ISPTAP - Instruction Scratchpad Timing Analysis Program: Features and Usage

The Instruction Scratchpad Timing Analysis Program (ISPTAP) is a static timing analysis tool developed for the D-ISP (dynamic instruction scratchpad). It features the timing analysis of the CarCore and the ARM Cortex M0 processors and supports common instruction memories of embedded systems, like caches and scratchpads. In this report we describe the timing analysis tool including the timing models of the supported architectures. To validate the timing models we quantify the overestimation of the calculated WCETs compared to the measured execution times obtained from cycle-accurate processor simulators. Furthermore, we describe the usage and the configuration of the ISPTAP tool

Analysable Instruction Memories for Hard Real-Time Systems

In safety-critical embedded real-time systems the timing behaviour is of highest importance, because applications underlie timing constraints that have to be met. Otherwise the system might fail causing harm to humans, the environment, or the system itself. Therefore, such hard real-time systems have to provide timing guarantees. Since the timing behaviour of the system does not only depend on the application itself and is also determined by the particular hardware, there is a need for predictable hardware architectures, as e.g. pipelines or memories. Within this work the focus is on first level instruction memories, which have a large influence on the performance of the system. So a predictable instruction fetch guaranteed by a timing predictable instruction memory hierarchy is crucial for a design of a safety-critical real-time system. In this work the so called dynamic instruction scratchpad (D-ISP) is proposed and its impact on hard real-time systems is examined. The D-ISP features a function-based dynamic content management that ensures that the currently executed function is always contained in the scratchpad. Hence, it guarantees a predictable and instantaneous instruction fetch, once the active function is loaded. Moreover, the D-ISP eases the timing analysis of the whole system by eliminating the interferences between instruction and data memory access. For evaluation the D-ISP was verified in a cycle-accurate SystemC model and implemented into an FPGA using the hardware description language VHDL. The D-ISP was integrated into the CarCore processor, which is instruction set compatible to the Infineon TriCore, and it was used as predictable first level instruction memory of the MERASA multicore. An examination of the hardware complexity showed that the D-ISP is more hardware intense than common cache memories, but the costs are in the same order of magnitude. The advantages of the D-ISP implementation compared to a cache are the decoupling of the content and management memory structures and its minimal influence on the timing of the fetch path. To evaluate the impact of the D-ISP on the WCET estimates of the system a static timing analysis of the D-ISP and the CarCore host processor was performed. It could be shown that in comparison to other common instruction memories like caches and scratchpads with fixed content the D-ISP can provide lower WCET estimates. It can reach an up to 14% lower WCET estimate in comparison to scratchpads with fixed content and reduce the WCET estimate compared to a fully associative LRU cache by at most 29%. Furthermore, different replacement policies for the D-ISP were compared. It is shown that the FIFO replacement policy requires the lowest hardware effort, but cannot reach the WCET estimates that an LRU or a stack-based replacement policy can provide. In general the LRU policy performs best, but it cannot be implemented in hardware. The stack-based replacement policy requires up to 25% more hardware effort than the