Real-time systems on multicore platforms: managing hardware resources for predictable execution

Shared hardware resources in commodity multicore processors are subject to contention from co-running threads. The resultant interference can lead to highly-variable performance for individual applications. This is particularly problematic for real-time applications, which require predictable timing guarantees. It also leads to a pessimistic estimate of the Worst Case Execution Time (WCET) for every real-time application. More CPU time needs to be reserved, thus less applications can enter the system. As the average execution time is usually far less than the WCET, a significant amount of reserved CPU resource would be wasted. Previous works have attempted partitioning the shared resources, amongst either CPUs or processes, to improve performance isolation. However, they have not proven to be both efficient and effective. In this thesis, we propose several mechanisms and frameworks that manage the shared caches and memory buses on multicore platforms. Firstly, we introduce a multicore real-time scheduling framework with the foreground/background scheduling model. Combining real-time load balancing with background scheduling, CPU utilization is greatly improved. Besides, a memory bus management mechanism is implemented on top of the background scheduling, making sure bus contention is under control while utilizing unused CPU cycles. Also, cache partitioning is thoroughly studied in this thesis, with a cache-aware load balancing algorithm and a dynamic cache partitioning framework proposed. Lastly, we describe a system architecture to integrate the above solutions all together. It tackles one of the toughest problems in OS innovation, legacy support, by converting existing OSes into libraries in a virtualized environment. Thus, within a single multicore platform, we benefit from the fine-grained resource control of a real-time OS and the richness of functionality of a general-purpose OS

Cache-Aware Memory Manager for Optimistic Simulations

Parallel Discrete Event Simulation is a well known technique for executing complex general-purpose simulations where models are described as objects the interaction of which is expressed through the generation of impulsive events. In particular, Optimistic Simulation allows full exploitation of the available computational power, avoiding the need to compute safety properties for the events to be executed. Optimistic Simulation platforms internally rely on several data structures, which are meant to support operations aimed at ensuring correctness, inter-kernel communication and/or event scheduling. These housekeeping and management operations access them according to complex patterns, commonly suffering from misuse of memory caching architectures. In particular, operations like log/restore access data structures on a periodic basis, producing the replacement of in-cache buffers related to the actual working set of the application logic, producing a non-negligible performance drop. In this work we propose generally-applicable design principles for a new memory management subsystem targeted at Optimistic Simulation platforms which can face this issue by wisely allocating memory buffers depending on their actual future access patterns, in order to enhance event-execution memory locality. Additionally, an application-transparent implementation within ROOT-Sim, an open-source generalpurpose optimistic simulation platform, is presented along with experimental results testing our proposal

