Survey on Combinatorial Register Allocation and Instruction Scheduling

Register allocation (mapping variables to processor registers or memory) and instruction scheduling (reordering instructions to increase instruction-level parallelism) are essential tasks for generating efficient assembly code in a compiler. In the last three decades, combinatorial optimization has emerged as an alternative to traditional, heuristic algorithms for these two tasks. Combinatorial optimization approaches can deliver optimal solutions according to a model, can precisely capture trade-offs between conflicting decisions, and are more flexible at the expense of increased compilation time. This paper provides an exhaustive literature review and a classification of combinatorial optimization approaches to register allocation and instruction scheduling, with a focus on the techniques that are most applied in this context: integer programming, constraint programming, partitioned Boolean quadratic programming, and enumeration. Researchers in compilers and combinatorial optimization can benefit from identifying developments, trends, and challenges in the area; compiler practitioners may discern opportunities and grasp the potential benefit of applying combinatorial optimization

Transactional filesystems

Dissertação de Mestrado em Engenharia InformáticaThe task of implementing correct software is not trivial; mainly when facing the need for supporting concurrency. To overcome this difficulty, several researchers proposed the technique of providing the well known database transactional models as an abstraction for existing programming languages, allowing a software programmer to define groups of computations as transactions and benefit from the expectable semantics of the underlying transactional model. Prototypes for this programming model are nowadays made available by many research teams but are still far from perfection due to a considerable number of operational restrictions. Mostly, these restrictions derive from the limitations on the use of input-output functions inside a transaction. These functions are frequently irreversible which disables their compatibility with a transactional engine due to its impossibility to undo their effects in the event of aborting a transaction. However, there is a group of input-output operations that are potentially reversible and that can produce a valuable tool when provided within the transactional programming model explained above: the file system operations. A programming model that would involve in a transaction not only a set of memory operations but also a set of file operations, would allow the software programmer to define algorithms in a much flexible and simple way, reaching greater stability and consistency in each application. In this document we purpose to specify and allow the use of this type of operations inside a transactional programming model, as well as studying the advantages and disadvantages of this approach

TACKLING PERFORMANCE AND SECURITY ISSUES FOR CLOUD STORAGE SYSTEMS

Building data-intensive applications and emerging computing paradigm (e.g., Machine Learning (ML), Artificial Intelligence (AI), Internet of Things (IoT) in cloud computing environments is becoming a norm, given the many advantages in scalability, reliability, security and performance. However, under rapid changes in applications, system middleware and underlying storage device, service providers are facing new challenges to deliver performance and security isolation in the context of shared resources among multiple tenants. The gap between the decades-old storage abstraction and modern storage device keeps widening, calling for software/hardware co-designs to approach more effective performance and security protocols. This dissertation rethinks the storage subsystem from device-level to system-level and proposes new designs at different levels to tackle performance and security issues for cloud storage systems. In the first part, we present an event-based SSD (Solid State Drive) simulator that models modern protocols, firmware and storage backend in detail. The proposed simulator can capture the nuances of SSD internal states under various I/O workloads, which help researchers understand the impact of various SSD designs and workload characteristics on end-to-end performance. In the second part, we study the security challenges of shared in-storage computing infrastructures. Many cloud providers offer isolation at multiple levels to secure data and instance, however, security measures in emerging in-storage computing infrastructures are not studied. We first investigate the attacks that could be conducted by offloaded in-storage programs in a multi-tenancy cloud environment. To defend against these attacks, we build a lightweight Trusted Execution Environment, IceClave to enable security isolation between in-storage programs and internal flash management functions. We show that while enforcing security isolation in the SSD controller with minimal hardware cost, IceClave still keeps the performance benefit of in-storage computing by delivering up to 2.4x better performance than the conventional host-based trusted computing approach. In the third part, we investigate the performance interference problem caused by other tenants' I/O flows. We demonstrate that I/O resource sharing can often lead to performance degradation and instability. The block device abstraction fails to expose SSD parallelism and pass application requirements. To this end, we propose a software/hardware co-design to enforce performance isolation by bridging the semantic gap. Our design can significantly improve QoS (Quality of Service) by reducing throughput penalties and tail latency spikes. Lastly, we explore more effective I/O control to address contention in the storage software stack. We illustrate that the state-of-the-art resource control mechanism, Linux cgroups is insufficient for controlling I/O resources. Inappropriate cgroup configurations may even hurt the performance of co-located workloads under memory intensive scenarios. We add kernel support for limiting page cache usage per cgroup and achieving I/O proportionality

