Self-adaptivity of applications on network on chip multiprocessors: the case of fault-tolerant Kahn process networks

Technology scaling accompanied with higher operating frequencies and the ability to integrate more functionality in the same chip has been the driving force behind delivering higher performance computing systems at lower costs. Embedded computing systems, which have been riding the same wave of success, have evolved into complex architectures encompassing a high number of cores interconnected by an on-chip network (usually identified as Multiprocessor System-on-Chip). However these trends are hindered by issues that arise as technology scaling continues towards deep submicron scales. Firstly, growing complexity of these systems and the variability introduced by process technologies make it ever harder to perform a thorough optimization of the system at design time. Secondly, designers are faced with a reliability wall that emerges as age-related degradation reduces the lifetime of transistors, and as the probability of defects escaping post-manufacturing testing is increased. In this thesis, we take on these challenges within the context of streaming applications running in network-on-chip based parallel (not necessarily homogeneous) systems-on-chip that adopt the no-remote memory access model. In particular, this thesis tackles two main problems: (1) fault-aware online task remapping, (2) application-level self-adaptation for quality management. For the former, by viewing fault tolerance as a self-adaptation aspect, we adopt a cross-layer approach that aims at graceful performance degradation by addressing permanent faults in processing elements mostly at system-level, in particular by exploiting redundancy available in multi-core platforms. We propose an optimal solution based on an integer linear programming formulation (suitable for design time adoption) as well as heuristic-based solutions to be used at run-time. We assess the impact of our approach on the lifetime reliability. We propose two recovery schemes based on a checkpoint-and-rollback and a rollforward technique. For the latter, we propose two variants of a monitor-controller- adapter loop that adapts application-level parameters to meet performance goals. We demonstrate not only that fault tolerance and self-adaptivity can be achieved in embedded platforms, but also that it can be done without incurring large overheads. In addressing these problems, we present techniques which have been realized (depending on their characteristics) in the form of a design tool, a run-time library or a hardware core to be added to the basic architecture

High performance algorithms for large scale placement problem

Placement is one of the most important problems in electronic design automation (EDA). An inferior placement solution will not only affect the chip’s performance but might also make it nonmanufacturable by producing excessive wirelength, which is beyond available routing resources. Although placement has been extensively investigated for several decades, it is still a very challenging problem mainly due to that design scale has been dramatically increased by order of magnitudes and the increasing trend seems unstoppable. In modern design, chips commonly integrate millions of gates that require over tens of metal routing layers. Besides, new manufacturing techniques bring out new requests leading to that multi-objectives should be optimized simultaneously during placement. Our research provides high performance algorithms for placement problem. We propose (i) a high performance global placement core engine POLAR; (ii) an efficient routability-driven placer POLAR 2.0, which is an extension of POLAR to deal with routing congestion; (iii) an ultrafast global placer POLAR 3.0, which explore parallelism on POLAR and can make full use of multi-core system; (iv) some efficient triple patterning lithography (TPL) aware detailed placement algorithms

FPGA dynamic and partial reconfiguration : a survey of architectures, methods, and applications

Dynamic and partial reconfiguration are key differentiating capabilities of field programmable gate arrays (FPGAs). While they have been studied extensively in academic literature, they find limited use in deployed systems. We review FPGA reconfiguration, looking at architectures built for the purpose, and the properties of modern commercial architectures. We then investigate design flows, and identify the key challenges in making reconfigurable FPGA systems easier to design. Finally, we look at applications where reconfiguration has found use, as well as proposing new areas where this capability places FPGAs in a unique position for adoption

Automatic Design of Efficient Application-centric Architectures.

As the market for embedded devices continues to grow, the demand for high performance, low cost, and low power computation grows as well. Many embedded applications perform computationally intensive tasks such as processing streaming video or audio, wireless communication, or speech recognition and must be implemented within tight power budgets. Typically, general purpose processors are not able to meet these performance and power requirements. Custom hardware in the form of loop accelerators are often used to execute the compute-intensive portions of these applications because they can achieve significantly higher levels of performance and power efficiency. Automated hardware synthesis from high level specifications is a key technology used in designing these accelerators, because the resulting hardware is correct by construction, easing verification and greatly decreasing time-to-market in the quickly evolving embedded domain. In this dissertation, a compiler-directed approach is used to design a loop accelerator from a C specification and a throughput requirement. The compiler analyzes the loop and generates a virtual architecture containing sufficient resources to sustain the required throughput. Next, a software pipelining scheduler maps the operations in the loop to the virtual architecture. Finally, the accelerator datapath is derived from the resulting schedule. In this dissertation, synthesis of different types of loop accelerators is investigated. First, the system for synthesizing single loop accelerators is detailed. In particular, a scheduler is presented that is aware of the effects of its decisions on the resulting hardware, and attempts to minimize hardware cost. Second, synthesis of multifunction loop accelerators, or accelerators capable of executing multiple loops, is presented. Such accelerators exploit coarse-grained hardware sharing across loops in order to reduce overall cost. Finally, synthesis of post-programmable accelerators is presented, allowing changes to be made to the software after an accelerator has been created. The tradeoffs between the flexibility, cost, and energy efficiency of these different types of accelerators are investigated. Automatically synthesized loop accelerators are capable of achieving order-of-magnitude gains in performance, area efficiency, and power efficiency over processors, and programmable accelerators allow software changes while maintaining highly efficient levels of computation.Ph.D.Computer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/61644/1/fank_1.pd