Contention-Aware Scheduling for SMT Multicore Processors

The recent multicore era and the incoming manycore/manythread era generate a lot of challenges for computer scientists going from productive parallel programming, over network congestion avoidance and intelligent power management, to circuit design issues. The ultimate goal is to squeeze out as much performance as possible while limiting power and energy consumption and guaranteeing a reliable execution. The increasing number of hardware contexts of current and future systems makes the scheduler an important component to achieve this goal, as there is often a combinatorial amount of different ways to schedule the distinct threads or applications, each with a different performance due to the inter-application interference. Picking an optimal schedule can result in substantial performance gains. This thesis deals with inter-application interference, covering the problems this fact causes on performance and fairness on actual machines. The study starts with single-threaded multicore processors (Intel Xeon X3320), follows with simultaneous multithreading (SMT) multicores supporting up to two threads per core (Intel Xeon E5645), and goes to the most highly threaded per-core processor that has ever been built (IBM POWER8). The dissertation analyzes the main contention points of each experimental platform and proposes scheduling algorithms that tackle the interference arising at each contention point to improve the system throughput and fairness. First we analyze contention through the memory hierarchy of current multicore processors. The performed studies reveal high performance degradation due to contention on main memory and any shared cache the processors implement. To mitigate such contention, we propose different bandwidth-aware scheduling algorithms with the key idea of balancing the memory accesses through the workload execution time and the cache requests among the different caches at each cache level. The high interference that different applications suffer when running simultaneously on the same SMT core, however, does not only affect performance, but can also compromise system fairness. In this dissertation, we also analyze fairness in current SMT multicores. To improve system fairness, we design progress-aware scheduling algorithms that estimate, at runtime, how the processes progress, which allows to improve system fairness by prioritizing the processes with lower accumulated progress. Finally, this dissertation tackles inter-application contention in the IBM POWER8 system with a symbiotic scheduler that addresses overall SMT interference. The symbiotic scheduler uses an SMT interference model, based on CPI stacks, that estimates the slowdown of any combination of applications if they are scheduled on the same SMT core. The number of possible schedules, however, grows too fast with the number of applications and makes unfeasible to explore all possible combinations. To overcome this issue, the symbiotic scheduler models the scheduling problem as a graph problem, which allows finding the optimal schedule in reasonable time. In summary, this thesis addresses contention in the shared resources of the memory hierarchy and SMT cores of multicore processors. We identify the main contention points of three systems with different architectures and propose scheduling algorithms to tackle contention at these points. The evaluation on the real systems shows the benefits of the proposed algorithms. The symbiotic scheduler improves system throughput by 6.7\% over Linux. Regarding fairness, the proposed progress-aware scheduler reduces Linux unfairness to a third. Besides, since the proposed algorithm are completely software-based, they could be incorporated as scheduling policies in Linux and used in small-scale servers to achieve the mentioned benefits.La actual era multinúcleo y la futura era manycore/manythread generan grandes retos en el área de la computación incluyendo, entre otros, la programación paralela productiva o la gestión eficiente de la energía. El último objetivo es alcanzar las mayores prestaciones limitando el consumo energético y garantizando una ejecución confiable. El incremento del número de contextos hardware de los sistemas hace que el planificador se convierta en un componente importante para lograr este objetivo debido a que existen múltiples formas diferentes de planificar las aplicaciones, cada una con distintas prestaciones debido a las interferencias que se producen entre las aplicaciones. Seleccionar la planificación óptima puede proporcionar importantes mejoras de prestaciones. Esta tesis se ocupa de las interferencias entre aplicaciones, cubriendo los problemas que causan en las prestaciones y equidad de los sistemas actuales. El estudio empieza con procesadores multinúcleo monohilo (Intel Xeon X3320), sigue con multinúcleos con soporte para la ejecución simultanea (SMT) de dos hilos (Intel Xeon E5645), y llega al procesador que actualmente soporta un mayor número de hilos por núcleo (IBM POWER8). La disertación analiza los principales puntos de contención en cada plataforma y propone algoritmos de planificación que mitigan las interferencias que se generan en cada uno de ellos para mejorar la productividad y equidad de los sistemas. En primer lugar, analizamos la contención a lo largo de la jerarquía de memoria. Los estudios realizados revelan la alta degradación de prestaciones provocada por la contención en memoria principal y en cualquier cache compartida. Para mitigar esta contención, proponemos diversos algoritmos de planificación cuya idea principal es distribuir los accesos a memoria a lo largo del tiempo de ejecución de la carga y las peticiones a las caches entre las diferentes caches compartidas en cada nivel. Las altas interferencias que sufren las aplicaciones que se ejecutan simultáneamente en un núcleo SMT, sin embargo, no solo afectan a las prestaciones, sino que también pueden comprometer la equidad del sistema. En esta tesis, también abordamos la equidad en los actuales multinúcleos SMT. Para mejorarla, diseñamos algoritmos de planificación que estiman el progreso de las aplicaciones en tiempo de ejecución, lo que permite priorizar los procesos con menor progreso acumulado para reducir la inequidad. Finalmente, la tesis se centra en la contención entre aplicaciones en el sistema IBM POWER8 con un planificador simbiótico que aborda la contención en todo el núcleo SMT. El planificador simbiótico utiliza un modelo de interferencia basado en pilas de CPI que predice las prestaciones para la ejecución de cualquier combinación de aplicaciones en un núcleo SMT. El número de posibles planificaciones, no obstante, crece muy rápido y hace inviable explorar todas las posibles combinaciones. Por ello, el problema de planificación se modela como un problema de teoría de grafos, lo que permite obtener la planificación óptima en un tiempo razonable. En resumen, esta tesis aborda la contención en los recursos compartidos en la jerarquía de memoria y el núcleo SMT de los procesadores multinúcleo. Identificamos los principales puntos de contención de tres sistemas con diferentes arquitecturas y proponemos algoritmos de planificación para mitigar esta contención. La evaluación en sistemas reales muestra las mejoras proporcionados por los algoritmos propuestos. Así, el planificador simbiótico mejora la productividad, en promedio, un 6.7% con respecto a Linux. En cuanto a la equidad, el planificador que considera el progreso consigue reducir la inequidad de Linux a una tercera parte. Además, dado que los algoritmos propuestos son completamente software, podrían incorporarse como políticas de planificación en Linux y usarse en servidores a pequeña escala para obtener los benefiL'actual era multinucli i la futura era manycore/manythread generen grans reptes en l'àrea de la computació incloent, entre d'altres, la programació paral·lela productiva o la gestió eficient de l'energia. L'últim objectiu és assolir les majors prestacions limitant el consum energètic i garantint una execució confiable. L'increment del número de contextos hardware dels sistemes fa que el planificador es convertisca en un component important per assolir aquest objectiu donat que existeixen múltiples formes distintes de planificar les aplicacions, cadascuna amb unes prestacions diferents degut a les interferències que es produeixen entre les aplicacions. Seleccionar la planificació òptima pot donar lloc a millores importants de les prestacions. Aquesta tesi s'ocupa de les interferències entre aplicacions, cobrint els problemes que provoquen en les prestacions i l'equitat dels sistemes actuals. L'estudi comença amb processadors multinucli monofil (Intel Xeon X3320), segueix amb multinuclis amb suport per a l'execució simultània (SMT) de dos fils (Intel Xeon E5645), i arriba al processador que actualment suporta un major nombre de fils per nucli (IBM POWER8). Aquesta dissertació analitza els principals punts de contenció en cada plataforma i proposa algoritmes de planificació que aborden les interferències que es generen en cadascun d'ells per a millorar la productivitat i l'equitat dels sistemes. En primer lloc, estudiem la contenció al llarg de la jerarquia de memòria en els processadors multinucli. Els estudis realitzats revelen l'alta degradació de prestacions provocada per la contenció en memòria principal i en qualsevol cache compartida. Per a mitigar la contenció, proposem diversos algoritmes de planificació amb la idea principal de distribuir els accessos a memòria al llarg del temps d'execució de la càrrega i les peticions a les caches entre les diferents caches compartides en cada nivell. Les altes interferències que sofreixen las aplicacions que s'executen simultàniament en un nucli SMT, no obstant, no sols afecten a las prestacions, sinó que també poden comprometre l'equitat del sistema. En aquesta tesi, també abordem l'equitat en els actuals multinuclis SMT. Per a millorar-la, dissenyem algoritmes de planificació que estimen el progrés de les aplicacions en temps d'execució, el que permet prioritzar els processos amb menor progrés acumulat para a reduir la inequitat. Finalment, la tesi es centra en la contenció entre aplicacions en el sistema IBM POWER8 amb un planificador simbiòtic que aborda la contenció en tot el nucli SMT. El planificador simbiòtic utilitza un model d'interferència basat en piles de CPI que prediu les prestacions per a l'execució de qualsevol combinació d'aplicacions en un nucli SMT. El nombre de possibles planificacions, no obstant, creix molt ràpid i fa inviable explorar totes les possibles combinacions. Per resoldre aquest contratemps, el problema de planificació es modela com un problema de teoria de grafs, la qual cosa permet obtenir la planificació òptima en un temps raonable. En resum, aquesta tesi aborda la contenció en els recursos compartits en la jerarquia de memòria i el nucli SMT dels processadors multinucli. Identifiquem els principals punts de contenció de tres sistemes amb diferents arquitectures i proposem algoritmes de planificació per a mitigar aquesta contenció. L'avaluació en sistemes reals mostra les millores proporcionades pels algoritmes proposats. Així, el planificador simbiòtic millora la productivitat una mitjana del 6.7% respecte a Linux. Pel que fa a l'equitat, el planificador que considera el progrés aconsegueix reduir la inequitat de Linux a una tercera part. A més, donat que els algoritmes proposats son completament software, podrien incorporar-se com a polítiques de planificació en Linux i emprar-se en servidors a petita escala per obtenir els avantatges mencionats.Feliu Pérez, J. (2017). Contention-Aware Scheduling for SMT Multicore Processors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/79081TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale

L1-Bandwidth Aware Thread Allocation in Multicore SMT Processors

© 2013 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.Improving the utilization of shared resources is a key issue to increase performance in SMT processors. Recent work has focused on resource sharing policies to enhance the processor performance, but their proposals mainly concentrate on novel hardware mechanisms that adapt to the dynamic resource requirements of the running threads. This work addresses the L1 cache bandwidth problem in SMT processors experimentally on real hardware. Unlike previous work, this paper concentrates on thread allocation, by selecting the proper pair of co-runners to be launched to the same core. The relation between L1 bandwidth requirements of each benchmark and its performance (IPC) is analyzed. We found that for individual benchmarks, performance is strongly connected to L1 bandwidth consumption, and this observation remains valid when several co-runners are launched to the same SMT core. Based on these findings we propose two L1 bandwidth aware thread to core (t2c) allocation policies, namely Static and Dynamic t2c allocation, respectively. The aim of these policies is to properly balance L1 bandwidth requirements of the running threads among the processor cores. Experiments on a Xeon E5645 processor show that the proposed policies significantly improve the performance of the Linux OS kernel regardless the number of cores considered.This work was supported by the Spanish Ministerio de Econom´ıa y Competitividad (MINECO) and by FEDER funds under Grant TIN2012-38341-C04-01; and by Programa de Apoyo a la Investigacion y Desarrollo (PAID-05-12) of the ´ Universitat Politecnica de Val ` encia under Grant SP20120748Feliu Pérez, J.; Sahuquillo Borrás, J.; Petit Martí, SV.; Duato Marín, JF. (2013). L1-Bandwidth Aware Thread Allocation in Multicore SMT Processors. IEEE. https://doi.org/10.1109/PACT.2013.6618810