Design and implementation of WCET analyses : including a case study on multi-core processors with shared buses

Abstract

For safety-critical real-time embedded systems, the worst-case execution time (WCET) analysis — determining an upper bound on the possible execution times of a program — is an important part of the system verification. Multi-core processors share resources (e.g. buses and caches) between multiple processor cores and, thus, complicate the WCET analysis as the execution times of a program executed on one processor core significantly depend on the programs executed in parallel on the concurrent cores. We refer to this phenomenon as shared-resource interference. This thesis proposes a novel way of modeling shared-resource interference during WCET analysis. It enables an efficient analysis — as it only considers one processor core at a time — and it is sound for hardware platforms exhibiting timing anomalies. Moreover, this thesis demonstrates how to realize a timing-compositional verification on top of the proposed modeling scheme. In this way, this thesis closes the gap between modern hardware platforms, which exhibit timing anomalies, and existing schedulability analyses, which rely on timing compositionality. In addition, this thesis proposes a novel method for calculating an upper bound on the amount of interference that a given processor core can generate in any time interval of at most a given length. Our experiments demonstrate that the novel method is more precise than existing methods.

Die Analyse der maximalen Ausführungszeit (Worst-Case-Execution-Time-Analyse, WCET-Analyse) ist für eingebettete Echtzeit-Computer-Systeme in sicherheitskritischen Anwendungsbereichen unerlässlich. Mehrkernprozessoren erschweren die WCET-Analyse, da einige ihrer Hardware-Komponenten von mehreren Prozessorkernen gemeinsam genutzt werden und die Ausführungszeit eines Programmes somit vom Verhalten mehrerer Kerne abhängt. Wir bezeichnen dies als Interferenz durch gemeinsam genutzte Komponenten. Die vorliegende Arbeit schlägt eine neuartige Modellierung dieser Interferenz während der WCET-Analyse vor. Der vorgestellte Ansatz ist effizient und führt auch für Computer-Systeme mit Zeitanomalien zu korrekten Ergebnissen. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, wie ein zeitkompositionales Verfahren auf Basis der vorgestellten Modellierung umgesetzt werden kann. Auf diese Weise schließt diese Arbeit die Lücke zwischen modernen Mikroarchitekturen, die Zeitanomalien aufweisen, und den existierenden Planbarkeitsanalysen, die sich alle auf die Kompositionalität des Zeitverhaltens verlassen. Außerdem stellt die vorliegende Arbeit ein neues Verfahren zur Berechnung einer oberen Schranke der Menge an Interferenz vor, die ein bestimmter Prozessorkern in einem beliebigen Zeitintervall einer gegebenen Länge höchstens erzeugen kann. Unsere Experimente zeigen, dass das vorgestellte Berechnungsverfahren präziser ist als die existierenden Verfahren.