Timing model derivation : static analysis of hardware description languages

Safety-critical hard real-time systems are subject to strict timing constraints. In order to derive guarantees on the timing behavior, the worst-case execution time (WCET) of each task comprising the system has to be known. The aiT tool has been developed for computing safe upper bounds on the WCET of a task. Its computation is mainly based on abstract interpretation of timing models of the processor and its periphery. These models are currently hand-crafted by human experts, which is a time-consuming and error-prone process. Modern processors are automatically synthesized from formal hardware specifications. Besides the processor’s functional behavior, also timing aspects are included in these descriptions. A methodology to derive sound timing models using hardware specifications is described within this thesis. To ease the process of timing model derivation, the methodology is embedded into a sound framework. A key part of this framework are static analyses on hardware specifications. This thesis presents an analysis framework that is build on the theory of abstract interpretation allowing use of classical program analyses on hardware description languages. Its suitability to automate parts of the derivation methodology is shown by different analyses. Practical experiments demonstrate the applicability of the approach to derive timing models. Also the soundness of the analyses and the analyses’ results is proved.Sicherheitskritische Echtzeitsysteme unterliegen strikten Zeitanforderungen. Um ihr Zeitverhalten zu garantieren müssen die Ausführungszeiten der einzelnen Programme, die das System bilden, bekannt sein. Um sichere obere Schranken für die Ausführungszeit von Programmen zu berechnen wurde aiT entwickelt. Die Berechnung basiert auf abstrakter Interpretation von Zeitmodellen des Prozessors und seiner Peripherie. Diese Modelle werden händisch in einem zeitaufwendigen und fehleranfälligen Prozess von Experten entwickelt. Moderne Prozessoren werden automatisch aus formalen Spezifikationen erzeugt. Neben dem funktionalen Verhalten beschreiben diese auch das Zeitverhalten des Prozessors. In dieser Arbeit wird eine Methodik zur sicheren Ableitung von Zeitmodellen aus der Hardwarespezifikation beschrieben. Um den Ableitungsprozess zu vereinfachen ist diese Methodik in eine automatisierte Umgebung eingebettet. Ein Hauptbestandteil dieses Systems sind statische Analysen auf Hardwarebeschreibungen. Diese Arbeit stellt eine Analyse-Umgebung vor, die auf der Theorie der abstrakten Interpretation aufbaut und den Einsatz von klassischen Programmanalysen auf Hardwarebeschreibungssprachen erlaubt. Die Eignung des Systems, Teile der Ableitungsmethodik zu automatisieren, wird anhand einiger Analysen gezeigt. Experimentelle Ergebnisse zeigen die Anwendbarkeit der Methodik zur Ableitung von Zeitmodellen. Die Korrektheit der Analysen und der Analyse-Ergebnisse wird ebenfalls bewiesen

Timing model derivation : pipeline analyzer generation from hardware description languages