Removing and restoring control flow with the Value State Dependence Graph

This thesis studies the practicality of compiling with only data flow information. Specifically, we focus on the challenges that arise when using the Value State Dependence Graph (VSDG) as an intermediate representation (IR). We perform a detailed survey of IRs in the literature in order to discover trends over time, and we classify them by their features in a taxonomy. We see how the VSDG fits into the IR landscape, and look at the divide between academia and the 'real world' in terms of compiler technology. Since most data flow IRs cannot be constructed for irreducible programs, we perform an empirical study of irreducibility in current versions of open source software, and then compare them with older versions of the same software. We also study machine-generated C code from a variety of different software tools. We show that irreducibility is no longer a problem, and is becoming less so with time. We then address the problem of constructing the VSDG. Since previous approaches in the literature have been poorly documented or ignored altogether, we give our approach to constructing the VSDG from a common IR: the Control Flow Graph. We show how our approach is independent of the source and target language, how it is able to handle unstructured control flow, and how it is able to transform irreducible programs on the fly. Once the VSDG is constructed, we implement Lawrence's proceduralisation algorithm in order to encode an evaluation strategy whilst translating the program into a parallel representation: the Program Dependence Graph. From here, we implement scheduling and then code generation using the LLVM compiler. We compare our compiler framework against several existing compilers, and show how removing control flow with the VSDG and then restoring it later can produce high quality code. We also examine specific situations where the VSDG can put pressure on existing code generators. Our results show that the VSDG represents a radically different, yet practical, approach to compilation

Contributions to worst-case execution time reduction using compilation techniques

