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Optimisation of Performance Metrics of Embedded Hard Real-Time Systems using Software/Hardware Parallelism

par Paolillo, Antonio
Président du jury Roggeman, Yves
Promoteur Goossens, Joël
Co-Promoteur Milojevic, Dragomir
Publication Non publié, 2018-10-17

Thèse de doctorat

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Résumé :

Optimisation of Performance Metrics of Embedded Hard Real-Time Systems using Software/Hardware Parallelism. Nowadays, embedded systems are part of our daily lives.Some of these systems are called safetycritical and have strong requirements in terms of safety and reliability.Additionally, these systems must have a long autonomy, good performance and minimal costs.Finally, these systems must exhibit predictable behaviour and provide their results within firm deadlines.When these different constraints are combined in the requirement specifications of a modern product, classic design techniques making use of single core platforms are not sufficient.Academic research in the field of real-time embedded systems has produced numerous techniques to exploit the capabilities of modern hardware platforms.These techniques are often based on using parallelism inherently present in modern hardware to improve the system performance while reducing the platform power dissipation.However, very few systems existing on the market are using these state-of-the-art techniques.Moreover, few of these techniques have been validated in the context of practical experiments.In this thesis, we realise the study of operating system level techniques allowing to exploit hardware parallelism through the implementation of parallel software in order to boost the performance of target applications and to reduce the overall system energy consumption while satisfying strict application timing requirements.We detail the theoretical foundations of the ideas applied in the dissertation and validate these ideas through experimental work.To this aim, we use a new Real-Time Operating System kernel written in the context of the creation of a spin-off of the Université libre de Bruxelles.Our experiments are based on the execution of applications on the operating system which run on a real-world platform for embedded systems.Our results show that, compared to traditional design techniques, using parallel and power-aware scheduling techniques in order to exploit hardware and software parallelism allows to execute embedded applications with substantial savings in terms of energy consumption.We present future and ongoing research work that exploit the capabilities of recent embedded platforms.These platforms combine multi-core processors and reconfigurable hardware logic, allowing further improvements in performance and energy consumption.

Optimisation de Métriques de Performances de Systèmes Embarqués Temps Réel Durs par utilisation du Parallélisme Logiciel et Matériel. De nos jours, les systèmes embarqués font partie intégrante de notre quotidien.Certains de ces systèmes, appelés systèmes critiques, sont soumis à de fortes contraintes de fiabilité et de robustesse.De plus, des contraintes de coûts, d’autonomie et de performances s’additionnent à la fiabilité.Enfin, ces systèmes doivent très souvent respecter des délais très stricts de façon prédictible.Lorsque ces différentes contraintes sont combinées dans le cahier de charge d’un produit, les techniques classiques de conception consistant à utiliser un seul cœur d’un processeur ne suffisent plus.La recherche académique dans le domaine des systèmes embarqués temps réel a produit de nombreuses techniques pour exploiter les plate-formes modernes.Ces techniques sont souvent basées sur l’exploitation du parallélisme inhérent au matériel pour améliorer les performances du système et la puissance dissipée par la plate-forme.Cependant, peu de systèmes existant sur le marché exploitent ces techniques de la littérature et peu de ces techniques ont été validées dans le cadre d’expériences pratiques.Dans cette thèse, nous réalisons l’étude des techniques, au niveau du système d’exploitation, permettant l’exploitation du parallélisme matériel par l’implémentation de logiciels parallèles afin de maximiser les performances et réduire l’impact sur l’énergie consommée tout en satisfaisant les contraintes temporelles strictes du cahier de charge applicatif. Nous détaillons les fondements théoriques des idées qui sont appliquées dans la dissertation et nous les validons par des travaux expérimentaux.A ces fins, nous utilisons le nouveau noyau d’un système d’exploitation écrit dans le cadre de la création d’une spin-off de l’Université libre de Bruxelles.Nos expériences, basées sur l’exécution d’applications sur le système d’exploitation qui s’exécute lui-même sur une plate-forme embarquée réelle, montre que l’utilisation de techniques d’ordonnancement exploitant le parallélisme matériel et logiciel permet de larges économies d’énergie consommée lors de l’exécution d’applications embarquées.De futurs travaux en cours de réalisation sont présentés.Ceux-ci exploitent des plate-formes innovantes qui combinent processeurs multi-cœurs et matériel reconfigurable, permettant d’aller encore plus loin dans l’amélioration des performances et les gains énergétiques.