[論文レビュー] WCET analysis of multi-level set-associative instruction caches

Damien Hardy, Isabelle Puaut|ArXiv.org|Jul 7, 2008

Real-Time Systems Scheduling参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、リアルタイム埋め込みシステムにおけるマルチレベルのセットアソシエイティブ命令キャッシュ向けに、安全で静的な最悪実行時間（WCET）解析手法を提案する。先行研究とは異なり、セットアソシエイティブキャッシュに対して安全でない手法とは異なり、本手法は抽象解釈を用いて複数のキャッシュレベルにおけるキャッシュ動作をモデル化し、すべての可能なアクセスパターンを考慮することで、安全性とタイトさを保証する。実験結果では、著しくタイトなWCET推定値と、実アプリケーションにおける妥当な解析時間を達成している。

ABSTRACT

With the advent of increasingly complex hardware in real-time embedded systems (processors with performance enhancing features such as pipelines, cache hierarchy, multiple cores), many processors now have a set-associative L2 cache. Thus, there is a need for considering cache hierarchies when validating the temporal behavior of real-time systems, in particular when estimating tasks' worst-case execution times (WCETs). To the best of our knowledge, there is only one approach for WCET estimation for systems with cache hierarchies [Mueller, 1997], which turns out to be unsafe for set-associative caches. In this paper, we highlight the conditions under which the approach described in [Mueller, 1997] is unsafe. A safe static instruction cache analysis method is then presented. Contrary to [Mueller, 1997] our method supports set-associative and fully associative caches. The proposed method is experimented on medium-size and large programs. We show that the method is most of the time tight. We further show that in all cases WCET estimations are much tighter when considering the cache hierarchy than when considering only the L1 cache. An evaluation of the analysis time is conducted, demonstrating that analysing the cache hierarchy has a reasonable computation time.

研究の動機と目的

• 既存のマルチレベルキャッシュWCET解析手法に内在する安全性の欠陥、特にセットアソシエイティブキャッシュに対する問題を特定すること。
• マルチレベルキャッシュ階層におけるセットアソシエイティブおよびフルアソシエイティブキャッシュをサポートする、安全で高精度な静的解析手法を開発すること。
• WCET推定値が安全（上限境界）かつタイト（実際の最悪実行時間に近い）であることを保証すること。
• 実世界のベンチマークを用いた評価を通じて、本手法の精度と計算コストを検証し、埋め込みリアルタイムシステムにおける実用性を示すこと。

提案手法

• 本手法は、既存の抽象解釈ベースのキャッシュ解析を拡張し、マルチレベルキャッシュ階層を扱えるようにする。各レベルを個別の解析としてモデル化し、フィルタリングされたメモリ参照ストリームを用いる。
• 不確実なアクセス（U）を追跡することで、上位レベルキャッシュでのヒットまたはミスの可能性を保証する安全なフィルタリング機構を導入する。
• 固定点計算を用いてキャッシュ動作を解析し、すべてのキャッシュレベルで終了性と整合性を保証する。
• 既存の単一レベルキャッシュ解析フレームワークを基盤とし、参照ストリームの伝搬を通じて階層的キャッシュ構造に対応するように適応する。
• 任意のアソシエイティビティ度と置換ポリシー（例：LRU）をサポートするため、広範な適用性を有する。
• L1キャッシュでミスするメモリ参照のサブセットに基づいてL2キャッシュ解析をモデル化することで、保守的でありながらも高精度な推定を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 先行のマルチレベルキャッシュWCET解析手法が、セットアソシエイティブキャッシュに対してなぜ不安全となるのか、どのような条件下でそうなるか。
• RQ2 セットアソシエイティブおよびフルアソシエイティブマルチレベルキャッシュに対して安全性を保証する静的解析手法を設計可能か。
• RQ3 キャッシュ階層全体を解析する場合とL1キャッシュのみを解析する場合とで、WCET推定の精度はどのように異なるか。
• RQ4 単一レベル解析と比較して、複数のキャッシュレベルを解析する際の計算コストはどの程度か。

主な発見

• 本手法は、セットアソシエイティブキャッシュに対して安全なWCET推定値を生成し、先行研究[10]に見られた深刻な安全性欠陥を解消した。
• L1キャッシュのみを解析する場合と比較して、キャッシュ階層全体を解析することで、L2キャッシュのヒットによる過剰な楽観的推定の削減により、著しくタイトなWCET推定値が得られた。
• 多くの場合、本手法は高精度であるが、タイトさは初期の単一レベルキャッシュ解析の品質に強く依存する。
• マルチレベル解析の計算時間は妥当な範囲に保たれており、L1キャッシュサイズが大きくなるにつれて、メモリ参照の効果的なフィルタリングによりL2解析時間は短縮される。
• 本手法は置換ポリシーに対して頑健であり、任意のアソシエイティビティレベル（フルアソシエイティブキャッシュを含む）をサポートする。
• 本手法は2段階以上のマルチレベル階層にもスケーラブルであるが、コードの入手可能性の制限により、実験はL1とL2に限定された。