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2017Abstract: A wide range of systems are distinct from the general purpose computingsystems due to the need of satisfying rigorous timing requirements, oftenunder the constraint of available resources, they are generally called realtimesystems. The development of a predictable system is concerned withthe challenges of building systems whose time requirements can be guaranteeda priori. Although, these challenges become even greater when usingprocessors architectural features for performance increase, as cachesand pipelines, which introduce a high degree of uncertainty, making difficultto provide any kind of guarantee. Parallel to this, there are the toolsneeded to develop and execute an application, such as languages, compilers,runtime support, communication systems and scheduling, which mayfurther make difficult the assertion of guarantees. In these systems, theresults of computations must be generated at the right time and faults oftemporal nature can result in catastrophic consequences both in the economicsense as in human lives. These systems are present in countlessapplications, such as in industrial plants, aviation, and the complexity ofthem imposes serious restrictions on the hardware that can be used. Toprovide timing guarantees, we must know the worst-case execution timefor each tasks of the system. In a general purpose architecture aimed atthe average case, the execution time of a program or task can be so greatin the worst case that invalidates the design constraints, or even be impossibleto be calculated or estimated with a reasonable effort. In thisthesis, we integrate compilation with WCET calculation. A compiler canprovide relevant data to facilitate the process of WCET estimation. Toimprove this process, we also use an architecture whose purpose is toconciliate performance with determinism. Considering compilation andWCET integration we present the following contributions: (1) a differentway to perform loop unrolling on data-dependent loops using codepredication targeting WCET reduction, because existing techniques onlyconsider loops with fixed execution counts. (2) considering static branchpredication techniques, we show that a very small gain or even none canbe obtained with new optimization techniques targeted to worst-case executiontime reduction. To achieve this objective, we compare several techniquesagainst the perfect branch predictor. (3) the difference between theWCET of a task and its actual execution time is called gain time. Wepropose a technique that finds specific points of a program (called gainpoints), where there will be an amount of statically estimated gain time inthe case that path is taken by the execution.Uma grande gama de sistemas se distinguem dos sistemas de computaçãode propósito geral pela necessidade de satisfação de requisitos detemporização rigorosos. O desenvolvimento de um sistema previsível preocupasecom os desafios de construção de sistemas cujos requisitos temporais possamser garantidos a priori. Estes desafios tornam-se ainda maiores quandose utiliza recursos arquiteturais para aumento de performance, como cachese pipelines, os quais introduzem um alto grau de incertezas, tornando difícilo provimento de qualquer tipo de garantia. Paralelamente a isto, existem asferramentas necessárias ao desenvolvimento e execução da aplicação, comolinguagens, compiladores, runtime de execução, sistemas de comunicação eescalonamento, os quais podem dificultar ainda mais a asserção de garantias.Nestes sistemas, os resultados das computações devem estar corretosnão somente do ponto de vista lógico, mas também devem ser gerados nomomento correto. As falhas de natureza temporal nestes sistemas são, emalguns casos, consideradas críticas no que diz respeito às suas consequências.Nos sistemas tempo real críticos (hard real-time) o não atendimento de umrequisito temporal pode resultar em consequências catastróficas tanto no sentidoeconômico quanto em vidas humanas. Quando os requisitos temporaisnão são críticos (soft real-time) eles apenas descrevem o comportamento desejado.O não atendimento de tais requisitos reduz a utilidade da aplicaçãomas não a elimina completamente nem resulta em consequências catastróficas.Estes sistemas estão presentes em diversas aplicações, como em plantasindustriais, aviação e eletrônica automotiva, telecomunicações e sistemasespaciais. Em várias destas aplicações, a complexidade dos sistemas de softwareimpõe sérias restrições quanto ao hardware que poderá ser utilizado.Este deverá ter capacidade suficiente para sustentar a aplicação em questão,além de poder estar submetido a restrições não funcionais do projeto, comocusto e eficiência energética.Arquiteturas modernas e de propósito geral possuem como premissabásica aquela que diz que os programas devem executar o mais rápido possívelna maioria das vezes. Este tempo médio é geralmente chamado deACET - Average-case Execution Time. Entretanto, em alguns casos, o tempode uma execução de uma aplicação poderá ser grande em relação ao caso médio,mas ainda estará amortizado entre as diversas execuções do programa.Esta priorização de caso médio impõe certas problemáticas quanto à utilizaçãodeste tipo de arquitetura em sistemas de tempo real. Tais sistemas podemexigir garantias de tempo de execução difíceis de serem obtidas ou muitasvezes inviáveis. Estas garantias exigem o conhecimento do pior tempo deexecução de um programa ou tarefa em um determinado processador, o qualgeralmente é chamado de WCET - Worst-case Execution Time. Em uma arquiteturade propósito geral que vise o caso médio, o tempo de execução nopior caso de um programa ou tarefa pode ser tão grande que inviabilize asrestrições de projeto, ou mesmo ser impossível de ser estimado.Atualmente, existem vertentes acadêmicas que sugerem a utilização deprocessadores e arquiteturas voltadas para aplicações de tempo real. Taisarquiteturas adotam características de hardware que tornam as análises referentesà obtenção de WCET mais simples e rápidas.Uma característica importante é que o desempenho em arquiteturas específicas,como as voltadas para tempo real, pode estar intimamente relacionadoao compilador e as técnicas de compilação empregadas, como exploraçãoestática de paralelismo. Dada a possibilidade de ser obter o WCET deprogramas para uma arquitetura específica, pode-se utilizar estas informaçõesno processo de otimização incremental dos mesmos. Estas otimizações visama redução do WCET, visto que abordagens tradicionais de transformação decódigo feitas por compilador podem até mesmo aumentar o WCET de umprograma.ObjetivosO objetivo deste trabalho é contribuir com aspectos relacionados à compilaçãopara sistemas de tempo real, cujo objetivo primário seja a reduçãode WCET ou melhoria de aspectos relacionados à escalonabilidade. A tesea ser demonstrada é que o íntimo acoplamento de um compilador com umanalisador WCET pode beneficiar tanto a análise quanto a síntese de um programaexecutável ou sistema completo para uma arquitetura determinista. Autilização de uma arquitetura determinista representa uma característica importantedeste trabalho, bem como o desenvolvimento do respectivo analisadorWCET.Dentre os elementos relacionados ao compilador essenciais para a reduçãodo WCET, pode-se citar: Mecanismos para o cálculo de WCET de programas em processo decompilação. Isto implica acoplamento do compilador com o