[論文レビュー] Mixed-criticality Scheduling with Dynamic Redistribution of Shared Cache

Muhammad Ali Awan, Konstantinos Bletsas+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2017

Real-Time Systems Scheduling参考文献 4被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、モード遷移時に低信頼性タスクから高信頼性タスクへキャッシュリソースを再割り当てすることで、キャッシュに配慮したスケジューリングを通じてスケジュール可能性を向上させる、混合信頼性マルチコアシステムにおける動的キャッシュ再分配メカニズムを提案する。パーティショニングEDFとデッドラインスケーリングを組み合わせたベスタルの混合信頼性モデルに動的キャッシュ再割り当てを統合することで、静的割り当てと比較して重み付きスケジュール可能性において最大30.59%の相対的改善を達成した。特に、キャッシュ感受性が高く、リソースが限られた状況で顕著な効果を示した。

ABSTRACT

The design of mixed-criticality systems often involvespainful tradeoffs between safety guarantees and performance.However, the use of more detailed architectural modelsin the design and analysis of scheduling arrangements for mixedcriticalitysystems can provide greater confidence in the analysis,but also opportunities for better performance. Motivated by thisview, we propose an extension of Vestal 19s model for mixedcriticalitymulticore systems that (i) accounts for the per-taskpartitioning of the last-level cache and (ii) supports the dynamicreassignment, for better schedulability, of cache portions initiallyreserved for lower-criticality tasks to the higher-criticalitytasks, when the system switches to high-criticality mode. Tothis model, we apply partitioned EDF scheduling with Ekbergand Yi 19s deadline-scaling technique. Our schedulability analysisand scalefactor calculation is cognisant of the cache resourcesassigned to each task, by using WCET estimates that take intoaccount these resources. It is hence able to leverage the dynamicreconfiguration of the cache partitioning, at mode change, forbetter performance, in terms of provable schedulability. We alsopropose heuristics for partitioning the cache in low- and highcriticalitymode, that promote schedulability. Our experimentswith synthetic task sets, indicate tangible improvements inschedulability compared to a baseline cache-aware arrangementwhere there is no redistribution of cache resources from low- tohigh-criticality tasks in the event of a mode change.

研究の動機と目的

• 詳細なアーキテクチャモデルを組み込むことで、混合信頼性リアルタイムシステムにおける安全性の保証と性能のトレードオフを解消すること。
• モード遷移時に低信頼性タスクから共有最後レベルキャッシュリソースを動的に再割り当てすることで、高信頼性タスクのスケジュール可能性を向上させること。
• 動的キャッシュパーティショニングとその最悪実行時間（WCET）推定への影響を考慮したスケジュール可能性解析を構築すること。
• 合成タスクセットにおける静的キャッシュ割り当てと比較して、動的キャッシュ再分配の性能向上を評価すること。
• スケジュール可能性を最大化するために、低信頼性および高信頼性モードの両方における効率的なヒューリスティクスによるキャッシュパーティショニングを提案すること。

提案手法

• ベスタルの混合信頼性モデルを拡張し、タスクごとのキャッシュパーティショニングとモードスイッチ時の最後レベルキャッシュの動的再割り当てを導入する。
• 動的キャッシュ再構成に対してもスケジュール可能性を保証するため、エクベルグとイーのデッドラインスケーリング技術を適用したパーティショニングEDFスケジューリングを採用する。
• 割り当てられたキャッシュリソースに依存するWCET推定を用いることで、低信頼性および高信頼性モード下でのタスク実行時間の正確な解析を可能にする。
• 低信頼性モードにおける初期キャッシュ割り当てをILPベースの最適化で行い、Lモードの利用度を最小化するためのヒューリスティクスを採用する。
• 高信頼性モードに遷移した際に、低信頼性タスクからキャッシュページを回収し、高信頼性タスクに再割り当てる動的再割り当て戦略を導入する。
• 動的キャッシュ再割り当てを考慮した新しいスケジュール可能性テスト（Manberg）を提案し、静的割り当てのベンチマークを上回る性能を発揮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共有最後レベルキャッシュの動的再分配は、混合信頼性システムにおける高信頼性タスクのスケジュール可能性を向上させることができるか？
• RQ2 動的リソース再割り当てを伴うキャッシュに配慮したスケジュール可能性解析は、静的キャッシュ割り当てと比較して、保証可能なスケジュール可能性においてどのように差がつくか？
• RQ3 タスクのWCETがキャッシュ割り当てに敏感である場合、動的再分配の性能向上にどのような影響を与えるか？
• RQ4 ヒューリスティクスに基づく低信頼性および高信頼性モードにおけるキャッシュパーティショニング戦略は、スケジュール可能性を最大化するためにどれほど効果的か？
• RQ5 動的キャッシュ再割り当ては、WCET推定における楽観的評価（pessimism）をどれほど軽減し、システムの利用度を向上させるか？

主な発見

• 提案された動的キャッシュ再分配手法（Manberg）は、動的再割り当てを想定しないV-Ekbベースラインと比較して、重み付きスケジュール可能性において最大30.59%の相対的改善を達成した。
• さまざまな実験的構成において、重み付きスケジュール可能性の絶対的改善は1.36%から3.64%の範囲にあり、WCETがキャッシュ割り当てに強く依存する場合に最大の恩恵が得られた。
• 高信頼性WCETと低信頼性WCETの比（$C_i^H / C_i^L$）が高い場合、相対的改善は最大27.13%にまで上昇し、特に処理が困難なモード遷移において大きな利点を示した。
• Lモード利用度を最小化するヒューリスティクスは、最適なILPソリューションとほぼ同等の性能を示し、N-EkbとV-Ekbの曲線はほぼ一致した。これにより、ヒューリスティクスの有効性が裏付けられた。
• リソースが限られた状況と高いキャッシュ感受性が共に存在する条件下で、相対的改善は最大30.59%に達した。
• 高いタスクセット利用度の状況でも、動的アプローチは強固な性能を維持しており、ManbergテストはV-Ekbベースラインよりも最適なILP曲線に近い位置に位置していた。