Cache Coherency for Symmetric Multiprocessor Systems on Programmable Chips

Rapid progress in the area of Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) has led to the availability of softcore processors that are simple to use, and can enable the development of a fully working system in minutes. This has lead to the enormous popularity of System-On-Programmable-Chip (SOPC) computing platforms. These softcore processors, while relatively simple compared to their leading-edge hardcore counterparts, are often designed with a number of advanced performance-enhancing features, such as instruction and data caches. Moreover, they are designed to be used in a uniprocessor or uncoupled multiprocessor architecture, and not in a tightly-coupled multiprocessing architecture. As a result, traditional cache-coherency protocols are not suitable for use with such systems. This thesis describes a system for enforcing cache coherency on symmetric multiprocessing (SMP) systems using softcore processors. A hybrid protocol that incorporates hardware and software to enforce cache coherency is presented

Techniques for the realization of ultrareliable spaceborne computers Interim scientific report

Error-free ultrareliable spaceborne computer

Verificação de consistência e coerência de memória compartilhada para multiprocessamento em chip

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, Florianópolis, 2014O multiprocessamento em chip sob a crescente demanda por desempenho leva a um número crescente de núcleos de processamento, que interagem através de uma complexa hierarquia de memória compartilhada, a qual deve obedecer a requisitos de coerência e consistência, capturados na interface hardware-software na forma de um modelo de memória. Dada uma execução de um programa paralelo, verificar se a hierarquia obedece aqueles requisitos é um problema intratável quando a observabilidade do sistema restringe-se a um trace de memória para cada processador, tal como ocorre em um checker dinâmico pós-silício. Esses checkers (baseados em inferências sobre traces) requerem o uso de backtracking para excluir falsos negativos. Por outro lado, checkers pré-silício podem se beneficiar da observabilidade ilimitada de representações de projeto para induzir um problema de verificação que pode ser resolvido em tempo polinomial (sem o uso de backtracking) e com plenas garantias de verificação (sem falsos negativos nem falsos positivos). Esta dissertação faz uma avaliação experimental comparativa de checkers dinâmicos baseados em diferentes mecanismos (inferências, emparelhamento em grafo bipartido, scoreboard única e múltiplas scoreboards). Os checkers são comparados para exatamente o mesmo conjunto de casos de teste: 200 programas paralelos não sincronizados, gerados de forma pseudo-aleatória, obtidos variando a frequência de ocorrência de instruções (4 mixes), o número de endereços compartilhados (entre 2 e 32) e o número total de operações de memória (entre 250 e 64K). A partir de uma mesma representação pré-validada do sistema, foram construídas oito representações derivadas, cada uma contendo um erro de projeto distinto. Para reproduzir condições compatíveis com as tendências arquiteturais, os checkers foram comparados ao verificar um modelo com máxima relaxação de ordem de programa (bastante similar ao usado, por exemplo, nas arquiteturas Alpha e ARMv7) para sistemas contendo de 2 a 32 núcleos de processamento. Não é do conhecimento do autor a existência na literatura de uma avaliação experimental tão ampla. Os resultados mostram a inviabilidade do uso de checkers baseados em inferências em tempo de projeto: têm o mais alto esforço computacional e a maior taxa de crescimento com o aumento do número de processadores. A avaliação indica que a forma mais eficiente de construir um checker pré-silício corresponde a uma observabilidade de três pontos de monitoramento por processador, ao uso de verificação on-the-fly (ao invés de análise post-mortem) e à utilização de múltiplos mecanismos para verificar separadamente e em paralelo os subespaços de verificação definidos pelo escopo individual de cada processador, enquanto os subespaços entre processadores são verificados globalmente. Como um desdobramento da avaliação experimental, a dissertação identifica uma deficiência comum a todos os checkers analisados: sua inadequação para verificar modelos de memória com fraca atomicidade de escrita, exatamente aqueles apontados como tendência e já presentes em arquiteturas recentes (e.g. ARMv8). Diante disso, a dissertação propõe algoritmos generalizados capazes de verificar tais modelos.Abstract: Chip multiprocessing under the growing demand for performance leads to agrowing number of processing cores, which interact through a complex shared memory hierarchy that must satisfy coherence and consistency requirements captured as a memory model in the hardware-software interface. Given an execution of a parallel program, verifying if the hierarchy complies to those requirements is an intractable problem when the system observability is limited to a memory trace per processor, as in dynamic post-silicon checkers.Those checkers (based on inferences over traces) require the use of backtracking to avoid false negatives. On the other hand, pre-silicon checkers may benefit from the unlimited observability of design representations to induce a verification problem that may be solved in polynomial time (without the use of backtracking) with full verification guarantees (i.e. neither false negatives nor false positives). This dissertation provides an experimental evaluation of dynamic checkers based on different mechanisms (inferences, bipartite graph matching, single scoreboard and multiple scoreboards). The checkers are compared under exactly the same set of test cases: 200 non-synchronized parallel programs, generated pseudo-randomly, obtained by varying the frequency of instructions (4 mixes), the number of shared addresses (between 2 and 32) and the total number of memory operations (between 250 and 64K). From the same pre-validated system representation, eight distinct representations were built, each one containing a single and unique design error. To reproduce conditions compatible with architectural trends, the checkers were compared while verifying a memory model with maximal relaxation of program order (similar, for example, to those used in Alpha and ARMv7 architectures) and systems containing 2 to 32 processing cores. To the author's best knowledge, no broader experimental evaluation is available in the literature. The results show that the use of inference-based checkers at design time is impractical: they have the highest computational effort and the highest rate of growth with the number of cores. The evaluation shows that the most efficient way of building a pre-silicon checker corresponds to three observable points per core, the use of on-the-fly analysis (instead of post-mortem) and the usage of multiple engines to check the verification subspaces defined by the scope of each processor independently and in parallel, while checking globally the inter-processor subspaces. As a spin-off from the experimental evaluation, the dissertation identifies a deficiency common to all analyzed checkers: their unsuitability to handle memory models with weak write atomicity, which are precisely those pointed out as the trend and are present in architectures already in the market (e.g. ARMv8). In face of this, the dissertation proposes generic algorithms capable of verifying such models

