Improving time predictability of shared hardware resources in real-time multicore systems : emphasis on the space domain
Authors:   , Jalle Ibarra Javier 
Published: July 2023

Critical Real-Time Embedded Systems (CRTES) follow a verification and validation process on the timing and functional correctness. This process includes the timing analysis that provides Worst-Case Execution Time (WCET) estimates to provide evidence that the execution time of the system, or parts of it, remain within the deadlines. A key design principle for CRTES is the incremental qualification, whereby each software component can be subject to verification and validation independently of any other component, with obvious benefits for cost. At timing level, this requires time composability, such that the timing behavior of a function is not affected by other functions. CRTES are experiencing an unprecedented growth with rising performance demands that have motivated the use of multicore architectures. Multicores can provide the performance required and bring the potential of integrating several software functions onto the same hardware. However, multicore contention in the access to shared hardware resources creates a dependence of the execution time of a task with the rest of the tasks running simultaneously. This dependence threatens time predictability and jeopardizes time composability. In this thesis we analyze and propose hardware solutions to be applied on current multicore designs for CRTES to improve time predictability and time composability, focusing on the on-chip bus and the memory controller. At hardware level, we propose new bus and memory controller designs that control and mitigate contention between different cores and allow to have time composability by design, also in the context of mixed-criticality systems. At analysis level, we propose contention prediction models that factor the impact of contenders and don¿t need modifications to the hardware. We also propose a set of Performance Monitoring Counters (PMC) that provide evidence about the contention. We give an special emphasis on the Space domain focusing on the Cobham Gaisler NGMP multicore processor, which is currently assessed by the European Space Agency for its future missions.

Los Sistemas Críticos Empotrados de Tiempo Real (CRTES) siguen un proceso de verificación y validación para su correctitud funcional y temporal. Este proceso incluye el análisis temporal que proporciona estimaciones de el peor caso del tiempo de ejecución (WCET) para dar evidencia de que el tiempo de ejecución del sistema, o partes de él, permanecen dentro de los límites temporales. Un principio de diseño clave para los CRTES es la cualificación incremental, por la que cada componente de software puede ser verificado y validado independientemente del resto de componentes, con beneficios obvios para el coste. A nivel temporal, esto requiere composabilidad temporal, por la que el comportamiento temporal de una función no se ve afectado por otras funciones. CRTES están experimentando un crecimiento sin precedentes con crecientes demandas de rendimiento que han motivado el uso the arquitecturas multi-núcleo (multicore). Los procesadores multi-núcleo pueden proporcionar el rendimiento requerido y tienen el potencial de integrar varias funcionalidades software en el mismo hardware. A pesar de ello, la interferencia entre los diferentes núcleos que aparece en los recursos compartidos de os procesadores multi núcleo crea una dependencia del tiempo de ejecución de una tarea con el resto de tareas ejecutándose simultáneamente en el procesador. Esta dependencia amenaza la predictabilidad temporal y compromete la composabilidad temporal. En esta tésis analizamos y proponemos soluciones hardware para ser aplicadas en los diseños multi núcleo actuales para CRTES que mejoran la predictabilidad y composabilidad temporal, centrándose en el bus y el controlador de memoria internos al chip. A nivel de hardware, proponemos nuevos diseños de buses y controladores de memoria que controlan y mitigan la interferencia entre los diferentes núcleos y permiten tener composabilidad temporal por diseño, también en el contexto de sistemas de criticalidad mixta. A nivel de análisis, proponemos modelos de predicción de la interferencia que factorizan el impacto de los núcleos y no necesitan modificaciones hardware. También proponemos un conjunto de Contadores de Control del Rendimiento (PMC) que proporcionoan evidencia de la interferencia. En esta tésis, damós especial importancia al dominio espacial, centrándonos en el procesador mutli núcleo Cobham Gaisler NGMP, que está siendo actualmente evaluado por la Agencia Espacial Europea para sus futuras misiones.