On the limits of probabilistic timing analysis
Authors:   , Milutinovic Suzana 
Published: July 2023

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.