WCET Optimizations and Architectural Support for Hard Real-Time Systems

As time predictability is critical to hard real-time systems, it is not only necessary to accurately estimate the worst-case execution time (WCET) of the real-time tasks but also desirable to improve either the WCET of the tasks or time predictability of the system, because the real-time tasks with lower WCETs are easy to schedule and more likely to meat their deadlines. As a real-time system is an integration of software and hardware, the optimization can be achieved through two ways: software optimization and time-predictable architectural support. In terms of software optimization, we fi rst propose a loop-based instruction prefetching approach to further improve the WCET comparing with simple prefetching techniques such as Next-N-Line prefetching which can enhance both the average-case performance and the worst-case performance. Our prefetching approach can exploit the program controlow information to intelligently prefetch instructions that are most likely needed. Second, as inter-thread interferences in shared caches can signi cantly a ect the WCET of real-time tasks running on multicore processors, we study three multicore-aware code positioning methods to reduce the inter-core L2 cache interferences between co-running real-time threads. One strategy focuses on decreasing the longest WCET among the co-running threads, and two other methods aim at achieving fairness in terms of the amount or percentage of WCET reduction among co-running threads. In the aspect of time-predictable architectural support, we introduce the concept of architectural time predictability (ATP) to separate timing uncertainty concerns caused by hardware from software, which greatly facilitates the advancement of time-predictable processor design. We also propose a metric called Architectural Time-predictability Factor (ATF) to measure architectural time predictability quantitatively. Furthermore, while cache memories can generally improve average-case performance, they are harmful to time predictability and thus are not desirable for hard real-time and safety-critical systems. In contrast, Scratch-Pad Memories (SPMs) are time predictable, but they may lead to inferior performance. Guided by ATF, we propose and evaluate a variety of hybrid on-chip memory architectures to combine both caches and SPMs intelligently to achieve good time predictability and high performance. Detailed implementation and experimental results discussion are presented in this dissertation

WCET-aware Software Based Cache Partitioning for Multi-Task Real-Time Systems

Caches are a source of unpredictability since it is very difficult to predict if a memory access results in a cache hit or miss. In systems running multiple tasks steered by a preempting scheduler, it is even impossible to determine the cache behavior since interrupt-driven schedulers lead to unknown points of time for context switches. Partitioned caches are already used in multi-task environments to increase the cache hit ratio by avoiding mutual eviction of tasks from the cache. For real-time systems, the upper bound of the execution time is one of the most important metrics, called the Worst-Case Execution Time (WCET). In this paper, we use partitioning of instruction caches as a technique to achieve tighter WCET estimations since tasks can not be evicted from their partition by other tasks. We propose a novel WCET-aware cache partitioning algorithm, which determines the optimal partition size for each task with focus on decreasing the system\u27s WCET for a given set of possible partition sizes. Employing this algorithm, we are able to decrease the WCET depending on the number of tasks in a set by up to 34%. On average, reductions between 12% and 19% can be achieved

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

Instruction Caches in Static WCET Analysis of Artificially Diversified Software

Artificial Software Diversity is a well-established method to increase security of computer systems by thwarting code-reuse attacks, which is particularly beneficial in safety-critical real-time systems. However, static worst-case execution time (WCET) analysis on complex hardware involving caches only delivers sound results for single versions of the program, as it relies on absolute addresses for all instructions. To overcome this problem, we present an abstract interpretation based instruction cache analysis that provides a safe yet precise upper bound for the execution of all variants of a program. We achieve this by integrating uncertainties in the absolute and relative positioning of code fragments when updating the abstract cache state during the analysis. We demonstrate the effectiveness of our approach in an in-depth evaluation and provide an overview of the impact of different diversity techniques on the WCET estimations

Cache-Aware Instruction SPM Allocation for Hard Real-Time Systems

To improve the execution time of a program, parts of its instructions can be allocated to a fast Scratchpad Memory (SPM) at compile time. This is a well-known technique which can be used to minimize the program's worst-case Execution Time (WCET). However, modern embedded systems often use cached main memories. An SPM allocation will inevitably lead to changes in the program's memory layout in main memory, resulting in either improved or degraded worst-case caching behavior. We tackle this issue by proposing a cache-aware SPM allocation algorithm based on integer-linear programming which accounts for changes in the worst-case cache miss behavior

