[논문 리뷰] Mixed-criticality Scheduling with Dynamic Redistribution of Shared Cache

Muhammad Ali Awan, Konstantinos Bletsas외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 28.

Real-Time Systems Scheduling참고 문헌 4인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 혼합 비중심성 다중코어 시스템에서 모드 전환 시 저비중심성 작업으로부터 고비중심성 작업으로 캐시 자원을 재할당하는 동적 캐시 재분배 메커니즘을 제안한다. 캐시 인식 스케줄링을 통해 스케줄 가능성 향상이 가능하며, Vestal의 혼합 비중심성 모델에 분할된 EDF 및 마감시간 스케일링을 통합함으로써 정적 할당 대비 최대 30.59%의 상대적 스케줄 가능성 향상을 달성한다. 특히 캐시 민감도가 높거나 자원이 제한된 환경에서 유리하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 세부적인 아키텍처 모델을 통합함으로써 혼합 비중심성 실시간 시스템에서 안전성 보장과 성능 간의 상충 관계를 해결하기 위해.
• 모드 전환 시 저비중심성 작업으로부터 공유 최종 레벨 캐시 자원을 동적으로 재할당하여 고비중심성 작업의 스케줄 가능성 향상하기 위해.
• 동적 캐시 파artitioning과 worst-case execution time (WCET) 추정에 미치는 영향을 고려한 스케줄 가능성 분석을 개발하기 위해.
• 합성 작업 집합에서 정적 캐시 할당 대비 동적 캐시 재분배의 성능 향상 평가하기 위해.
• 스케줄 가능성 향상을 극대화하기 위해 저비중심성 및 고비중심성 모드에서 효율적인 히우리스틱 기반 캐시 파artitioning 전략 제안하기 위해.

제안 방법

• 모드 전환 시 작업별 캐시 파artitioning 및 최종 레벨 캐시의 동적 재할당을 포함한 Vestal의 혼합 비중심성 모델을 확장한다.
• 동적 캐시 재구성 환경에서도 스케줄 가능성 보장을 보장하기 위해 Ekberg와 Yi의 마감시간 스케일링 기법을 적용한 분할된 EDF 스케줄링을 적용한다.
• 할당된 캐시 자원에 따라 달라지는 WCET 추정치를 사용하여 저비중심성 및 고비중심성 모드에서의 작업 실행 시간 분석을 정확하게 수행한다.
• 저비중심성 모드에서의 초기 캐시 할당을 위해 ILP 기반 최적화를 활용하고, L-모드 이용률을 최소화하기 위한 히우리스틱을 적용한다.
• 고비중심성 모드 진입 시 저비중심성 작업으로부터 캐시 페이지를 회수하고 고비중심성 작업에 할당하는 동적 재할당 전략을 도입한다.
• 동적 캐시 재할당을 고려한 새로운 스케줄 가능성 테스트(Manberg)를 제안하며, 이는 정적 할당 기준 대비 뛰어난 성능을 보인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공유 최종 레벨 캐시의 동적 재분배가 혼합 비중심성 시스템에서 고비중심성 작업의 스케줄 가능성 향상에 기여하는가?
• RQ2 동적 자원 재할당을 통한 캐시 인식 스케줄 가능성 분석은 정적 캐시 할당 대비 증명 가능한 스케줄 가능성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 작업의 WCET가 캐시 할당에 민감할 경우, 동적 재분배의 성능 향상에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 저비중심성 및 고비중심성 모드에서 히우리스틱 기반 캐시 파artitioning 전략의 효율성은 스케줄 가능성 극대화에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 동적 캐시 재할당은 WCET 추정치의 비관적 성향을 얼마나 줄이고 시스템 이용률을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 제안된 동적 캐시 재분배 방법(Manberg)은 동적 재분배가 없는 V-Ekb 기준 대비 최대 30.59%의 상대적 스케줄 가능성 향상을 달성한다.
• 다양한 실험 설정에서 절대적인 스케줄 가능성 향상은 1.36%에서 3.64% 사이로 변동하며, WCET가 캐시 할당에 매우 민감할 경우 가장 높은 성과를 기록한다.
• 고비중심성 WCET 대비 저비중심성 WCET 비율($C_i^H / C_i^L$)이 높을수록 상대적 향상이 최대 27.13%까지 증가하여, 처리가 어려운 모드 전환에서 더 큰 이점을 제공함을 시사한다.
• L-모드 이용률을 최소화하는 히우리스틱은 최적의 ILP 해법과 거의 동일한 성능를 보이며, N-Ekb 및 V-Ekb 곡선이 거의 겹침으로써 히우리스틱의 효과성을 검증한다.
• 특히 자원 부족 및 높은 캐시 민감도 조건에서 성능 향상이 가장 두드러지며, 이러한 환경에서 최대 30.59%의 상대적 이득을 기록한다.
• 높은 작업 집합 이용률 조건에서도 동적 접근 방식은 강력한 성능 유지를 보이며, Manberg 테스트는 종종 V-Ekb 기준 기준보다 최적의 ILP 곡선에 더 가까이 위치한다.