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Document type: Dissertação
Title: Hardware-based approach to support mixed-critical workload execution in multicore processors
Author: Green, Bruno Naspolini 
Advisor: Vargas, Fabian Luis
First advisor-co: Salton, Aurélio Tergolina
Abstract (native): O uso de processadores multicore em sistemas embarcados em tempo real de propósito geral tem experimentado um enorme aumento nos últimos anos. Infelizmente, aplicações críticas não se beneficiam deste tipo de processadores como se poderia esperar. O principal obstáculo é que não podemos prever e fornecer qualquer garantia sobre as propriedades em tempo real do software em execução nessas plataformas. O barramento de memória compartilhada está entre os recursos mais críticos, que degrada severamente a previsibilidade temporal do software multicore devido à contenção de acesso entre os núcleos. Para combater este problema, apresentamos neste trabalho uma nova abordagem que suporta a execução de carga de trabalho de criticidade mista em um sistema embarcado baseado em processadores multicore. Permitindo que qualquer número de núcleos execute tarefas menos críticas concorrentemente com o núcleo crítico que executa a tarefa crítica. A abordagem baseia-se na utilização de um Hard Deadline Enforcer (HDE) implementado em hardware, que permite a execução de qualquer número de núcleos (executando cargas de trabalho menos críticas) simultaneamente com o núcleo crítico (executando a carga crítica). A partir do melhor de nosso conhecimento, em comparação com as técnicas existentes, a abordagem proposta permite a exploração do desempenho máximo oferecido por um sistema multicore, garantindo a escalonabilidade da tarefa crítica. Além disso, a abordagem proposta apresenta a mesma complexidade de projeto, como qualquer outra abordagem dedicada a análise temporal para processadores de núcleo único, não importando o número de núcleos que são utilizados no sistema incorporado ao design. Caso técnicas atuais fossem utilizadas, a complexidade do projeto para análise temporal de sistemas de múltiplos núcleos aumentaria dramaticamente conforme o aumento do número de núcleos do sistema embarcado. Foi implementado um estudo de caso baseado em uma versão dual-core do processador LEON3 para demonstrar a aplicabilidade e assertividade da abordagem. Vários códigos de aplicações críticas foram compilados para este processador, que foi mapeado na FPGA Spartan 3E da Xilinx. Resultados experimentais demonstram que a abordagem proposta é muito eficaz na obtenção da alta performance do sistema respeitando o deadline da tarefa crítica.
Abstract (english): The use of multicore processors in general-purpose real-time embedded systems has experienced a huge increase in the recent years. Unfortunately, critical applications are not benefiting from this type of processors as one could expect. The major obstacle is that we may not predict and provide any guarantee on real-time properties of software running on such platforms. The shared memory bus is among the most critical resources, which severely degrades the timing predictability of multicore software due to the access contention between cores. To counteract this problem, we present in this work a new approach that supports mixed-criticality workload execution in a multicore processor-based embedded system. It allows any number of cores to run less-critical tasks concurrently with the critical core, which is running the critical task. The approach is based on the use of a dedicated Hard Deadline Enforcer (HDE) implemented in hardware, which allows the execution of any number of cores (running less-critical workloads) concurrently with the critical core (executing the critical workload). From the best of our knowledge, compared to existing techniques, the proposed approach allows the exploitation of the maximum performance offered by a multiprocessing system while guaranteeing critical task schedulability. Additionally, the proposed approach presents the same design complexity as any other approach devoted to perform timing analysis for single core processor, no matter the number of cores are used in the embedded system on the design. If current techniques were used, the design complexity to perform timing analysis would increase dramatically as long as the number of cores in the embedded system increases. A case-study based on a dual-core version of the LEON3 processor was implemented to demonstrate the applicability and assertiveness of the approach. Several critical application codes were compiled to this processor, which was mapped into a Xilinx Spartan 3E FPGA. Experimental results demonstrate that the proposed approach is very effective on combining system high-performance with critical task schedulability within timing deadline.
Keywords: MULTIPROCESSADORES
PROCESSAMENTO DE ALTO DESEMPENHO
INFORMÁTICA
CNPQ Knowledge Areas: ENGENHARIAS
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Institution Acronym: PUCRS
Department: Faculdade de Engenharia
Program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Access type: Acesso Aberto
URI: http://tede2.pucrs.br/tede2/handle/tede/6641
Issue Date: 23-Dec-2015
Appears in Collections:Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

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