Traçage logiciel assisté par matériel

Les logiciels deviennent de plus en plus complexes. Avec l'avènement de l'informatique embarquée, la limitation des ressources les contraint à s'exécuter en économisant le temps, la mémoire et l'énergie. Dans ce contexte, les développeurs ont besoin d'outils pour déboguer et optimiser les programmes qu'ils écrivent. Parmi ces outils, le traçage est une solution particulièrement adaptée qui enregistre l'occurrence d'événements, en interagissant peu avec l'exécution. Elle permet de mettre en évidence les causes de bogues ou les goulots d'étranglement qui ralentissent le programme. LTTng est un traceur focalisé sur les performances : grâce à des structures de données propres à chaque coeur et à des verrous non-bloquants, l'enregistrement d'un événement prend moins d'une microseconde sur une machine récente. Ce délai est toutefois nonnégligeable,il empêche de tracer un nombre arbitraire de points sans affecter les performances. De plus, le code et les données liées au traçage sont stockés dans l'espace mémoire du processus étudié, ce qui cause un impact sur son exécution. L'utilisation de blocs matériels dédiés au débogage pallie à ces limitations. Il existe une multitude de ces circuits, présents sur la plupart des processeurs du marché, à des fins de débogage et de profilage. En réutilisant leurs capacités à des fins de traçage, nous proposons de soulager la partie logicielle d'outils comme LTTng, et ainsi d'accroître leurs performances. Pour ce faire, nous utilisons les modules matériels STM, ETM et ETB de la suite CoreSight sur les processeurs ARM, ainsi que BTS sur les processeurs x86 d'Intel. Certains offrent une fonctionnalité de traçage d'exécution, c'est-à-dire d'enregistrement de la liste des instructions exécutées; d'autres fournissent des ressources spécialisées pour l'estampillage de temps, l'envoi de messages sur des canaux dédiés, et le stockage de traces. Dans ce mémoire, nous proposons des implémentations de traçage logiciel s'aidant du matériel pour être moins intrusifs que les outils purement logiciels. Nous visons à réduire le surcoût en temps engendré par le traçage, c'est-à-dire le nombre de cycles ajoutés à une exécution normale, tout en gardant le même détail d'information que fournit une trace. Nous montrons que l'utilisation conjointe des modules STM et ETB pour faire transiter les traces par des circuits matériels dédiés économise la mémoire du processus et que la durée des points de trace est divisée par dix par rapport à LTTng. En utilisant ETM et ETB, le surcoût du traçage est lui aussi réduit : entre -30% et -50% par rapport à notre traceur de référence. En revanche, les capacités du traceur d'exécution ETM limitent notre système à seulement quelques points de trace enregistrables dans tout le programme. Finalement, l'utilisation de BTS sur les processeurs Intel est aussi plus efficace : les points de trace sont presque deux fois plus rapides que ceux de LTTng. Cependant, ce système ne permet pas de choisir quels événements tracer : tous les branchements pris par le processeur sont enregistrés. Cette lourdeur rend BTS inutilisable pour faire du traçage d'événements ; néanmoins pour du traçage d'exécution, la ré-implémentation que nous proposons est 65% plus rapide que celle de Perf, l'outil par défaut sous Linux.