A time-predictable many-core processor design for critical real-time embedded systems
Authors:   , Panić Miloš 
Published: July 2023

Critical Real-Time Embedded Systems (CRTES) are in charge of controlling fundamental parts of embedded system, e.g. energy harvesting solar panels in satellites, steering and breaking in cars, or flight management systems in airplanes. To do so, CRTES require strong evidence of correct functional and timing behavior. The former guarantees that the system operates correctly in response of its inputs; the latter ensures that its operations are performed within a predefined time budget.

CRTES aim at increasing the number and complexity of functions. Examples include the incorporation of \smarter" Advanced Driver Assistance System (ADAS) functionality in modern cars or advanced collision avoidance systems in Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). All these new features, implemented in software, lead to an exponential growth in both performance requirements and software development complexity. Furthermore, there is a strong need to integrate multiple functions into the same computing platform to reduce the number of processing units, mass and space requirements, etc. Overall, there is a clear need to increase the computing power of current CRTES in order to support new sophisticated and complex functionality, and integrate multiple systems into a single platform.

The use of multi- and many-core processor architectures is increasingly seen in the CRTES industry as the solution to cope with the performance demand and cost constraints of future CRTES. Many-cores supply higher performance by exploiting the parallelism of applications while providing a better performance per watt as cores are maintained simpler with respect to complex single-core processors. Moreover, the parallelization capabilities allow scheduling multiple functions into the same processor, maximizing the hardware utilization.

However, the use of multi- and many-cores in CRTES also brings a number of challenges related to provide evidence about the correct operation of the system, especially in the timing domain. Hence, despite the advantages of many-cores and the fact that they are nowadays a reality in the embedded domain (e.g. Kalray MPPA, Freescale NXP P4080, TI Keystone II), their use in CRTES still requires finding efficient ways of providing reliable evidence about the correct operation of the system.

This thesis investigates the use of many-core processors in CRTES as a means to satisfy performance demands of future complex applications while providing the necessary timing guarantees. To do so, this thesis contributes to advance the state-of-the-art towards the exploitation of parallel capabilities of many-cores in CRTES contributing in two different computing domains. From the hardware domain, this thesis proposes new many-core designs that enable deriving reliable and tight timing guarantees. From the software domain, we present efficient scheduling and timing analysis techniques to exploit the parallelization capabilities of many-core architectures and to derive tight and trustworthy Worst-Case Execution Time (WCET) estimates of CRTES.

Los sistemas críticos empotrados de tiempo real (en ingles Critical Real-Time Embedded Systems, CRTES) se encargan de controlar partes fundamentales de los sistemas integrados, e.g. obtención de la energía de los paneles solares en satélites, la dirección y frenado en automóviles, o el control de vuelo en aviones. Para hacerlo, CRTES requieren fuerte evidencias del correcto comportamiento funcional y temporal. El primero garantiza que el sistema funciona correctamente en respuesta de sus entradas; el último asegura que sus operaciones se realizan dentro de unos limites temporales establecidos previamente. El objetivo de los CRTES es aumentar el número y la complejidad de las funciones. Algunos ejemplos incluyen los sistemas inteligentes de asistencia a la conducción en automóviles modernos o los sistemas avanzados de prevención de colisiones en vehiculos aereos no tripulados. Todas estas nuevas características, implementadas en software,conducen a un crecimiento exponencial tanto en los requerimientos de rendimiento como en la complejidad de desarrollo de software. Además, existe una gran necesidad de integrar múltiples funciones en una sóla plataforma para así reducir el número de unidades de procesamiento, cumplir con requisitos de peso y espacio, etc. En general, hay una clara necesidad de aumentar la potencia de cómputo de los actuales CRTES para soportar nueva funcionalidades sofisticadas y complejas e integrar múltiples sistemas en una sola plataforma. El uso de arquitecturas multi- y many-core se ve cada vez más en la industria CRTES como la solución para hacer frente a la demanda de mayor rendimiento y las limitaciones de costes de los futuros CRTES. Las arquitecturas many-core proporcionan un mayor rendimiento explotando el paralelismo de aplicaciones al tiempo que proporciona un mejor rendimiento por vatio ya que los cores se mantienen más simples con respecto a complejos procesadores de un solo core. Además, las capacidades de paralelización permiten programar múltiples funciones en el mismo procesador, maximizando la utilización del hardware. Sin embargo, el uso de multi- y many-core en CRTES también acarrea ciertos desafíos relacionados con la aportación de evidencias sobre el correcto funcionamiento del sistema, especialmente en el ámbito temporal. Por eso, a pesar de las ventajas de los procesadores many-core y del hecho de que éstos son una realidad en los sitemas integrados (por ejemplo Kalray MPPA, Freescale NXP P4080, TI Keystone II), su uso en CRTES aún precisa de la búsqueda de métodos eficientes para proveer evidencias fiables sobre el correcto funcionamiento del sistema. Esta tesis ahonda en el uso de procesadores many-core en CRTES como un medio para satisfacer los requisitos de rendimiento de aplicaciones complejas mientras proveen las garantías de tiempo necesarias. Para ello, esta tesis contribuye en el avance del estado del arte hacia la explotación de many-cores en CRTES en dos ámbitos de la computación. En el ámbito del hardware, esta tesis propone nuevos diseños many-core que posibilitan garantías de tiempo fiables y precisas. En el ámbito del software, la tesis presenta técnicas eficientes para la planificación de tareas y el análisis de tiempo para aprovechar las capacidades de paralelización en arquitecturas many-core, y también para derivar estimaciones de peor tiempo de ejecución (Worst-Case Execution Time, WCET) fiables y precisas.