implementation of the FIFO replacement policy, but reaches similar WCET estimates as LRU. With the D-ISP a promising alternative to common first level instruction memories for safety-critical real-time systems is proposed. The performed evaluations were able to quantify the impact of the D-ISP on the hardware complexity, the WCET estimates, and the average case performance of the system.Sicherheitskritische Echtzeitsysteme unterliegen strikten Zeitschranken, die nicht überschritten werden dürfen, da es sonst zu schwerwiegenden Schäden an Menschen, Umwelt oder dem System selbst führen kann. Daher ist es entscheidend, dass die Zeitschranken des Systems garantiert eingehalten werden. Die Ermittlung von sicheren Zeitschranken erfordert die Analyse des Zeitverhaltens des Gesamtsystems, welches aus der Anwendung selbst und der verwendeten Hardware besteht. Eine präzise Bestimmung des zeitlichen Verhaltens von Hardwarekomponenten ist nur möglich, wenn diese so entwickelt wurden, dass sie ein zeitlich vorhersagbares Verhalten zeigen. Daher beschäftigt sich diese Arbeit mit der Betrachtung und Beurteilung von Befehlsspeichern bezüglich ihrer Einsetzbarkeit in Echtzeitsystemen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein dynamisches Befehlsscratchpad (D-ISP) als erste Ebene einer Speicherhierarchie entwickelt und dessen Einfluss auf das Zeitverhalten von Echtzeitsystemen untersucht. Das D-ISP verwaltet seinen Speicherinhalt autonom und auf der Basis von Funktionen. Hierzu lädt es die jeweils aktive Funktion aus dem nachgelagerten Speicher und sichert so eine vorhersagbare und unterbrechungsfreie Ausführung von Funktionen zu. Durch die Arbeitsweise des D-ISP garantiert es weiterhin eine Isolation von Befehls- und Datenspeicherzugriffen und ermöglicht so eine Vereinfachung der Analyse des Zeitverhaltens des Echtzeitsystems. Das D-ISP wurde mittels SystemC taktgenau modelliert und via VHDL in Hardware implementiert. Als Wirtsprozessor wurde der CarCore Prozessor verwendet, welcher einen Teil des Befehlssatzes des Infineon TriCore unterstützt. Weiterhin wurde das D-ISP als echtzeitfähiger Befehlsspeicher im MERASA Mehrkernprozessor eingesetzt. Eine Abschätzung des Hardwareaufwands zeigte auf, dass das D-ISP mehr Ressourcen benötigt als klassische Caches. Im Gegensatz zu Caches entkoppelt das D-ISP jedoch die Strukturen für die Verwaltung und den Inhalt des Speichers und hat nur geringen Einfluss auf das Zeitverhalten des Befehlholepfads. Zur Bewertung der Ausführungszeit im schlechtesten Fall (WCET) wurde eine statische Analyse des Zeitverhaltens des D-ISPs und anderen gängigen Befehlsspeichern, wie Caches oder Scratchpads mit fester Zuordnung, vorgenommen. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Verwendung des D-ISPs eine Reduzierung der abgeschätzten WCET um bis zu 14% bzw. 29% im Vergleich zu Scratchpads mit fester Zuordnung und Caches möglich ist. Weiterhin wurden drei verschiedene Ersetzungsstrategien für das D-ISP untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die FIFO Ersetzungsstrategie zwar mit geringsten Kosten implementiert werden kann, jedoch die Abschätzungen der WCET von LRU und einer stackbasierten Ersetzungsstrategie in der Regel unterboten werden. Im Allgemeinen ist LRU die beste Ersetzungsstrategie, eine effiziente Implementierung ist aber nicht möglich. Die stackbasierte Ersetzungsstrategie hingegen benötigt bis zu 25% mehr Ressourcen als FIFO, erreicht aber ähnliche WCET Abschätzungen wie LRU. Es konnte gezeigt werden, dass das in dieser Arbeit vorgeschlagene funktionsbasierte D-ISP Vorteile gegenüber gängigen Befehlsspeichern für Echtzeitsysteme bietet. Die hierzu durchgeführten Evaluierungen beleuchten die Themenkomplexe der Implementierungskosten, des Zeitverhaltens im schlechtesten Fall, sowie der durchschnittlichen Ausführungsleistung