Safety-critical systems are forced to finish their execution within strict deadlines so that worst-case execution time (WCET) guarantees are a crucial part of their verification. Timing models of the analyzed hardware form the basis for static analysis-based approaches like the aiT WCET analyzer. Currently, timing models are hand-crafted based on frequently incorrect documentation causing the process to be error-prone and time-consuming. This thesis bridges the gap between automatic hardware synthesis and WCET analysis development by introducing a process for the derivation of timing models from VHDL specifications. We propose a set of transformations and abstractions to reduce the hardware design\u27s complexity enabling the generation of efficient and provably correct WCET analyzers. They employ an abstract interpretation-based simulation of program executions based on a defined abstract simulation semantics. We have defined workflow patterns showing how to gradually apply the derivation process to VHDL models, thereby removing timing-irrelevant constructs. Interval property checking is used to validate the transformations. A further contribution of this thesis is the implementation of a tool set that realizes the introduced derivation process and shows its applicability to non-trivial industrial designs in experimental evaluations. Influences on design choices to the quality of the derived timing model are presented building an informal predictability notion for VHDL.Sicherheits-kritische Systeme unterliegen oft der Einhaltung strikter Laufzeitschranken, weshalb zur Verifikation sichere Obergrenzen der Laufzeit im schlimmsten Fall (WCET) bestimmt werden. Zeitmodelle der analysierten Hardware sind hierbei die Grundlage für auf statischen Analysen basierende Verfahren. Aktuell werden solche Modelle händisch aus Handbüchern extrahiert, ein sehr zeitaufwändiger und fehleranfälliger Prozess. Diese Arbeit schlägt eine Brücke zwischen automatischer Hardware-Synthese und der Entwicklung von WCET-Analysen durch die Einführung eines Ableitungsprozesses von Zeitmodellen aus VHDL-Spezifikationen. Transformationen und Abstraktionen werden zur Komplexitätsreduktion eingesetzt, um die Erzeugung von effizienten und beweisbar korrekten Analysatoren zu ermöglichen. Selbige bedienen sich abstrakter Interpretation von Programmausführungen basierend auf einer Simulations-Semantik. Definierte Arbeitsabläufe zeigen, wie man die Ableitung schrittweise auf VHDL-Modellen umsetzt und dadurch für das Zeitverhalten irrelevante Teile des Modells entfernt. Interval Property Checking gewährleistet hierbei, dass die Transformationen semantik-erhaltend sind. Eine Tool-Implementierung realisiert den vorgestellen Ableitungsprozess und unterstreicht seine Anwendbarkeit auf komplexe industrielle Designs durch experimentelle untersuchungen. Außerdem werden VHDL-Designentscheidungen hinsicht ihres Einflusses auf die Qualität des abgeleiteten Zeitmodells betrachtet

