[论文解读] A WCET-aware cache coloring technique for reducing interference in real-time systems

Fabien Bouquillon, Clément Ballabriga+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2019

Real-Time Systems Scheduling参考文献 5被引用 1

一句话总结

本文提出了一种WCET感知的缓存着色技术，该技术使用整数线性规划（ILP）和启发式算法，以最小化多核实时系统中任务间的缓存干扰。通过根据任务特定的WCET需求，智能地将虚拟内存页映射到物理缓存颜色，该方法相比随机划分方式，可将可调度性提高最多20%，尤其在时限受限和高利用率条件下表现更优。

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).

研究动机与目标

• 减少具有共享缓存的多核实时系统中的任务间缓存干扰。
• 通过考虑任务特定的缓存访问模式，提高最坏情况执行时间（WCET）的可预测性。
• 开发一种缓存分区策略，在满足时序约束的前提下最小化干扰。
• 探讨在组相联缓存中任务间与任务内缓存冲突之间的权衡。
• 评估基于ILP和启发式驱动的缓存着色在EDF调度下的有效性。

提出的方法

• 使用整数线性规划（ILP）将缓存着色建模为具有相互依赖对象价值的多重选择背包问题的变体。
• 采用基于启发式的策略，探索在满足任务时序约束的前提下最小化WCET的缓存着色配置。
• 将任务特定的WCET估计整合到着色过程中，以优先处理关键页面。
• 采用混合方法，结合ILP以获得最优配置，同时利用启发式方法提升可扩展性。
• 使用具有约束性截止时间的EDF调度，并在合成任务集上评估性能。
• 评估三种启发式方法：随机、联邦和公平着色，其中公平着色表现最优。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化缓存着色以减少可抢占实时系统中的任务间干扰？
• RQ2 在高利用率条件下，不同页面着色启发式方法对系统可调度性的影响如何？
• RQ3 与随机或固定分区相比，WCET感知的缓存分区在可调度性方面表现如何？
• RQ4 基于ILP的优化能在多大程度上提升缓存利用率并减少干扰？
• RQ5 哪种启发式方法在缓存着色中实现了性能与复杂度的最佳权衡？

主要发现

• 与随机缓存分区相比，所提出的基于ILP的方法可将可调度任务集的比例提高最多20%。
• 公平着色启发式方法通过减少任务内缓存冲突和驱逐，优于随机和联邦启发式方法。
• 在时限受限和高利用率条件下，公平着色启发式方法实现了最高的可调度率。
• 公平着色启发式方法使用的缓存分区数量最少，表明资源利用率更高。
• ILP方法与启发式方法结合，能有效减少任务间干扰，同时保持WCET的可预测性。
• 结果表明，基于任务特定WCET的感知着色显著提升了多核实时系统中的系统可预测性和可调度性。