The Besancon watchmaking schools

L’Histoire des écoles d’horlogerie de Besançon est inhérente à la naissance et à la continuité d’une industrie spécifique très localisée sur un territoire. Avec elles nous partons de l’ère « proto-industrielle » qui plonge ses racines dans les idéaux révolutionnaires de 1793 pour aboutir aux bouleversements technologiques de l’électronique et du « quartz » des années 1970… S’inscrivant sur la longue durée, trois « écoles » vont se succéder. Pour répondre aux attentes d’une industrie horlogère qui doit constamment faire face aux évolutions techniques, chacune à sa manière, va innover pour constituer un « corpus » original de formation qui n’est pas sans bousculer les rites et usages du temps. Si les deux premières « écoles » eurent une durée de vie limitée, la dernière entité, née en 1861 de la volonté municipale, va pendant plus d’un siècle, accompagner toute une ville (et sa région) dans sa réussite industrielle. Dès sa création, et au fur et à mesure des adaptations qu’elle a su mettre en place, par la qualité et la spécificité des formations dispensées, elle va irriguer de ses élèves toute une industrie toujours à l’affût de personnels qualifiés. Au plan national elle va diffuser le nom de Besançon comme « capitale française de l’horlogerie » en formant nombre d’horlogers-rhabilleurs tenant boutiques et autres ateliers de réparation par tout le territoire… Elle va servir de référence pour implanter dans la Cité des laboratoires de recherche et d’enseignement supérieur : un Observatoire chronométrique, une École d’ingénieurs, un Centre d’études horlogères et de développement industriel (Cétéhor)… Elle va contribuer à la diversification industrielle de la ville dans des domaines connexes à l’horlogerie, notamment dans le découpage, la micromécanique, l’appareillage et les microtechniques… Nationalisée en 1891, elle fait dès lors partie de la petite élite des Écoles Nationales Professionnelles (par assimilation), qui vont marquer le développement industriel du Pays. En 1933, quand elle intègre ses nouveaux locaux, par le nombre et l’originalité de ses filières (de l’ouvrier qualifié à l’ingénieur), par sa dotation en matériels modernes, elle est signalée comme étant le « premier établissement de l’enseignement technique » en France. Le cheminement de cette dernière école fait aussi ressortir une histoire « humaine », « prosopographique », qui met en exergue les nombreux anciens élèves qui se sont lancés avec grande réussite dans la création d’entreprises. Restés fidèles à leur école, ils ont contribué au renom et au développement de la richesse économique de la cité et de sa région… Avec ces écoles d’horlogerie, on aborde enfin l’histoire de l’Enseignement Technique en France. Pour répondre à la demande d’une industrie horlogère en pleine croissance qui déplorait les carences de l’apprentissage en atelier, elles ont été pionnières en ouvrant la voie de « la scolarisation » de la formation professionnelle. Par leurs innovations pédagogiques, et soutenues par les Anciens Élèves, elles ont su établir un lien « École-Entreprise » des plus fructueux qui marque encore la mémoire collective des Bisontins…En 1974 elle perd toute référence à l’horlogerie pour devenir le Lycée Jules Haag. Le temps de l’histoire est désormais advenu pour tenter de comprendre ce qui a fait la force et la réussite de ces « Écoles d’horlogerie » dans leur participation active, sur la durée, à la prospérité économique et industrielle d’une ville et de sa région…The history of the watchmaking schools in Besançon is part of the birth and continuous development of a specific industry in a very limited sector of the French territory. When studying those schools we start at the « protoindustrial » time with its roots in the revolutionary ideals of 1793 and end up with the technological upheavals of electronics and the « quartz » technology in the 1970s. Three « schools » followed one another over the long term. Each school aimed at satisfying the demands of a watchmakng industry confronted to rapidly changing technical evolutions ; so it innovated in its own way by creating an original « corpus » in the students training and most of the time upset the practices and common ideas of the time. If the first two « schools » had a limited lifespan, the last one created in 1861 by the town council itself has been supporting the industrial growth of the city and the surrounding region. Since its foundation it has stuck to the industrial reality by placing the emphasis on high standards and opening new specific branches whenever necessary, thus answering the needs of firms always looking for highly qualified staff. For a large number of French people Besançon became the « capital town of the watchmaking industry » thanks to the shops or repair workshops kept by Besançon-trained former students all over France… It served as a background to set up research and university laboratories in the city : Observatoire Chronométrique, Ecole d’Ingénieurs, Centre d’Etudes Horlogères et de Développement Industriel (Cétéhor)… It contributed to the industrial diversification of the town in fields related to watchmaking such as mechanical cutting, micromechanics, equipment and microtechniques. It was nationalized in 1891 and then belonged to the very small elite goup of the Professional National Schools that influenced the future industrial development of the country. In 1933 it moved into sparkling-new premises and was acknowledged as the flagship of technical education in France : it offered a large number of innovating courses ranging from the skilled worker to the engineer and was granted the latest equipments in every field. The path of this new school also enhanced a « humane » and « prosopographical » history ; it highlighted the part played by the numerous former students who created their own successful businesses. Being faithful to their old school they contributed to the renown and economic growth and prosperity of the city and its region… Beyond the local impact we must regard the history of the watchmaking schools as an important part of the history of Technical Education in France. To meet the needs of a soaring watchmaking industry they opened the way to the transfer of professional training from apprenticeship in workshops with its observed shortcomings to education in technical high schools. Their pedagogical innovations, the strong support of their former students created a vital school-business link that still lives on in the collective memory of the town inhabitants.In 1974 its name changed to Lycée Jules Haag thus losing any reference to watchmaking. Let us now try and understand the strong influence and success of those watchmaking schools, the active part they played in the economic industrial prosperity of a town and its surrounding region