Advanced flight control system study

A fly by wire flight control system architecture designed for high reliability includes spare sensor and computer elements to permit safe dispatch with failed elements, thereby reducing unscheduled maintenance. A methodology capable of demonstrating that the architecture does achieve the predicted performance characteristics consists of a hierarchy of activities ranging from analytical calculations of system reliability and formal methods of software verification to iron bird testing followed by flight evaluation. Interfacing this architecture to the Lockheed S-3A aircraft for flight test is discussed. This testbed vehicle can be expanded to support flight experiments in advanced aerodynamics, electromechanical actuators, secondary power systems, flight management, new displays, and air traffic control concepts

Space Station Freedom data management system growth and evolution report

The Information Sciences Division at the NASA Ames Research Center has completed a 6-month study of portions of the Space Station Freedom Data Management System (DMS). This study looked at the present capabilities and future growth potential of the DMS, and the results are documented in this report. Issues have been raised that were discussed with the appropriate Johnson Space Center (JSC) management and Work Package-2 contractor organizations. Areas requiring additional study have been identified and suggestions for long-term upgrades have been proposed. This activity has allowed the Ames personnel to develop a rapport with the JSC civil service and contractor teams that does permit an independent check and balance technique for the DMS

A TrustZone-assisted secure silicon on a co-design framework

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e ComputadoresEmbedded systems were for a long time, single-purpose and closed systems, characterized by hardware resource constraints and real-time requirements. Nowadays, their functionality is ever-growing, coupled with an increasing complexity and heterogeneity. Embedded applications increasingly demand employment of general-purpose operating systems (GPOSs) to handle operator interfaces and general-purpose computing tasks, while simultaneously ensuring the strict timing requirements. Virtualization, which enables multiple operating systems (OSs) to run on top of the same hardware platform, is gaining momentum in the embedded systems arena, driven by the growing interest in consolidating and isolating multiple and heterogeneous environments. The penalties incurred by classic virtualization approaches is pushing research towards hardware-assisted solutions. Among the existing commercial off-the-shelf (COTS) technologies for virtualization, ARM TrustZone technology is gaining momentum due to the supremacy and lower cost of TrustZone-enabled processors. Programmable system-on-chips (SoCs) are becoming leading players in the embedded systems space, because the combination of a plethora of hard resources with programmable logic enables the efficient implementation of systems that perfectly fit the heterogeneous nature of embedded applications. Moreover, novel disruptive approaches make use of field-programmable gate array (FPGA) technology to enhance virtualization mechanisms. This master’s thesis proposes a hardware-software co-design framework for easing the economy of addressing the new generation of embedded systems requirements. ARM TrustZone is exploited to implement the root-of-trust of a virtualization-based architecture that allows the execution of a GPOS side-by-side with a real-time OS (RTOS). RTOS services were offloaded to hardware, so that it could present simultaneous improvements on performance and determinism. Instead of focusing in a concrete application, the goal is to provide a complete framework, specifically tailored for Zynq-base devices, that developers can use to accelerate a bunch of distinct applications across different embedded industries.Os sistemas embebidos foram, durante muitos anos, sistemas com um simples e único propósito, caracterizados por recursos de hardware limitados e com cariz de tempo real. Hoje em dia, o número de funcionalidades começa a escalar, assim como o grau de complexidade e heterogeneidade. As aplicações embebidas exigem cada vez mais o uso de sistemas operativos (OSs) de uso geral (GPOS) para lidar com interfaces gráficas e tarefas de computação de propósito geral. Porém, os seus requisitos primordiais de tempo real mantém-se. A virtualização permite que vários sistemas operativos sejam executados na mesma plataforma de hardware. Impulsionada pelo crescente interesse em consolidar e isolar ambientes múltiplos e heterogéneos, a virtualização tem ganho uma crescente relevância no domínio dos sistemas embebidos. As adversidades que advém das abordagens de virtualização clássicas estão a direcionar estudos no âmbito de soluções assistidas por hardware. Entre as tecnologias comerciais existentes, a tecnologia ARM TrustZone está a ganhar muita relevância devido à supremacia e ao menor custo dos processadores que suportam esta tecnologia. Plataformas hibridas, que combinam processadores com lógica programável, estão em crescente penetração no domínio dos sistemas embebidos pois, disponibilizam um enorme conjunto de recursos que se adequam perfeitamente à natureza heterogénea dos sistemas atuais. Além disso, existem soluções recentes que fazem uso da tecnologia de FPGA para melhorar os mecanismos de virtualização. Esta dissertação propõe uma framework baseada em hardware-software de modo a cumprir os requisitos da nova geração de sistemas embebidos. A tecnologia TrustZone é explorada para implementar uma arquitetura que permite a execução de um GPOS lado-a-lado com um sistemas operativo de tempo real (RTOS). Os serviços disponibilizados pelo RTOS são migrados para hardware, para melhorar o desempenho e determinismo do OS. Em vez de focar numa aplicação concreta, o objetivo é fornecer uma framework especificamente adaptada para dispositivos baseados em System-on-chips Zynq, de forma a que developers possam usar para acelerar um vasto número de aplicações distintas em diferentes setores