Advancing Multicore Timing Analysis: Modeling Contention and Deriving WCET Bounds in Cyclic Executive Systems

Abstract

Aquesta tesi aborda el repte de determinar el temps d'execució en el pitjor cas (WCET) en sistemes multinucli en temps real, essencial per a aplicacions crítiques de seguretat. Proposa dues metodologies noves per a l'anàlisi de WCET: una formulació de programació lineal entera (ILP) que modela escenaris de contenció per garantir resultats a nivell de sistema, i un enfocament iteratiu que ofereix límits pràctics i menys conservadors a nivell de tasca. Ambdós mètodes són adaptables a diverses plataformes multinucli. Per validar-los, es desenvolupen microbenchmarks a nivell d'assemblador per estressar components de hardware, assegurant la generació precisa d'esdeveniments com fallades de memòria cau. Els esdeveniments de rendiment es deriven amb comptadors (PMCs) i unitats (PMUs) de monitoratge. Per a plataformes sense PMUs, s'introdueixen un enfocament matemàtic i una solució de programari que aprofita funcions de depuració. Aquestes tècniques milloren la predictibilitat i seguretat dels sistemes multinucli en temps real.

Esta tesis aborda el desafío de determinar el tiempo de ejecución en el peor caso (WCET) en sistemas multinúcleo en tiempo real, crucial para aplicaciones críticas de seguridad. Propone dos metodologías novedosas para el análisis de WCET: una formulación de programación lineal entera (ILP) que modela escenarios de contención para garantizar resultados a nivel de sistema, y un enfoque iterativo que ofrece límites prácticos y menos conservadores a nivel de tarea. Ambos métodos son adaptables a diversas plataformas multinúcleo. Para validarlos, se desarrollan microbenchmarks a nivel de ensamblador para estresar componentes de hardware, asegurando la generación precisa de eventos como fallos de caché. Los eventos de rendimiento se derivan con contadores (PMCs) y unidades (PMUs) de monitoreo. Para plataformas sin PMUs, se introducen un enfoque matemático y una solución de software que aprovecha funciones de depuración. Estas técnicas mejoran la predictibilidad y seguridad de los sistemas multinúcleo en tiempo real.

This thesis addresses the challenge of determining Worst-Case Execution Time (WCET) in real-time multicore systems, crucial for safety-critical applications. It proposes two novel methodologies for WCET analysis: an Integer Linear Programming (ILP) formulation that models contention scenarios for system-wide guarantees, and an iterative approach offering practical, less conservative task-level bounds. Both methods are adaptable to various multicore platforms. To validate these, microbenchmarks are developed at the assembly level to stress hardware components, ensuring precise event generation like cache misses. Performance events are derived using performance monitoring counters (PMCs) and units (PMUs). For platforms without PMUs, a mathematical approach and a software solution leveraging debug features estimate these events. These techniques enhance timing predictability and safety in multicore systems, bridging theoretical analysis with practical implementation. The contributions aim to improve realtime system reliability across constrained industrial platforms.