Two-phase WCET analysis for cache-based symmetric multiprocessor systems

The estimation of the worst-case execution time (WCET) of a task is a problem that concerns the field of embedded systems and, especially, real-time systems. Estimating a safe WCET for single-core architectures without speculative mechanisms is a challenging task and an active research topic. However, the advent of advanced hardware mechanisms, which often lack predictability, complicates the current WCET analysis methods. The field of Embedded Systems has high safety considerations and is, therefore, conservative with speculative mechanisms. However, nowadays, even safety-critical applications move to the direction of multiprocessor systems. In a multiprocessor system, each task that runs on a processing unit might affect the execution time of the tasks running on different processing units. In shared-memory symmetric multiprocessor systems, this interference occurs through the shared memory and the common bus. The presence of private caches introduces cachecoherence issues that result in further dependencies between the tasks. The purpose of this thesis is twofold: (1) to evaluate the feasibility of an existing one-pass WCET analysis method with an integrated cache analysis and (2) to design and implement a cachebased multiprocessor WCET analysis by extending the singlecore method. The single-core analysis is part of the KTH’s Timing Analysis (KTA) tool. The WCET analysis of KTA uses Abstract Search-based WCET Analysis, an one-pass technique that is based on abstract interpretation. The evaluation of the feasibility of this analysis includes the integration of microarchitecture features, such as cache and pipeline, into KTA. These features are necessary for extending the analysis for hardware models of modern embedded systems. The multiprocessor analysis of this work uses the single-core analysis in two stages to estimate the WCET of a task running under the presence of temporally and spatially interfering tasks. The first phase records the memory accesses of all the temporally interfering tasks, and the second phase uses this information to perform the multiprocessor WCET analysis. The multiprocessor analysis assumes the presence of private caches and a shared communication bus and implements the MESI protocol to maintain cache coherence.Uppskattning av längsta exekveringstid (eng. worst-case execution time eller WCET) är ett problem som angår inbyggda system och i synnerhet realtidssystem. Att uppskatta en säker WCET för enkelkärniga system utan spekulativa mekanismer är en utmanande uppgift och ett aktuellt forskningsämne. Tillkomsten av avancerade hårdvarumekanismer, som ofta saknar förutsägbarhet, komplicerar ytterligare de nuvarande analysmetoderna för WCET. Inom fältet för inbyggda system ställs höga säkerhetskrav. Således antas en konservativ inställning till nya spekulativa mekanismer. Trotts detta går säkerhetskritiska system mer och mer i riktning mot multiprocessorsystem. I multiprocessorsystem påverkas en process som exekveras på en processorenhet av processer som exekveras på andra processorenheter. I symmetriska multiprocessorsystem med delade minnen påträffas denna interferens i det delade minnet och den gemensamma bussen. Privata minnen introducerar cache-koherens problem som resulterar i ytterligare beroende mellan processerna. Syftet med detta examensarbete är tvåfaldigt: (1) att utvärdera en befintlig analysmetod för WCET efter integrering av en lågnivå analys och (2) att designa och implementera en cache-baserad flerkärnig WCET-analys genom att utvidga denna enkelkärniga metod. Den enkelkärniga metoden är implementerad i KTH’s Timing Analysis (KTA), ett verktyg för tidsanalys. KTA genomför en så-kallad Abstrakt Sök-baserad Metod som är baserad på Abstrakt Interpretation. Utvärderingen av denna analys innefattar integrering av mikroarkitektur mekanismer, såsom cache-minne och pipeline, i KTA. Dessa mekanismer är nödvändiga för att utvidga analysen till att omfatta de hårdvarumodeller som används idag inom fältet för inbyggda system. Den flerkärniga WCET-analysen genomförs i två steg och uppskattar WCET av en process som körs i närvaron av olika tids och rumsligt störande processer. Första steget registrerar minnesåtkomst för alla tids störande processer, medans andra steget använder sig av första stegets information för att utföra den flerkärniga WCET-analysen. Den flerkärniga analysen förutsätter ett system med privata cache-minnen och en gemensamm buss som implementerar MESI protokolen för att upprätthålla cache-koherens