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

Regular Datapaths on Field-Programmable Gate Arrays

Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are a recent kind of programmable logic device. They allow the implementation of integrated digital electronic circuits without requiring the complex optical, chemical and mechanical processes used in a conventional chip fabrication. FPGAs can be embedded in traditional system designflows to perform prototyping and emulation tasks. In addition, they also enable novel applications such as configurable computers with hardware dynamically adaptable to a specific problem. The growing chip capacity now allows even the implementation of CPUs and DSPs on single FPGAs. However, current design automation tools trace their roots to times of very limited FPGA sizes, and are primarily optimized for the implementation of random glue logic. The wide datapaths common to CPUs and DSPs are only processed with reduced performance. This thesis presents Structured Design Implementation (SDI), a suite of specialized tools coordinated by a common strategy, which aims to efficiently map even larger regular datapaths to FPGAs. In all steps, regularity is preserved whenever possible, or restored after disruptive operations were required. The circuits are composed from parametrizable modules providing a variety of logical, arithmetical and storage functions. For each module, multiple target FPGA-specific implementation alternatives may be generated in both gatelevel netlist and layout views. A floorplanner based on a genetic algorithm is then used to simultaneously choose an actual implementation from the set of alternatives for each module, and to arrange the selected module implementations in a linear placement. The floorplanning operation optimizes for short routing delays, high routability, and fit into the target FPGA.Field-Programmable Gate-Arrays (FPGAs) sind eine noch junge Art von programmierbaren Logikbausteinen. Sie erlauben die Implementierung von integrierten Digitalschaltungen ohne die komplizierten optischen, chemischen und mechanischen Prozesse, die normalerweise für die Chipfertigung erforderlich sind. FPGAs können im Rahmen konventioneller Entwurfsmethoden zu Emulationszwecken und Prototyp-Aufbauten herangezogen werden. Sie erlauben aber auch völlig neue Anwendungen wie rekonfigurierbare Computer, deren Hardware dynamisch an ein spezielles Problem angepaßt werden kann. Die gewachsene Chip-Kapazität erlaubt nun sogar die Implementierung von CPUs und digitalen Signalprozessoren (DSPs) auf einem einzelnen FPGA. Die Leistungsfähigkeit der entstandenen Schaltungen wird jedoch durch die zur Zeit erhältlichen CAD-Werkzeuge limitiert, da diese noch auf stark beschränkte FPGA-Größen ausgerichtet sind und primär der platzsparenden Verarbeitung unregelmäßiger Logik dienen. Die breiten Datenpfade in Bit-Slice-Struktur, die den Kern vieler CPUs und DSPs darstellen, werden nur suboptimal behandelt. Diese Arbeit stellt Structured Design Implementation (SDI) vor, ein System von spezialisierten CAD-Werkzeugen, die auch größere reguläre Datenpfade effizient auf FPGAs abbilden. In allen Verarbeitungsschritten wird dabei die bestehende Regularität soweit wie möglich erhalten oder nach regularitätsvernichtenden Operationen wiederhergestellt. Zur Schaltungseingabe steht eine Bibliothek von allgemeinen Modulen aus den Bereichen Logik, Arithmetik und Speicherung bereit. Diese können durch Belegung verschiedener Parameter wie Bit-Breiten und Datentypen an aktuelle Anforderungen angepaßt werden

