Ordonnancement temps-réel conscient des caches dans des architectures multi-cœurs : algorithmes et réalisation

Nowadays, real-time applications are more compute-intensive as more functionalities are introduced. Multi-core platforms have been released to satisfy the computing demand while reducing the size, weight, and power requirements. The most significant challenge when deploying real-time systems on multi-core platforms is to guarantee the real-time constraints of hard real-time applications on such platforms. This is caused by interdependent problems, referred to as a chicken and egg situation, which is explained as follows. Due to the effect of multi-core hardware, such as local caches and shared hardware resources, the timing behavior of tasks are strongly influenced by their execution context (i.e., co-located tasks, concurrent tasks), which are determined by scheduling strategies. Symmetrically, scheduling algorithms require the Worst-Case Execution Time (WCET) of tasks as prior knowledge to determine their allocation and their execution order.Most schedulability analysis techniques for multi-core architectures assume a single WCET per task, which is valid in all execution conditions. This assumption is too pes- simistic for parallel applications running on multi-core architectures with local caches. In such architectures, the WCET of a task depends on the cache contents at the beginning of its execution, itself depending on the task that was executed before the task under study. In this thesis, we address the issue by proposing scheduling algorithms that take into account context-sensitive WCETs of tasks due to the effect of private caches.We propose two scheduling techniques for multi-core architectures equipped with local caches. The two techniques schedule a parallel application modeled as a task graph, and generate a static partitioned non-preemptive schedule. We propose an optimal method, using an Integer Linear Programming (ILP) formulation, as well as a heuristic method based on list scheduling. Experimental results show that by taking into account the effect of private caches on tasks’ WCETs, the length of generated schedules are significantly reduced as compared to schedules generated by cache-unaware scheduling methods.Furthermore, we perform the implementation of time-driven cache-conscious schedules on the Kalray MPPA-256 machine, a clustered many-core platform. We first identify the practical challenges arising when implementing time-driven cache-conscious schedules on the machine, including cache pollution caused by the scheduler, shared bus contention, delay to the start time of tasks, and the absence of data cache coherence. We then propose our strategies including an ILP formulation for adapting cache-conscious schedules to the identified practical factors, and a method for generating the code of applications to be executed on the machine. Experimental validation shows the functional and the temporal correctness of our implementation. Additionally, shared bus contention is observed to be the most impacting factor on the length of adapted cache-conscious schedules.Les temps avancent et les applications temps-réel deviennent de plus en plus gourmandes en ressources. Les plateformes multi-cœurs sont apparues dans le but de satisfaire les demandes des applications en ressources, tout en réduisant la taille, le poids, et la consommation énergétique. Le challenge le plus pertinent, lors du déploiement d’un système temps-réel sur une plateforme multi-cœur, est de garantir les contraintes temporelles des applications temps réel strict s’exécutant sur de telles plateformes. La difficulté de ce challenge provient d’une interdépendance entre les analyses de prédictabilité temporelle. Cette interdépendance peut être figurativement liée au problème philosophique de l’œuf et de la poule, et expliqué comme suit. L’un des pré-requis des algorithmes d’ordonnancement est le Pire Temps d’Exécution (PTE) des tâches pour déterminer leur placement et leur ordre d’exécution. Mais ce PTE est lui aussi influencé par les décisions de l’ordonnanceur qui va déterminer quelles sont les tâches co-localisées ou concurrentes propageant des effets sur les caches locaux et les ressources physiquement partagées et donc le PTE.La plupart des méthodes d’analyse pour les architectures multi-cœurs supputent un seul PTE par tâche, lequel est valide pour toutes conditions d’exécutions confondues. Cette hypothèse est beaucoup trop pessimiste pour entrevoir un gain de performance sur des architectures dotées de caches locaux. Pour de telles architectures, le PTE d’une tâche est dépendant du contenu du cache au début de l’exécution de la dite tâche, qui est lui-même dépendant de la tâche exécutée avant et ainsi de suite. Dans cette thèse, nous proposons de prendre en compte des PTEs incluant les effets des caches privés sur le contexte d’éxecution de chaque tâche.Nous proposons dans cette thèse deux techniques d’ordonnancement ciblant des archi- tectures multi-cœurs équipées de caches locaux. Ces deux techniques ordonnancent une application parallèle modélisée par un graphe de tâches, et génèrent un planning statique partitionné et non-préemptif. Nous proposons une méthode optimale à base de Programma- tion Linéaire en Nombre Entier (PLNE), ainsi qu’une méthode de résolution par heuristique basée sur de l’ordonnancement par liste. Les résultats expérimentaux montrent que la prise en compte des effets des caches privés sur les PTE des tâches réduit significativement la longueur des ordonnancements générés, ce comparé à leur homologue ignorant les caches locaux.Afin de parfaire les résultats ainsi obtenus, nous avons réalisé l’implémentation de nos ordonnancements dirigés par le temps et conscients du cache pour un déploiement sur une machine Kalray MPPA-256, une plateforme multi-cœur en grappes (clusters). En premier lieu, nous avons identifé les challenges réels survenant lors de ce type d’implémentation, tel que la pollution des caches, la contention induite par le partage du bus, les délais de lancement d’une tâche introduits par la présence de l’ordonnanceur, et l’absence de cohérence des caches de données. En second lieu, nous proposons des stratégies adaptées et incluant, dans la formulation PLNE, les contraintes matérielles ; ainsi qu’une méthode permettant de générer le code final de l’application. Enfin, l’évaluation expérimentale valide la correction fonctionnelle et temporelle de notre implémentation pendant laquelle nous avons pu observé le facteur le plus impactant la longeur de l’ordonnancement: la contention