Extensible Energy Planning Framework for Preemptive Tasks

Cyber-physical systems (CSPs) are demanding energy-efficient design not only of hardware (HW), but also of software (SW). Dynamic Voltage and and Frequency Scaling (DVFS) and Dynamic Power Manage (DPM) are most popular techniques to improve the energy efficiency. However, contemporary complicated HW and SW designs requires more elaborate and sophisticated energy management and efficiency evaluation techniques. This paper is concerned about energy supply planning for real-time scheduling systems (units) of which tasks need to meet deadlines. This paper presents a modelbased compositional energy planning technique that computes a minimal ratio of processor frequency that preserves schedulability of independent and preemptive tasks. The minimal ratio of processor frequency can be used to plan the energy supply of real-time components. Our model-based technique is extensible by refining our model with additional features so that energy management techniques and their energy efficiency can be evaluated by model checking techniques. We exploit the compositional framework for hierarchical scheduling systems and provide a new resource model for the frequency computation. As results, our use-case for avionics software components shows that our new method outperforms the classical real-time calculus (RTC) method, requiring 36.21% less frequency ratio on average for scheduling units under RM than the RTC method

An extensible framework for multicore response time analysis

In this paper, we introduce a multicore response time analysis (MRTA) framework, which decouples response time analysis from a reliance on context independent WCET values. Instead, the analysis formulates response times directly from the demands placed on different hardware resources. The MRTA framework is extensible to different multicore architectures, with a variety of arbitration policies for the common interconnects, and different types and arrangements of local memory. We instantiate the framework for single level local data and instruction memories (cache or scratchpads), for a variety of memory bus arbitration policies, including: Round-Robin, FIFO, Fixed-Priority, Processor-Priority, and TDMA, and account for DRAM refreshes. The MRTA framework provides a general approach to timing verification for multicore systems that is parametric in the hardware configuration and so can be used at the architectural design stage to compare the guaranteed levels of real-time performance that can be obtained with different hardware configurations. We use the framework in this way to evaluate the performance of multicore systems with a variety of different architectural components and policies. These results are then used to compose a predictable architecture, which is compared against a reference architecture designed for good average-case behaviour. This comparison shows that the predictable architecture has substantially better guaranteed real-time performance, with the precision of the analysis verified using cycle-accurate simulation

Control techniques for thermal-aware energy-efficient real time multiprocessor scheduling

La utilización de microprocesadores multinúcleo no sólo es atractiva para la industria sino que en muchos ámbitos es la única opción. La planificación tiempo real sobre estas plataformas es mucho más compleja que sobre monoprocesadores y en general empeoran el problema de sobre-diseño, llevando a la utilización de muchos más procesadores /núcleos de los necesarios. Se han propuesto algoritmos basados en planificación fluida que optimizan la utilización de los procesadores, pero hasta el momento presentan en general inconvenientes que los alejan de su aplicación práctica, no siendo el menor el elevado número de cambios de contexto y migraciones.Esta tesis parte de la hipótesis de que es posible diseñar algoritmos basados en planificación fluida, que optimizan la utilización de los procesadores, cumpliendo restricciones temporales, térmicas y energéticas, con un bajo número de cambios de contexto y migraciones, y compatibles tanto con la generación fuera de línea de ejecutivos cíclicos atractivos para la industria, como de planificadores que integran técnicas de control en tiempo de ejecución que permiten la gestión eficiente tanto de tareas aperiódicas como de desviaciones paramétricas o pequeñas perturbaciones.A este respecto, esta tesis contribuye con varias soluciones. En primer lugar, mejora una metodología de modelo que representa todas las dimensiones del problema bajo un único formalismo (Redes de Petri Continuas Temporizadas). En segundo lugar, propone un método de generación de un ejecutivo cíclico, calculado en ciclos de procesador, para un conjunto de tareas tiempo real duro sobre multiprocesadores que optimiza la utilización de los núcleos de procesamiento respetando también restricciones térmicas y de energía, sobre la base de una planificación fluida. Considerar la sobrecarga derivada del número de cambios de contexto y migraciones en un ejecutivo cíclico plantea un dilema de causalidad: el número de cambios de contexto (y en consecuencia su sobrecarga) no se conoce hasta generar el ejecutivo cíclico, pero dicho número no se puede minimizar hasta que se ha calculado. La tesis propone una solución a este dilema mediante un método iterativo de convergencia demostrada que logra minimizar la sobrecarga mencionada.En definitiva, la tesis consigue explotar la idea de planificación fluida para maximizar la utilización (donde maximizar la utilización es un gran problema en la industria) generando un sencillo ejecutivo cíclico de mínima sobrecarga (ya que la sobrecarga implica un gran problema de los planificadores basados en planificación fluida).Finalmente, se propone un método para utilizar las referencias de la planificación fuera de línea establecida en el ejecutivo cíclico para su seguimiento por parte de un controlador de frecuencia en línea, de modo que se pueden afrontar pequeñas perturbaciones y variaciones paramétricas, integrando la gestión de tareas aperiódicas (tiempo real blando) mientras se asegura la integridad de la ejecución del conjunto de tiempo real duro.Estas aportaciones constituyen una novedad en el campo, refrendada por las publicaciones derivadas de este trabajo de tesis.<br /

Towards WCET Analysis of Multicore Architectures Using UPPAAL

To take full advantage of the increasingly used shared-memory multicore architectures, software algorithms will need to be parallelized over multiple threads. This means that threads will have to share resources (e.g. some level of cache) and communicate and synchronize with each other. There already exist software libraries (e.g. OpenMP) used to explicitly parallelize available sequential C/C++ and Fortran code, which means that parallel code could be easily obtained. To be able to use parallel software running on multicore architectures in embedded systems with hard real-time constraints, new WCET (Worst-Case Execution Time) analysis methods and tools must be developed. This paper investigates a method based on model-checking a system of timed automata using the UPPAAL tool box. It is found that it is possible to perform WCET analysis on (small) parallel systems using UPPAAL. We also show how to model thread synchronization using spinlock-like primitives