Smart hardware designs for probabilistically-analyzable processor architectures

Future Critical Real-Time Embedded Systems (CRTES), like those is planes, cars or trains, require more and more guaranteed performance in order to satisfy the increasing performance demands of advanced complex software features. While increased performance can be achieved by deploying processor techniques currently used in High-Performance Computing (HPC) and mainstream domains, their use challenges the software timing analysis, a necessary step in CRTES' verification and validation. Cache memories are known to have high impact in performance, and in fact, current CRTES include multicores usually with several levels of cache. In this line, this Thesis aims at increasing the guaranteed performance of CRTES by using techniques for caches building upon time randomization and providing probabilistic guarantees of tasks' execution time. In this Thesis, we first focus on on improving cache placement and replacement to improve guaranteed performance. For placement, different existing policies are explored in a multi-level cache setup, and a solution is reached in which different of those policies are combined. For cache replacement, we analyze a pathological scenario that no cache policy so far accounts and propose several policies that fix this pathological scenario. For shared caches in multicore we observe that contention is mainly caused by private writes that go through to the shared cache, yet using a pure write-back policy also has its drawbacks. We propose a hybrid approach to mitigate this contention. Building on this solution, the next contribution tackles a problem caused by the need of some reliability mechanisms in CRTES. Implementing reliability close to the processor's core has a significant impact in performance. A look-ahead error detection solution is proposed to greatly mitigate the performance impact. The next contribution proposes the first hardware prefetcher for CRTES with arbitrary cache hierarchies. Given its speculative nature, prefetchers that have a guaranteed positive impact on performance are difficult to design. We present a framework that provides execution time guarantees and obtains a performance benefit. Finally, we focus on the impact of timing anomalies in CRTES with caches. For the first time, a definition and taxonomy of timing anomalies is given for Measurement-Based Timing Analysis. Then, we focus on a specific timing anomaly that can happen with caches and provide a solution to account for it in the execution time estimates.Los Sistemas Empotrados de Tiempo-Real Crítico (SETRC), como los de los aviones, coches o trenes, requieren más y más rendimiento garantizado para satisfacer la demanda al alza de rendimiento para funciones complejas y avanzadas de software. Aunque el incremento en rendimiento puede ser adquirido utilizando técnicas de arquitectura de procesadores actualmente utilizadas en la Computación de Altas Prestaciones (CAP) i en los dominios convencionales, este uso presenta retos para el análisis del tiempo de software, un paso necesario en la verificación y validación de SETRC. Las memorias caches son conocidas por su gran impacto en rendimiento y, de hecho, los actuales SETRC incluyen multicores normalmente con diversos niveles de cache. En esta línea, esta Tesis tiene como objetivo mejorar el rendimiento garantizado de los SETRC utilizando técnicas para caches y utilizando métodos como la randomización del tiempo y proveyendo garantías probabilísticas de tiempo de ejecución de las tareas. En esta Tesis, primero nos centramos en mejorar la colocación y el reemplazo de caches para mejorar el rendimiento garantizado. Para la colocación, diferentes políticas son exploradas en un sistema cache multi-nivel, y se llega a una solución donde diversas de estas políticas son combinadas. Para el reemplazo, analizamos un escenario patológico que ninguna política actual tiene en cuenta, y proponemos varias políticas que solucionan este escenario patológico. Para caches compartidas en multicores, observamos que la contención es causada principalmente por escrituras privadas que van a través de la cache compartida, pero usar una política de escritura retardada pura también tiene sus consecuencias. Proponemos un enfoque híbrido para mitigar la contención. Sobre esta solución, la siguiente contribución ataca un problema causado por la necesidad de mecanismos de fiabilidad en SETRC. Implementar fiabilidad cerca del núcleo del procesador tiene un impacto significativo en rendimiento. Una solución basada en anticipación se propone para mitigar el impacto en rendimiento. La siguiente contribución propone el primer prefetcher hardware para SETRC con una jerarquía de caches arbitraria. Por primera vez, se da una definición y taxonomía de anomalías temporales para Análisis Temporal Basado en Medidas. Después, nos centramos en una anomalía temporal concreta que puede pasar con caches y ofrecemos una solución que la tiene en cuenta en las estimaciones del tiempo de ejecución.Postprint (published version

Dependable Embedded Systems

This Open Access book introduces readers to many new techniques for enhancing and optimizing reliability in embedded systems, which have emerged particularly within the last five years. This book introduces the most prominent reliability concerns from today’s points of view and roughly recapitulates the progress in the community so far. Unlike other books that focus on a single abstraction level such circuit level or system level alone, the focus of this book is to deal with the different reliability challenges across different levels starting from the physical level all the way to the system level (cross-layer approaches). The book aims at demonstrating how new hardware/software co-design solution can be proposed to ef-fectively mitigate reliability degradation such as transistor aging, processor variation, temperature effects, soft errors, etc. Provides readers with latest insights into novel, cross-layer methods and models with respect to dependability of embedded systems; Describes cross-layer approaches that can leverage reliability through techniques that are pro-actively designed with respect to techniques at other layers; Explains run-time adaptation and concepts/means of self-organization, in order to achieve error resiliency in complex, future many core systems