Définitions et procédures de détection des anomalies temporelles pour la vérification formelle de la prédictibilité des systèmes temps-réel

Definitions and Detection Procedures of Timing Anomalies for the Formal Verification of Predictability in Real-Time Systems

• Auteur / Autrice : Benjamin Binder
• Direction : Mathieu Jan, Mihail Asavoae, Belgacem Ben Hedia, Florian Brandner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'intégration des systèmes et des technologies (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2001-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Informatique et sciences du numérique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Alain Finkel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Rochange, Stephan Merz, Claire Pagetti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Rochange, Stephan Merz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthodes formelles (informatique)

Vérification de modèles (informatique)

Microprocesseurs

Architecture des ordinateurs

Analyse temporelle

Temps réel (informatique)

Mots clés libres

Anomalies temporelles

Systèmes temps-réel

Vérification formelle

Vérification de modèles

Pipeline out-of-order

TriCore

Timing anomalies

Real-time systems

Formal verification

Model checking

Out-of-order pipeline

TriCore

Résumé

Les systèmes temps-réel sont souvent validés par des analyses temporelles, qui sont mises en péril par des anomalies temporelles (AT). Une AT contre-intuitive a lieu quand une accélération locale conduit à un ralentissement global, et une AT d'amplification, quand un ralentissement local entraîne un ralentissement encore plus grand.Alors que les AT contre-intuitives menacent le bien-fondé ou la flexibilité des analyses, il n'existe pas d'outils pour les détecter de manière systématique. Nous proposons une structure formelle unifiée pour évaluer les définitions des AT, concluant au manque d'une définition pratique, principalement dû à l'absence de relations entre les effets temporels locaux et globaux. Nous y répondons par la causalité, que nous utilisons pour revoir la formalisation de ces AT. Nous proposons aussi une instance des notions spécialisée pour les pipelines out-of-order. Nous évaluons notre procédure de détection subséquente sur des exemples illustratifs et bancs de tests, montrant qu'elle permet de capturer précisément les AT.La complexité des systèmes exige que leurs analyses gèrent l'important espace d'états résultant. Une solution est de réaliser des analyses compositionnelles, précisément menacées par les AT d'amplification. Nous faisons progresser leur étude en montrant comment une abstraction spécialisée peut être adaptée pour un processeur industriel, en modélisant les caractéristiques temporelles clés avec des réductions appropriées. Nous illustrons aussi à partir de cette classe d'AT comment des stratégies de vérification peuvent être utilisées en vue de l'obtention de motifs d'AT.

The timing behavior of real-time systems is often validated through timing analyses, which are yet jeopardized by execution phenomena called timing anomalies (TAs). A counter-intuitive TA manifests when a local speedup eventually leads to a global slowdown, and an amplification TA, when a local slowdown leads to an even larger global slowdown.While counter-intuitive TAs threaten the soundness/scalability of timing analyses, tools to systematically detect them do not exist. We set up a unified formal framework for systematically assessing the definitions of TAs, concluding the lack of a practical definition, mainly due to the absence of relations between local and global timing effects. We address these relations through the causality, which we further use to revise the formalization of these TAs. We also propose a specialized instance of the notions for out-of-order pipelines. We evaluate our subsequent detection procedure on illustrative examples and standard benchmarks, showing that it allows accurately capturing TAs.The complexity of the systems demands that their timing analyses be able to cope with the large resulting state space. A solution is to perform compositional analyses, specifically threatened by amplification TAs. We advance their study by showing how a specialized abstraction can be adapted for an industrial processor, by modeling the timing-relevant features of such a hardware with appropriate reductions. We also illustrate from this class of TAs how verification strategies can be used towards the obtainment of TA patterns.