TIME-PREDICTABLE EXECUTION OF EMBEDDED SOFTWARE ON MULTI-CORE PLATFORMS

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

WCET-Aware Scratchpad Memory Management for Hard Real-Time Systems

abstract: Cyber-physical systems and hard real-time systems have strict timing constraints that specify deadlines until which tasks must finish their execution. Missing a deadline can cause unexpected outcome or endanger human lives in safety-critical applications, such as automotive or aeronautical systems. It is, therefore, of utmost importance to obtain and optimize a safe upper bound of each task’s execution time or the worst-case execution time (WCET), to guarantee the absence of any missed deadline. Unfortunately, conventional microarchitectural components, such as caches and branch predictors, are only optimized for average-case performance and often make WCET analysis complicated and pessimistic. Caches especially have a large impact on the worst-case performance due to expensive off- chip memory accesses involved in cache miss handling. In this regard, software-controlled scratchpad memories (SPMs) have become a promising alternative to caches. An SPM is a raw SRAM, controlled only by executing data movement instructions explicitly at runtime, and such explicit control facilitates static analyses to obtain safe and tight upper bounds of WCETs. SPM management techniques, used in compilers targeting an SPM-based processor, determine how to use a given SPM space by deciding where to insert data movement instructions and what operations to perform at those program locations. This dissertation presents several management techniques for program code and stack data, which aim to optimize the WCETs of a given program. The proposed code management techniques include optimal allocation algorithms and a polynomial-time heuristic for allocating functions to the SPM space, with or without the use of abstraction of SPM regions, and a heuristic for splitting functions into smaller partitions. The proposed stack data management technique, on the other hand, finds an optimal set of program locations to evict and restore stack frames to avoid stack overflows, when the call stack resides in a size-limited SPM. In the evaluation, the WCETs of various benchmarks including real-world automotive applications are statically calculated for SPMs and caches in several different memory configurations.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Computer Science 201

On the limits of probabilistic timing analysis

Over the last years, we are witnessing the steady and rapid growth of Critica! Real-Time Embedded Systems (CRTES) industries, such as automotive and aerospace. Many of the increasingly-complex CRTES' functionalities that are currently implemented with mechanical means are moving towards to an electromechanical implementation controlled by critica! software. This trend results in a two-fold consequence. First, the size and complexity of critical-software increases in every new embedded product. And second, high-performance hardware features like caches are more frequently used in real-time processors. The increase in complexity of CRTES challenges the validation and verification process, a necessary step to certify that the system is safe for deployment. Timing validation and verification includes the computation of the Worst-Case Execution Time (WCET) estimates, which need to be trustworthy and tight. Traditional timing analysis are challenged by the use of complex hardware/software, resulting in low-quality WCET estimates, which tend to add significant pessimism to guarantee estimates' trustworthiness. This calls for new solutions that help tightening WCET estimates in a safe manner. In this Thesis, we investigate the novel Measurement-Based Probabilistic Timing Analysis (MBPTA), which in its original version already shows potential to deliver trustworthy and tight WCETs for tasks running on complex systems. First, we propose a methodology to assess and ensure that ali cache memory layouts, which can significantly impact WCET, have been adequately factored in the WCET estimation process. Second, we provide a solution to achieve simultaneously cache representativeness and full path coverage. This solution provides evidence proving that WCET estimates obtained are valid for ali program execution paths regardless of how code and data are laid out in the cache. Lastly, we analyse and expose the main misconceptions and pitfalls that can prevent a sound application of WCET analysis based on extreme value theory, which is used as part of MBPTA.En los últimos años, se ha podido observar un crecimiento rápido y sostenido de la industria de los sistemas embebidos críticos de tiempo real (abreviado en inglés CRTES}, como por ejemplo la industria aeronáutica o la automovilística. En un futuro cercano, muchas de las funcionalidades complejas que actualmente se están implementando a través de sistemas mecánicos en los CRTES pasarán a ser controladas por software crítico. Esta tendencia tiene dos consecuencias claras. La primera, el tamaño y la complejidad del software se incrementará en cada nuevo producto embebido que se lance al mercado. La segunda, las técnicas hardware destinadas a alto rendimiento (por ejemplo, memorias caché) serán usadas más frecuentemente en los procesadores de tiempo real. El incremento en la complejidad de los CRTES impone un reto en los procesos de validación y verificación de los procesadores, un paso imprescindible para certificar que los sistemas se pueden comercializar de forma segura. La validación y verificación del tiempo de ejecución incluye la estimación del tiempo de ejecución en el peor caso (abreviado en inglés WCET}, que debe ser precisa y certera. Desafortunadamente, los procesos tradicionales para analizar el tiempo de ejecución tienen problemas para analizar las complejas combinaciones entre el software y el hardware, produciendo estimaciones del WCET de mala calidad y conservadoras. Para superar dicha limitación, es necesario que florezcan nuevas técnicas que ayuden a proporcionar WCET más precisos de forma segura y automatizada. En esta Tesis se profundiza en la investigación referente al análisis probabilístico de tiempo de ejecución basado en medidas (abreviado en inglés MBPTA), cuyas primeras implementaciones muestran potencial para obtener un WCET preciso y certero en tareas ejecutadas en sistemas complejos. Primero, se propone una metodología para certificar que todas las distribuciones de la memoria caché, una de las estructuras más complejas de los CRTES, han sido contabilizadas adecuadamente durante el proceso de estimación del WCET. Segundo, se expone una solución para conseguir a la vez representatividad en la memoria caché y cobertura total en caminos críticos del programa. Dicha solución garantiza que la estimación WCET obtenida es válida para todos los caminos de ejecución, independientemente de como el código y los datos se guardan en la memoria caché. Finalmente, se analizan y discuten los mayores malentendidos y obstáculos que pueden prevenir la aplicabilidad del análisis de WCET basado en la teoría de valores extremos, la cual forma parte del MBPTA.Postprint (published version

