Modèle de calcul et d'exécution pour des applications flots de données dynamiques avec contraintes temps réel

par Xuan Khanh Do

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Albert Cohen et de Stéphane Louise.

Soutenue le 17-10-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Laboratoire d'Intégration des Systèmes et des Technologies (laboratoire) .

Le jury était composé de Alix Munier, Frédéric Blanc.

Les rapporteurs étaient Marco Mattavelli, Marco Bekooji.


  • Résumé

    Il y a un intérêt croissant pour le développement d'applications sur les plates-formes multiprocesseurs homo- et hétérogènes en raison de l'extension de leur champ d'application et de l'apparition des puces many-core, telles que Kalray MPPA-256 (256 cœurs) ou TEGRA X1 de NVIDIA (256 GPU et 8 cœurs 64 bits CPU). Étant donné l'ampleur de ces nouveaux systèmes massivement parallèles, la mise en œuvre des applications sur ces plates-formes est difficile à cause de leur complexité, qui tend à augmenter, et de leurs exigences strictes à la fois qualitatives (robustesse, fiabilité) et quantitatives (débit, consommation d’énergie). Dans ce contexte, les Modèles de Calcul (MdC) flot de données ont été développés pour faciliter la conception de ces applications. Ces MdC sont par définition composées de filtres qui échangent des flux de données via des liens de communication. Ces modèles fournissent une représentation intuitive des applications flot de données, tout en exposant le parallélisme de tâches de l’application. En outre, ils fournissent des capacités d'analyse statique pour la vivacité et l’exécution en mémoire bornée. Cependant, de nouvelles applications de signalisation et de traitement des médias complexes présentent souvent plusieurs défis majeurs qui ne correspondent pas aux restrictions des modèles flot de données statiques classiques: 1) Comment fournir des services garantis contre des interférences inévitables qui peuvent affecter des performances temps réel ?, et 2) Comment ces langages flot de données qui sont souvent trop statiques pourraient répondre aux besoins des applications embarquées émergentes, qui nécessitent une exécution plus dynamique et plus dépendante du contexte ? Pour faire face au premier défi, nous proposons un ordonnancement hybride, nommé Self-Timed Periodic (STP), qui relie des MdC flot de données classiques et des modèles de tâches temps réel. Cet ordonnancement peut aussi être considéré comme un modèle d'exécution combinant l'ordonnancement classique dirigé seulement par les contraintes de dépendance d'exécution appelé Self-Timed Scheduling (STS), évalué comme le plus approprié pour des applications modélisées sous forme de graphes flot de données, avec l'ordonnancement périodique: STS améliore les indicateurs de performance des programmes, tandis que le modèle périodique capture les aspects de synchronisation. Nous avons évalué la performance de notre ordonnancement sur un ensemble de 10 applications et nous avons constaté que dans la plupart des cas, notre approche donne une amélioration significative de la latence par rapport à un ordonnancement purement périodique ou Strictly Periodic Scheduling (SPS), et rivalise bien avec STS. Les expériences montrent également que, pour presque tous les cas de test, STP donne un débit optimal. Sur la base de ces résultats, nous avons évalué la latence entre le temps d'initiation de tous les deux acteurs dépendants, et nous avons introduit une approche basée sur la latence pour le traitement des flux à tolérance de pannes modélisée comme un graphe Cyclo-Static Dataflow (CSDF), dans le but d'aborder des problèmes de défaillance de nœud ou de réseau…

  • Titre traduit

    A model of programming languages for dynamic real-time streaming applications


  • Résumé

    There is an increasing interest in developing applications on homo- and heterogeneous multiprocessor platforms due to their broad availability and the appearance of many-core chips, such as the MPPA-256 chip from Kalray (256 cores) or TEGRA X1 from NVIDIA (256 GPU and 8 64-bit CPU cores). Given the scale of these new massively parallel systems, programming languages based on the dataflow model of computation have strong assets in the race for productivity and scalability, meeting the requirements in terms of parallelism, functional determinism, temporal and spatial data reuse in these systems. However, new complex signal and media processing applications often display several major challenges that do not fit the classical static restrictions: 1) How to provide guaranteed services against unavoidable interferences which can affect real-time performance?, and 2) How these streaming languages which are often too static could meet the needs of emerging embedded applications, such as context- and data-dependent dynamic adaptation? To tackle the first challenge, we propose and evaluate an analytical scheduling framework that bridges classical dataflow MoCs and real-time task models. In this framework, we introduce a new scheduling policy noted Self-Timed Periodic (STP), which is an execution model combining Self-Timed scheduling (STS), considered as the most appropriate for streaming applications modeled as data-flow graphs, with periodic scheduling: STS improves the performance metrics of the programs, while the periodic model captures the timing aspects. We evaluate the performance of our scheduling policy for a set of 10 real-life streaming applications and find that in most of the cases, our approach gives a significant improvement in latency compared to the Strictly Periodic Schedule (SPS), and competes well with STS. The experiments also show that, for more than 90% of the benchmarks, STP scheduling results in optimal throughput. Based on these results, we evaluate the latency between initiation times of any two dependent actors, and we introduce a latency-based approach for fault-tolerant stream processing modeled as a Cyclo-Static Dataflow (CSDF) graph, addressing the problem of node or network failures. For the second challenge, we introduce a new dynamic Model of Computation (MoC), called Transaction Parameterized Dataflow (TPDF), extending CSDF with parametric rates and a new type of control actor, channel and port to express dynamic changes of the graph topology and time-triggered semantics. TPDF is designed to be statically analyzable regarding the essential deadlock and boundedness properties, while avoiding the aforementioned restrictions of decidable dataflow models. Moreover, we demonstrate that TPDF can be used to accurately model task timing requirements in a great variety of situations and introduce a static scheduling heuristic to map TPDF to massively parallel embedded platforms. We validate the model and associated methods using a set of realistic applications and random graphs, demonstrating significant buffer size and performance improvements (e.g., throughput) compared to state of the art models including Cyclo-Static Dataflow (CSDF) and Scenario-Aware Dataflow (SADF).


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