Analyse temporelle des systèmes temps-réels sur architectures pluri-coeurs

Many-Core Timing Analysis of Real-Time Systems

• Auteur / Autrice : Hamza Rihani
• Direction : Matthieu Moy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 01/12/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Verimag (Grenoble, Isère, France ; 1993-....)
• Jury : Président / Présidente : Robert Ian Davis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Maiza, Benoît Dupont de Dinechin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Rochange, Jan Reineke

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation des données (informatique)

Analyse Pire Cas

Microprocesseurs multi-coeurs

Temps réel (informatique)

Mots clés libres

Interférences sur ressources partagées

Processeurs pluri-Cœurs

Temps d’exécution pire-Cas

Temps de réponse

Analyse temporelle

Système temps-Réel

Shared resource interference

Many-Core processors

Worst-Case execution time

Response time

Timing analysis

Real-Time systems

Résumé

La prédictibilité est un aspect important des systèmes temps-réel critiques. Garantir la fonctionnalité de ces systèmespasse par la prise en compte des contraintes temporelles. Les architectures mono-cœurs traditionnelles ne sont plussuffisantes pour répondre aux besoins croissants en performance de ces systèmes. De nouvelles architectures multi-cœurssont conçues pour offrir plus de performance mais introduisent d'autres défis. Dans cette thèse, nous nous intéressonsau problème d’accès aux ressources partagées dans un environnement multi-cœur.La première partie de ce travail propose une approche qui considère la modélisation de programme avec des formules desatisfiabilité modulo des théories (SMT). On utilise un solveur SMT pour trouverun chemin d’exécution qui maximise le temps d’exécution. On considère comme ressource partagée un bus utilisant unepolitique d’accès multiple à répartition dans le temps (TDMA). On explique comment la sémantique du programme analyséet le bus partagé peuvent être modélisés en SMT. Les résultats expérimentaux montrent une meilleure précision encomparaison à des approches simples et pessimistes.Dans la deuxième partie, nous proposons une analyse de temps de réponse de programmes à flot de données synchroness'exécutant sur un processeur pluri-cœur. Notre approche calcule l'ensemble des dates de début d'exécution et des tempsde réponse en respectant la contrainte de dépendance entre les tâches. Ce travail est appliqué au processeur pluri-cœurindustriel Kalray MPPA-256. Nous proposons un modèle mathématique de l'arbitre de bus implémenté sur le processeur. Deplus, l'analyse de l'interférence sur le bus est raffinée en prenant en compte : (i) les temps de réponseet les dates de début des tâches concurrentes, (ii) le modèle d'exécution, (iii) les bancsmémoires, (iv) le pipeline des accès à la mémoire. L'évaluation expérimentale est réalisé sur desexemples générés aléatoirement et sur un cas d'étude d'un contrôleur de vol.

Predictability is of paramount importance in real-time and safety-critical systems, where non-functional properties --such as the timing behavior -- have high impact on the system's correctness. As many safety-critical systems have agrowing performance demand, classical architectures, such as single-cores, are not sufficient anymore. One increasinglypopular solution is the use of multi-core systems, even in the real-time domain. Recent many-core architectures, such asthe Kalray MPPA, were designed to take advantage of the performance benefits of a multi-core architecture whileoffering certain predictability. It is still hard, however, to predict the execution time due to interferences on sharedresources (e.g., bus, memory, etc.).To tackle this challenge, Time Division Multiple Access (TDMA) buses are often advocated. In the first part of thisthesis, we are interested in the timing analysis of accesses to shared resources in such environments. Our approach usesSatisfiability Modulo Theory (SMT) to encode the semantics and the execution time of the analyzed program. To estimatethe delays of shared resource accesses, we propose an SMT model of a shared TDMA bus. An SMT-solver is used to find asolution that corresponds to the execution path with the maximal execution time. Using examples, we show how theworst-case execution time estimation is enhanced by combining the semantics and the shared bus analysis in SMT.In the second part, we introduce a response time analysis technique for Synchronous Data Flow programs. These are mappedto multiple parallel dependent tasks running on a compute cluster of the Kalray MPPA-256 many-core processor. Theanalysis we devise computes a set of response times and release dates that respect the constraints in the taskdependency graph. We derive a mathematical model of the multi-level bus arbitration policy used by the MPPA. Further,we refine the analysis to account for (i) release dates and response times of co-runners, (ii)task execution models, (iii) use of memory banks, (iv) memory accesses pipelining. Furtherimprovements to the precision of the analysis were achieved by considering only accesses that block the emitting core inthe interference analysis. Our experimental evaluation focuses on randomly generated benchmarks and an avionics casestudy.