Optimal Global Instruction Scheduling for the Itanium® Processor Architecture

On the Itanium 2 processor, effective global instruction scheduling is crucial to high performance. At the same time, it poses a challenge to the compiler: This code generation subtask involves strongly interdependent decisions and complex trade-offs that are difficult to cope with for heuristics. We tackle this NP-complete problem with integer linear programming (ILP), a search-based method that yields provably optimal results. This promises faster code as well as insights into the potential of the architecture. Our ILP model comprises global code motion with compensation copies, predication, and Itanium-specific features like control/data speculation. In integer linear programming, well-structured models are the key to acceptable solution times. The feasible solutions of an ILP are represented by integer points inside a polytope. If all vertices of this polytope are integral, then the ILP can be solved in polynomial time. We define two subproblems of global scheduling in which some constraint classes are omitted and show that the corresponding two subpolytopes of our ILP model are integral and polynomial sized. This substantiates that the found model is of high efficiency, which is also confirmed by the reasonable solution times. The ILP formulation is extended by further transformations like cyclic code motion, which moves instructions upwards out of a loop, circularly in the opposite direction of the loop backedges. Since the architecture requires instructions to be encoded in fixed-sized bundles of three, a bundler is developed that computes bundle sequences of minimal size by means of precomputed results and dynamic programming. Experiments have been conducted with a postpass tool that implements the ILP scheduler. It parses assembly procedures generated by Intel�s Itanium compiler and reschedules them as a whole. Using this tool, we optimize a selection of hot functions from the SPECint 2000 benchmark. The results show a significant speedup over the original code.Globale Instruktionsanordnung hat beim Itanium-2-Prozessor großen Einfluß auf die Leistung und stellt dabei gleichzeitig eine Herausforderung für den Compiler dar: Sie ist mit zahlreichen komplexen, wechselseitig voneinander abhängigen Entscheidungen verbunden, die für Heuristiken nur schwer zu beherrschen sind.Wir lösen diesesNP-vollständige Problem mit ganzzahliger linearer Programmierung (ILP), einer suchbasierten Methode mit beweisbar optimalen Ergebnissen. Das ermöglicht neben schnellerem Code auch Einblicke in das Potential der Itanium- Prozessorarchitektur. Unser ILP-Modell umfaßt globale Codeverschiebungen mit Kompensationscode, Prädikation und Itanium-spezifische Techniken wie Kontroll- und Datenspekulation. Bei ganzzahliger linearer Programmierung sind wohlstrukturierte Modelle der Schlüssel zu akzeptablen Lösungszeiten. Die zulässigen Lösungen eines ILPs werden durch ganzzahlige Punkte innerhalb eines Polytops repräsentiert. Sind die Eckpunkte dieses Polytops ganzzahlig, kann das ILP in Polynomialzeit gelöst werden. Wir definieren zwei Teilprobleme globaler Instruktionsanordnung durch Auslassung bestimmter Klassen von Nebenbedingungen und beweisen, daß die korrespondierenden Teilpolytope unseres ILP-Modells ganzzahlig und von polynomieller Größe sind. Dies untermauert die hohe Effizienz des gefundenen Modells, die auch durch moderate Lösungszeiten bestätigt wird. Das ILP-Modell wird um weitere Transformationen wie zyklische Codeverschiebung erweitert; letztere bezeichnet das Verschieben von Befehlen aufwärts aus einer Schleife heraus, in Gegenrichtung ihrer Rückwärtskanten. Da die Architektur eine Kodierung der Befehle in Dreierbündeln fester Größe vorschreibt, wird ein Bundler entwickelt, der Bündelsequenzen minimaler Länge mit Hilfe vorberechneter Teilergebnisse und dynamischer Programmierung erzeugt. Für die Experimente wurde ein Postpassoptimierer erstellt. Er liest von Intels Itanium-Compiler erzeugte Assemblerroutinen ein und ordnet die enthaltenen Instruktionen mit Hilfe der ILP-Methode neu an. Angewandt auf eine Auswahl von Funktionen aus dem Benchmark SPECint 2000 erreicht der Optimierer eine signifikante Beschleunigung gegenüber dem Originalcode

