Cœur de calcul efficace, prédictible et composable pour les systèmes temps-réel critiques

Efficient, predictable, and composable core for time-critical systems

• Auteur / Autrice : Alban Gruin
• Direction : Pascal Sainrat, Thomas Carle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et télécommunications
• Date : Soutenance le 03/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université Toulouse 3 Paul Sabatier (1969-2024)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Bodeveix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Maiza
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Angeliki Kritikakou, Frédéric Pétrot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Architecture des ordinateurs

Temps réel (informatique)

Analyse Pire Cas

Mots clés libres

WCET

Architecture des ordinateurs

Systèmes temps-réel

Anomalies temporelles

WCET

Computer architecture

Real-time systems

Timing anomalies

Résumé

Les systèmes temps-réel sont un type de systèmes informatiques dans lesquels la notion de temps a son importance au-delà de la seule fonctionnalité. Dans cette catégorie, les systèmes temps-réel stricts sont soumis à des contraintes temporelles fortes. Ils sont généralement des systèmes critiques : leur incapacité à compléter une tâche en un temps donné peut entraîner des conséquences graves pour le système en lui-même, ses opérateurs, ou les personnes dépendant de son bon fonctionnement. Pour s'assurer du respect des contraintes temporelles par l'application, il est généralement fait recours au calcul de leur pire temps d'exécution (WCET). Cette analyse dépend de la plateforme matérielle sous-jacente. Les besoins grandissants de ces applications demandent des systèmes matériels de plus en plus performants. Cependant, ces systèmes sont généralement plus complexes, et rendent le calcul du WCET de plus en plus difficile. Parmi les difficultés rencontrées, on trouve les anomalies temporelles, des situations où un meilleur cas local (calculé sur une petite portion d'un programme) peut amener au pire cas pour l'ensemble du programme. Cela demande aux outils d'analyse de considérer toutes les situations possibles lorsque l'état du matériel n'est pas connu avec certitude. Cette énumération est combinatoire ; elle est donc possible sur des systèmes matériels simples tels que les plateformes mono-cœur, mais pas aussi complexes que les multi-cœurs. Plusieurs axes de recherche se sont développés autour de cette problématique : l'amélioration des techniques et des outils de calcul de pire temps d'exécution, que ce soit au travers de l'interprétation abstraite ou de l'analyse probabiliste ; l'ordonnancement des tâches exécutées par le système de manière à réduire le risque d'interférences ; ou la conception de processeurs spécialisés, soit donnant la main sur leur comportement temporel, ne souffrant pas d'anomalies temporelles. Les contributions présentées dans cette thèse s'inscrivent dans ce dernier axe, au travers du design de processeurs prédictibles, de la modélisation et de la démonstration de propriétés temporelles à l'aide d'un assistant de preuves et de la vérification de tels modèles par simulation.

Real-time systems are a type of computer systems in which the notion of time is as important as functionality. In this category, strict real-time systems are subject to strong time constraints. They are generally mission-critical systems: their inability to complete a task in a given time can have serious consequences for the system itself, its operators, or the people dependent on its smooth operation. To ensure that the application complies with time constraints, a general solution is to compute the worst-case execution time (WCET). This analysis depends on the underlying hardware platform. The growing needs of these applications require increasingly powerful hardware systems. However, these systems are generally more complex, making it increasingly difficult to calculate the WCET. Among the difficulties encountered are timing anomalies, situations where a local best case (calculated on a small portion of a program) can lead to the worst case for the whole program. This requires the analysis tools to consider all possible situations when the state of the hardware is not known with certainty. This enumeration is combinatorial; it is therefore possible on simple hardware systems such as single-core platforms, but not on more complex systems such as multi-core platforms. Several lines of research have been developed around this problem: the improvement of techniques and tools for calculating the worst-case execution time, whether through abstract interpretation or probabilistic analysis; the scheduling of tasks executed by the system so as to reduce the risk of interference; or the design of specialised processors, either giving control over their temporal behaviour, or not suffering from timing anomalies. The contributions presented in this thesis fall into the latter category, through the design of predictable processor architectures, the modeling and proof of temporal properties using a proof assistant, and the verification of such models by the means of simulation.