logical correctness: system produces correct results.
   ◦ الصواب المنطقي: ينتج النظام نتائج صحيحة.
   ◦ Temporal correctness: system produces results at the right time.
   ◦ الصواب الزمني: ينتج النظام نتائج في الوقت المناسب.
   Timing (real-time) analysis = verify temporal correctness.
   تحليل التوقيت )في الوقت الفعلي( = التحقق من الصحة الزمنية.
   من الناحية المثالية ، نريد تحليال قابال للتركيب analysis composable want we ,Ideally
   التحقق من كل نظام فرعي بمعزل عن غيره isolation in subsystem each Verify◦
   ◦ Then verify that there interaction is correct التفاعل صحة من تحقق ثم
   لسوء الحظ ، هذا صعب للغاية في الممارسة العملية ... ...practice in hard very is this ,Unfortunately
   Main issue: hardware and software resources shared among multiple subsystems.
   القضية الرئيسية: موارد األجهزة والبرمجيات المشتركة بين أنظمة فرعية متعددة.