analisadordesenvolvido. Identificação de potenciais pontos a serem beneficiados por otimizações.Este processo envolve interpretação dos resultados do analisador. Descarte de alterações de códigos que aumentem o WCET. Novamente,decisões deverão ser tomadas com base em análises sucessivas.Além dos elementos relacionados, podemos destacar a eficiência doprocesso. O uso de uma arquitetura projetada para aplicações em tempo realpermite o uso de um analisador muito mais rápido e preciso, que visa trazereficiência ao processo. Embora a arquitetura se baseie em um ISA comercial,não existe compilador livre disponível para esta, então, a implementação deum gerador de código inteiramente funcional fez-se necessária como requisitopara realização do trabalho de tese.Entre os elementos considerados como foco desta tese, têm-se: Técnicas de loop unrolling: Laços são frequentemente bons candidatosalvopara otimizações de compilação para extrair o desempenho emprocessadores modernos. Algumas técnicas foram propostas na literaturapara alcançar a redução do WCET usando o loop unrolling, comoem (ZHAO et al., 2006) e (LOKUCIEJEWSKI; MARWEDEL, 2010).Nestes trabalhos, apenas os laços com contagens de execução fixas sãoconsiderados. Previsão estática de desvios: Previsores de desvio são utilizados paraaumentar o desempenho de programas em arquiteturas modernas. Previsoresestáticos podem depender do compilador para definir o comportamentode cada desvio condicional. Esse comportamento é entãoadotado pelo processador para toda a execução do programa. O uso daprevisão estática de desvio como mecanismo para redução do tempo deexecução de pior caso é uma alternativa conhecida e foi primeiramenteproposta por (BODIN; PUAUT, 2005) e (BURGUIERE et al., 2005). Identificação de tempo ganho em programas: Tempo ganho (ou gaintime) (AUDSLEY et al., 1994) (AVILA et al., 2003) (HU et al., 2002)(HU et al., 2003) é a diferença entre o WCET de uma tarefa e o tempode execução real. Uma abordagem comum é identificar o gain timeem tempo de execução comparando o tempo de execução real (medido)com o WCET calculado estaticamente. A identificação do tempo deganho precoce é útil para aumentar a utilização do sistema em tempo deexecução e para economizar energia do sistema, por exemplo.Alcançar a redução do pior tempo de computação em tarefas que compõemum sistema de tempo real é importante pois permite que recursos computacionaisnão sejam desperdiçados, impactando diretamente no custo. Outraimportância para tal redução é a aceitação de tarefas do tipo soft real-time,pois quanto menor o WCET das tarefas do tipo hard, mais tempo de processadorpode ser alocado para este tipo de tarefa.ContribuiçõesAs contribuições desta tese para o estado da arte são:1. A proposição de uma maneira diferente de executar o loop unrollingsobre laços cujas execuções são dependentes de dados usando a predicaçãode código visando redução de WCET, porque as técnicas existentesconsideram apenas laços com contagens de execução fixas. A técnicaproposta também foi combinada com abordagens de loop unrollingexistentes. Os resultados mostraram que esta combinação pode produziragressivas reduções de WCET quando comparadas com o códigooriginal.2. Em relação às técnicas de predição estática de desvios, são mostradosque somente ganhos pequenos ou mesmo nenhum ganho pode ser obtidocom novas técnicas de otimização direcionadas para a redução do tempode execução do pior caso. Para alcançar esse objetivo, foram comparadasvárias técnicas contra o previsor de desvio perfeito. Este previsorpermite estimar a redução máxima de WCET que pode ser obtida comabordagens estáticas. Além da técnica clássica da literatura, foi incluídana comparação uma nova técnica centrada em WCET que atua comouma abordagem de força bruta para aproximar os resultados do preditorperfeito. A comparação também inclui técnicas de compilação nãodiretamente orientadas para redução de WCET. Como resultado, sãomostradas que as técnicas consideradas nesta tese estão próximas do resultadoótimo obtido pelo previsor perfeito. Também é mostrado quea técnica proposta produz resultados ligeiramente melhores do que asdemais técnicas. Como contribuição secundária, é mostrado que as técnicasinconscientes de WCET também podem ser usadas em ambientesem tempo real porque apresentam bons resultados e baixa complexidade.As técnicas de previsão foram avaliadas usando um conjunto deexemplos dos benchmarks para WCET de Mälardalen.3. Um problema do WCET é que ele é relativo a um único caminho de execução,especificamente o caminho de execução do pior caso (WCEP).Quando uma aplicação em tempo real executa sobre um caminho diferentedo WCEP, seu tempo de execução será provavelmente menor doque o WCET. A diferença entre o WCET de uma tarefa e seu tempo deexecução real é chamado de tempo ganho. Neste trabalho, é propostauma técnica que encontra pontos específicos de um programa (chamadospontos de ganho), onde haverá uma quantidade de tempo ganhoestimado estaticamente no caso de esse caminho ser tomado pela execução.Como estudo de caso, é apresentado o tempo ganho obtido pelaaplicação estratégia proposta a um benchmark da série de benchmarkspara WCET de Mälardalen. Para o benchmark selecionado, foram identificadosvários pontos de ganho e alguns deles com uma quantidadesignificativa de tempo ganho detectado estaticamente.ConclusãoSistemas de tempo real estão presentes em diversos segmentos da indústria,desde sistemas aviônicos a eletrônica automotiva, passando por sistemasindustriais. No passado, tais sistemas eram bastante simples, considerandoa demanda por recursos computacionais e interdependência entretarefas. Porém hoje o cenário é outro: têm-se aplicações com altíssimo nívelde complexidade, por vezes geradas sem intervenção humana a partir de modelosformais. Cada tarefa componente destas aplicações possui seu próprioprazo e por vezes depende de resultados provenientes de outras tarefas (possivelmenteatravés de uma rede), levando a necessidade de estimativa tambémde prazos fim-a-fim.Levantado o cenário anterior, percebe-se que processadores simples,como microcontroladores, não são capazes de atender aplicações de temporeal como atendiam no passado. Neste caso, torna-se necessária a utilizaçãode processadores com maior capacidade computacional, com mecanismos deaumento desempenho, como pipelines, caches e execução especulativa. Oproblema com estes mecanismos é a dificuldade de cálculo do pior caso notempo de computação, devido a fatores como anomalias temporais. Entretanto,algumas vertentes da literatura sugerem o uso de arquiteturas voltadaspara tempo-real, ou seja, deterministas.Neste trabalho, foi objetivada a geração e otimização de código parauma arquitetura determinista mas com mecanismos de aumento de performance.O objetivo primário foi a redução de WCET de programas, bemcomo o levantamento de alguns parâmetros úteis no projeto de um sistemade tempo real. A redução de WCET importante para não sobre-dimensionarsistemas, não desperdiçando assim, recursos computacionais. A utilizaçãode uma arquitetura determinista aliada a redução de WCET induz a sistemasbem dimensionados em termos de recursos.Usando técnicas como loop unrolling usando predicação de código eprevisão estática de desvios, foi possível reduzir o pior caso no tempo decomputação de tarefas. A caracterização de tempo ganho, do ponto de vistapuramente estático, também pôde ser alcançada neste trabalho

