[논문 리뷰] A WCET-aware cache coloring technique for reducing interference in real-time systems

Fabien Bouquillon, Clément Ballabriga외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 22.

Real-Time Systems Scheduling참고 문헌 5인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 실시간 시스템에서 상호 작업 간 캐시 간섭을 최소화하기 위해 정수선형계획법(ILP)과 휴리스틱 기법을 활용한 WCET 인지 캐시 컬러링 기법을 제안한다. 작업별 최악실행시간(WCET) 요구사항을 기반으로 가상 메모리 페이지를 물리적 캐시 색상에 지능적으로 할당함으로써, 랜덤 분할 대비 최대 20%까지 스케줄 가능성 향상을 이룬다. 특히 제약이 엄격하고 고도로 활용되는 환경에서 유의미한 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

The predictability of a system is the condition to give saferbound on worst case execution timeof real-time tasks which are running on it. Commercial off-the-shelf(COTS) processors are in-creasingly used in embedded systems and contain shared cache memory. This component hasa hard predictable behavior because its state depends of theexecution history of the systems.To increase predictability of COTS component we use cache coloring, a technique widely usedto partition cache memory. Our main contribution is a WCET aware heuristic which parti-tion task according to the needs of each task. Our experiments are made with CPLEX an ILPsolver with random tasks set generated running on preemptive system scheduled with earliestdeadline first(EDF).

연구 동기 및 목표

• 공유 캐시를 가진 다중코어 실시간 시스템에서 상호 작업 간 캐시 간섭을 줄이기 위해.
• 작업별 캐시 접근 패턴을 고려해 최악실행시간(WCET) 예측 가능성을 향상시키기 위해.
• 시간 제약 조건을 준수하면서 간섭을 최소화하는 캐시 분할 전략을 개발하기 위해.
• 세트-연결 캐시에서 상호 작업 간 갈등과 내부 작업 간 갈등 간의 트레이드오프를 탐색하기 위해.
• EDF 스케줄링 하에서 ILP 기반 및 휴리스틱 기반 캐시 컬러링의 효과성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 상호의존적인 객체 값이 있는 다중선택 배낭문제의 변종으로 캐시 컬러링을 모델링하기 위해 정수선형계획법(ILP)을 사용한다.
• 작업 시간 제약 조건을 준수하면서 WCET를 최소화하는 캐시 컬러링 구성 탐색을 위한 휴리스틱 기반 접근법을 적용한다.
• 비critical 페이지보다 중요도가 높은 페이지를 우선순위로 고려하기 위해 작업별 WCET 추정치를 컬러링 과정에 통합한다.
• 최적의 구성은 ILP로, 확장성은 휴리스틱으로 확보하는 하이브리드 접근법을 활용한다.
• 제약이 있는 디드라인과 함께 EDF 스케줄링을 사용하고, 합성 작업 집합에서 성능을 평가한다.
• 세 가지 휴리스틱 기법(랜덤, 연방형, 공정한 컬러링)을 평가하며, 공정한 컬러링이 가장 뛰어난 성능을 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선점형 실시간 시스템에서 상호 작업 간 간섭을 줄이기 위해 캐시 컬러링을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 고도로 활용되는 환경에서 다양한 페이지 컬러링 휴리스틱 기법이 시스템 스케줄 가능성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 WCET 인지 캐시 분할 전략은 랜덤 또는 고정 분할 전략에 비해 스케줄 가능성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 ILP 기반 최적화는 캐시 활용도 향상과 간섭 감소에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 캐시 컬러링에서 성능과 복잡도 사이의 최적 트레이드오프를 제공하는 휴리스틱은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 ILP 기반 방법은 랜덤 캐시 분할 대비 스케줄 가능 작업 집합 비율을 최대 20% 향상시킨다.
• 공정한 컬러링 휴리스틱은 내부 작업 간 캐시 충돌과 캐시에서의 내보내짐을 줄여 랜덤 및 연방형 휴리스틱보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 제약이 엄격하고 고도로 활용되는 환경에서 공정한 컬러링 휴리스틱이 가장 높은 스케줄 가능성 비율을 달성한다.
• 공정한 컬러링 휴리스틱을 사용할 경우 사용된 캐시 분할 수가 최소화되어 더 나은 자원 활용도를 나타낸다.
• ILP 접근법과 휴리스틱 기법의 조합은 WCET 예측 가능성을 유지하면서도 상호 작업 간 간섭을 효과적으로 줄인다.
• 결과적으로 작업별 WCET 인지 컬러링 기법이 다중코어 실시간 시스템의 예측 가능성과 스케줄 가능성 향상에 크게 기여한다.