Définition et utilisation de traces issues de plateformes virtuelles pour le débogage des MPSoCs

par Marcos Cunha Pinto

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Frédéric Pétrot.

Le président du jury était Tanguy Risset.

Le jury était composé de Miguel Santana.

Les rapporteurs étaient Sébastien Pillement, Abdoulaye El Hadji Gamatié.


  • Résumé

    La complexité croissante des systèmes multiprocesseurs sur puce (MPSoC) rend la vie plus difficile aux ingénieurs à cause des bugs et des inefficacités qui peuvent avoir un très large éventail de sources. L'interaction matériel / logiciel peut être l'une de ces sources, dont l'identification précoce et la résolution doivent être une priorité pour l'intégration rapide du système. Ainsi, en raison du grand nombre d'entrelacements d'exécution possibles, reproduire les conditions d'apparition d'une erreur ou d'un problème de performance est très difficile. Une approche de ce problème consiste à tracer une exécution et exploiter cette trace en faisant des analyses postérieures. L'obtention de traces à partir de vrai matériel va à l'encontre du processus de développement récent, désormais largement adoptés par l'industrie et l'académie, qui repose sur la simulation pour anticiper l'intégration matériel / logiciel. De nombreux systèmes multi-cœurs sur puce ont tendance à avoir des hiérarchies mémoire spécifiques, pour rendre le matériel plus simple et prévisible, au prix de voir percoler les contraintes matérielles vers les niveaux élevés de la pile logicielle. Malgré les efforts des ingénieurs, il est difficile d'assurer que toutes les mesures de prévention sont prises pour assurer une propriété donnée, comme l’absence de course lors de l'accès aux variables partagées ou la cohérence des données. Dans ce contexte, le processus de débogage est particulièrement pénible car il implique d'analyser des flux d'exécution parallèles. L'exécution d'un programme à plusieurs reprises est une partie intégrale du processus de débogage classique, mais le non-déterminisme du fait de l'exécution en parallèle conduit souvent à différents chemins d'exécution et donc des comportements différents.Cette thèse détaille les défis et les enjeux derrière la production et l'exploitation des traces "bien formés" dans un environnement de prototypage virtuel qui utilise la traduction binaire dynamique comme technique de simulation des processeurs. Ces traces contiennent des relations de causalité entre les événements qui permettent, d'une part, de simplifier l'analyse et, d'autre part, d'éviter de faire confiance à des horloges globales pour synchroniser les événements. Nous proposons un formalisme de définition des traces et détaillons sa mise en œuvre qui permet de rester non-intrusif aussi bien du point de vue matériel que logiciel. Nous utilisons ces traces pour aider à identifier et corriger les bugs sur les plateformes qui ont multiple cœurs. Nous présentons tout d'abord une méthode pour identifier les violations potentielles de cohérence de cache dans des plates-formes possédant des caches mais qui n'ont pas de matériel garantissant leur cohérence. Notre méthode identifie des violations potentielles qui peuvent apparaître au cours d'une exécution donnée en analysant les traces pour les deux stratégies d’écritures de cache: "write-through" et "write-back". Finalement, Nous nous intéressons à la simplification du processus de débogage des logiciels exécutés en parallèle sur MPSoC en utilisant les traces. Dans cet objectif, nous proposons un processus de débogage qui rejoue une exécution fautive en utilisant des traces. Nous détaillons une stratégie pour fournir des fonctionnalités d'exécution inverse pour éviter des temps de simulation élevé pendant une session de débogage.Nous avons mené des expériences en utilisant des applications parallèles s'exécutant sur acs{MPSoC} pour quantifier notre proposition et montrer que l'ensemble des stratégies d'analyse et de débogage complexes peuvent être mis en œvre par des traces, conduisant ainsi à des résultats déterministes en moins de temps que la simulation seule.

  • Titre traduit

    Defining and using virtual platforms traces captured for debugging MPSoCs


  • Résumé

    The increasing complexity of Multiprocessor System on Chip (MPSoC) makes the engineers' life harder as bugs and inefficiencies can have a very broad range of sources. Hardware/software interactions can be one of these sources, their early identification and resolution being a priority for rapid system integration. Thus, due to the huge number of possible execution interleavings, reproducing the conditions of occurrence of a given error/performance issue is very difficult. One solution to this problem consists of tracing an execution for later analysis. Obtaining the traces from real platforms goes against the recent development processes, now broadly adopted by industry and academy, which rely on simulation to anticipate hardware/software integration. Multi/many core systems on chip tend to have specific memory hierarchies, to make the hardware simpler and predictable, at the cost of having the hardware percolate towards the high levels of the software stack. Despite the developers efforts, it is hard to make sure all preventive measures are taken to ensure a given property, such as lack of race conditions or data coherency. In this context, the debugging process is particularly tedious as it involves analyzing parallel execution flows. Executing a program many times is an integral part of the process in conventional debugging, but the non-determinism due to parallel execution often leads to different execution paths and different behaviors.This thesis details the challenges and issues behind the production and exploitation of "well formed" traces in a transaction accurate virtual prototyping environment that uses dynamic binary translation as processor simulation technology. These traces contain causality relations among events, which allow firstly to simplify the analysis, and secondly to avoid relying on timestamps. We propose a formalism to define the traces and detail an implementation to produce them in a non-intrusive manner. We use these traces to help identify and correct bugs on multi/many-core platforms. We firstly introduce a method to identify the potential cache coherence violations in non-cache-coherent platforms. Our method identifies potential violations which may occur during a given execution for write-through and write-back cache policies by analyzing the traces.We secondly focus on easing the debugging process of parallel software running on MPSoC using traces. To that aim, we propose a debugging process which replays a faulty execution using traces. We detail a strategy for providing forward and reverse execution features to avoid long simulation times during a debug session.We conducted experiments on MPSoC using parallel applications to quantify our proposal, and overall show that complex analysis and debug strategies can be implemented over traces, leading to deterministic results in shorter time than simulation alone.


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