Design methodologies for instruction-set extensible processors

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Discovery of Potential Parallelism in Sequential Programs

In the era of multicore processors, the responsibility for performance gains has been shifted onto software developers. Once improvements of the sequential algorithm have been exhausted, software-managed parallelism is the only option left. However, writing parallel code is still difficult, especially when parallelizing sequential code written by someone else. A key task in this process is the identification of suitable parallelization targets in the source code. Parallelism discovery tools help developers to find such targets automatically. Unfortunately, tools that identify parallelism during compilation are usually conservative due to the lack of runtime information, and tools relying on runtime information primarily suffer from high overhead in terms of both time and memory. This dissertation presents a generic framework for parallelism discovery based on dynamic program analysis, supporting various types of parallelism while incurring practically affordable overhead. The framework contains two main components: an efficient data-dependence profiler and a set of parallelism discovery algorithms based on a language-independent concept called Computational Unit. The data-dependence profiler serves as the foundation of the parallelism discovery framework. Traditional dependence profiling approaches introduce a tremendous amount of time and memory overhead. To lower the overhead, current methods limit their scope to the subset of the dependence information needed for the analysis they have been created for, sacrificing generality and discouraging reuse. In contrast, the profiler shown in this thesis addresses the problem via signature-based memory management and a lock-free parallel design. It produces detailed dependences not only for sequential but also for multi-threaded code without causing prohibitive overhead, allowing it to serve as a generic base for various program analysis techniques. Computational Units (CUs) provide a language-independent foundation for parallelism discovery. CUs are computations that follow the read-compute-write pattern. Unlike other concepts, they are not restricted to predefined language constructs. A program is represented as a CU graph, in which vertexes are CUs and edges are data dependences. This allows parallelism to be detected that spreads across multiple language constructs, taking code refactoring into consideration. The parallelism discovery algorithms cover both loop and task parallelism. Results of our experiments show that 1) the efficient data-dependence profiler has a very competitive average slowdown of around 80× with accuracy higher than 99.6%; 2) the framework discovers parallelism with high accuracy, identifying 92.5% of the parallel loops in NAS benchmarks; 3) when parallelizing well-known open-source software following the outputs of the framework, reasonable speedups are obtained. Finally, use cases beyond parallelism discovery are briefly demonstrated to show the generality of the framework