Optimal Global Instruction Scheduling for the Itanium® Processor Architecture

On the Itanium 2 processor, effective global instruction scheduling is crucial to high performance. At the same time, it poses a challenge to the compiler: This code generation subtask involves strongly interdependent decisions and complex trade-offs that are difficult to cope with for heuristics. We tackle this NP-complete problem with integer linear programming (ILP), a search-based method that yields provably optimal results. This promises faster code as well as insights into the potential of the architecture. Our ILP model comprises global code motion with compensation copies, predication, and Itanium-specific features like control/data speculation. In integer linear programming, well-structured models are the key to acceptable solution times. The feasible solutions of an ILP are represented by integer points inside a polytope. If all vertices of this polytope are integral, then the ILP can be solved in polynomial time. We define two subproblems of global scheduling in which some constraint classes are omitted and show that the corresponding two subpolytopes of our ILP model are integral and polynomial sized. This substantiates that the found model is of high efficiency, which is also confirmed by the reasonable solution times. The ILP formulation is extended by further transformations like cyclic code motion, which moves instructions upwards out of a loop, circularly in the opposite direction of the loop backedges. Since the architecture requires instructions to be encoded in fixed-sized bundles of three, a bundler is developed that computes bundle sequences of minimal size by means of precomputed results and dynamic programming. Experiments have been conducted with a postpass tool that implements the ILP scheduler. It parses assembly procedures generated by Intel�s Itanium compiler and reschedules them as a whole. Using this tool, we optimize a selection of hot functions from the SPECint 2000 benchmark. The results show a significant speedup over the original code.Globale Instruktionsanordnung hat beim Itanium-2-Prozessor großen Einfluß auf die Leistung und stellt dabei gleichzeitig eine Herausforderung für den Compiler dar: Sie ist mit zahlreichen komplexen, wechselseitig voneinander abhängigen Entscheidungen verbunden, die für Heuristiken nur schwer zu beherrschen sind.Wir lösen diesesNP-vollständige Problem mit ganzzahliger linearer Programmierung (ILP), einer suchbasierten Methode mit beweisbar optimalen Ergebnissen. Das ermöglicht neben schnellerem Code auch Einblicke in das Potential der Itanium- Prozessorarchitektur. Unser ILP-Modell umfaßt globale Codeverschiebungen mit Kompensationscode, Prädikation und Itanium-spezifische Techniken wie Kontroll- und Datenspekulation. Bei ganzzahliger linearer Programmierung sind wohlstrukturierte Modelle der Schlüssel zu akzeptablen Lösungszeiten. Die zulässigen Lösungen eines ILPs werden durch ganzzahlige Punkte innerhalb eines Polytops repräsentiert. Sind die Eckpunkte dieses Polytops ganzzahlig, kann das ILP in Polynomialzeit gelöst werden. Wir definieren zwei Teilprobleme globaler Instruktionsanordnung durch Auslassung bestimmter Klassen von Nebenbedingungen und beweisen, daß die korrespondierenden Teilpolytope unseres ILP-Modells ganzzahlig und von polynomieller Größe sind. Dies untermauert die hohe Effizienz des gefundenen Modells, die auch durch moderate Lösungszeiten bestätigt wird. Das ILP-Modell wird um weitere Transformationen wie zyklische Codeverschiebung erweitert; letztere bezeichnet das Verschieben von Befehlen aufwärts aus einer Schleife heraus, in Gegenrichtung ihrer Rückwärtskanten. Da die Architektur eine Kodierung der Befehle in Dreierbündeln fester Größe vorschreibt, wird ein Bundler entwickelt, der Bündelsequenzen minimaler Länge mit Hilfe vorberechneter Teilergebnisse und dynamischer Programmierung erzeugt. Für die Experimente wurde ein Postpassoptimierer erstellt. Er liest von Intels Itanium-Compiler erzeugte Assemblerroutinen ein und ordnet die enthaltenen Instruktionen mit Hilfe der ILP-Methode neu an. Angewandt auf eine Auswahl von Funktionen aus dem Benchmark SPECint 2000 erreicht der Optimierer eine signifikante Beschleunigung gegenüber dem Originalcode

Retargetable Pipeline Hazard Detection for Partially Bypassed Processors

the presence of Partial Bypassing”. This article extends the earlier work in several ways. It better motivates for the need of Operation Tables. It more formally and completely describes the algorithms to use Operation Tables for pipeline hazard detection. It presents more experimental results, and demonstrates the need and usefulness of Operation Tables by varying the bypasses in a processor. Register bypassing is a widely used feature in modern processors to eliminate certain data hazards. Although complete bypassing is ideal for performance, it has significant impact on the cycle time, area, and power consumption of the processor. Owing to the strict design constraints on the performance, cost and the power consumption of embedded processor systems, architects seek a compromise between the design parameters by implementing partial bypassing in processors. However, partial bypassing in processors presents challenges for compilation. Traditional data hazard detection and/or avoidance techniques used in retargetable compilers that assume a constant value of operation latency, break down in the presence of partial bypassing. In this article, we present the concept of Operation Tables that can be used to accurately detect data hazards, even in the presence of incomplete bypassing. Operation Tables integrate the detection of all kinds of pipeline hazards in a unified framework, and can therefore be easily deployed in a compile

The Fifth NASA Symposium on VLSI Design

The fifth annual NASA Symposium on VLSI Design had 13 sessions including Radiation Effects, Architectures, Mixed Signal, Design Techniques, Fault Testing, Synthesis, Signal Processing, and other Featured Presentations. The symposium provides insights into developments in VLSI and digital systems which can be used to increase data systems performance. The presentations share insights into next generation advances that will serve as a basis for future VLSI design