Design and Implementation of a Time Predictable Processor: Evaluation With a Space Case Study

Embedded real-time systems like those found in automotive, rail and aerospace, steadily require higher levels of guaranteed computing performance (and hence time predictability) motivated by the increasing number of functionalities provided by software. However, high-performance processor design is driven by the average-performance needs of mainstream market. To make things worse, changing those designs is hard since the embedded real-time market is comparatively a small market. A path to address this mismatch is designing low-complexity hardware features that favor time predictability and can be enabled/disabled not to affect average performance when performance guarantees are not required. In this line, we present the lessons learned designing and implementing LEOPARD, a four-core processor facilitating measurement-based timing analysis (widely used in most domains). LEOPARD has been designed adding low-overhead hardware mechanisms to a LEON3 processor baseline that allow capturing the impact of jittery resources (i.e. with variable latency) in the measurements performed at analysis time. In particular, at core level we handle the jitter of caches, TLBs and variable-latency floating point units; and at the chip level, we deal with contention so that time-composable timing guarantees can be obtained. The result of our applied study with a Space application shows how per-resource jitter is controlled facilitating the computation of high-quality WCET estimates

Cache Related Pre-emption Delays in Embedded Real-Time Systems

Real-time systems are subject to stringent deadlines which make their temporal behaviour just as important as their functional behaviour. In multi-tasking real-time systems, the execution time of each task must be determined, and then combined together with information about the scheduling policy to ensure that there are enough resources to schedule all of the tasks. This is usually achieved by performing timing analysis on the individual tasks, and then schedulability analysis on the system as a whole. In systems with cache, multiple tasks can share this common resource which can lead to cache-related pre-emption delays (CRPD) being introduced. CRPD is the additional cost incurred from resuming a pre-empted task that no longer has the instructions or data it was using in cache, because the pre-empting task(s) evicted them from cache. It is therefore important to be able to account for CRPD when performing schedulability analysis. This thesis focuses on the effects of CRPD on a single processor system, further expanding our understanding of CRPD and ability to analyse and optimise for it. We present new CRPD analysis for Earliest Deadline First (EDF) scheduling that significantly outperforms existing analysis, and then perform the first comparison between Fixed Priority (FP) and EDF accounting for CRPD. In this comparison, we explore the effects of CRPD across a wide range of system and taskset parameters. We introduce a new task layout optimisation technique that maximises system schedulability via reduced CRPD. Finally, we extend CRPD analysis to hierarchical systems, allowing the effects of cache when scheduling multiple independent applications on a single processor to be analysed