A Probabilistically Analyzable Cache to Estimate Timing Bounds

Les architectures informatiques modernes cherchent à accélérer la performance moyenne des logiciels en cours d'exécution. Les caractéristiques architecturales comme : deep pipelines, prédiction de branchement, exécution hors ordre, et hiérarchie des mémoire à multiple niveaux ont un impact négatif sur le logiciel de prédiction temporelle. En particulier, il est difficile, voire impossible, de faire une estimation précise du pire cas de temps d'exécution (WCET) d'un programme ou d'un logiciel en cours d'exécution sur une plateforme informatique particulière. Les systèmes embarqués critiques temps réel (CRTESs), par exemple les systèmes informatiques dans le domaine aérospatiale, exigent des contraintes de temps strictes pour garantir leur fonctionnement opérationnel. L'analyse du WCET est l'idée centrale du développement des systèmes temps réel puisque les systèmes temps réel ont toujours besoin de respecter leurs échéances. Afin de répondre aux exigences du délai, le WCET des tâches des systèmes temps réel doivent être déterminées, et cela est seulement possible si l'architecture informatique est temporellement prévisible. En raison de la nature imprévisible des systems informatiques modernes, il est peu pratique d'utiliser des systèmes informatiques avancés dans les CRTESs. En temps réel, les systèmes ne doivent pas répondre aux exigences de haute performance. Les processeurs conçus pour améliorer la performance des systèmes informatiques en général peuvent ne pas être compatibles avec les exigences pour les systèmes temps réel en raison de problèmes de prédictabilité. Les techniques d'analyse temporelle actuelles sont bien établies, mais nécessitent une connaissance détaillée des opérations internes et de l'état du système pour le matériel et le logiciel. Le manque de connaissances approfondies des opérations architecturales devient un obstacle à l'adoption de techniques déterministes de l'analyse temporelle (DTA) pour mesurer le WCET. Les techniques probabilistes de l'analyse temporelle (PTA) ont, quant à elles, émergé comme les techniques d'analyse temporelle pour la prochaine génération de systèmes temps réel. Les techniques PTA réduisent l'étendue des connaissances nécessaires pour l'exécution d'un logiciel informatique afin d'effectuer des estimations précises du WCET. Dans cette thèse, nous proposons le développement d'une nouvelle technique pour un cache probabilistiquement analysable, tout en appliquant les techniques PTA pour prédire le temps d'exécution d'un logiciel. Dans ce travail, nous avons mis en place une cache aléatoire pour les processeurs MIPS-32 et Leon-3. Nous avons conçu et mis en œuvre les politiques de placement et remplacement aléatoire et appliquer des techniques temporelles probabilistiques pour mesurer le WCET probabiliste (pWCET). Nous avons également mesuré le niveau de pessimisme encouru par les techniques probabilistes et comparé cela avec la configuration du cache déterministe. La prédiction du WCET fournie par les techniques PTA est plus proche de la durée d'exécution réelle du programme. Nous avons comparé les estimations avec les mesures effectuées sur le processeur pour aider le concepteur à évaluer le niveau de pessimisme introduit par l'architecture du cache pour chaque technique d'analyse temporelle probabiliste. Ce travail fait une première tentative de comparaison des analyses temporelles déterministes, statiques et de l'analyse temporelle probabiliste basée sur des mesures pour l'estimation du temps d'execution sous différentes configurations de cache. Nous avons identifié les points forts et les limites de chaque technique pour la prévision du temps d'execution, puis nous avons fourni des directives pour la conception du processeur qui minimisent le pessimisme associé au WCET. Nos expériences montrent que le cache répond à toutes les conditions pour PTA et la prévision du programme peut être déterminée avec une précision arbitraire. Une telle architecture probabiliste offre un potentiel inégalé et prometteur pour les prochaines générations du CRTESs.