Stimare il WCET Metodo classico e applicazione di un algoritmo genetico

Transcript

1 Stimare il WCET Metodo classico e applicazione di un algoritmo genetico

2 Sommario Introduzione Definizione di WCET Importanza del WCET Panoramica dei classici metodi per calcolare il WCET [1] Utilizzo di un algoritmo genetico per il calcolo del WCET [2] Considerazioni e conclusioni

3 Introduzione (1) La sigla WCET (worst case execution time) indica il tempo massimo di esecuzione di un processo. Esso dipende da [1]: Dati in input Codice del programma Hardware utilizzato Questo dato è alla base del funzionamento degli algoritmi di scheduling in tempo reale e può influenzare la schedulabilità o meno di un task set utilizzando un determinato algoritmo di scheduling.

4 Introduzione (2) La stima del WCET è un problema di fondamentale importanza nella applicazioni in tempo reale Recentemente le tecniche di analisi del WCET sono entrate a far parte dei processi dell ingegneria del software. L aumento della complessità hardware (caches, pipelines) e l utilizzo di differenti linguaggi di programmazione anche per applicazioni real time hanno complicato l analisi del tempo massimo di esecuzione.

5 Introduzione (3) Verranno analizzati 2 approcci differenti per la stima del WCET: 1. Utilizzo di tecniche classiche basate sul codice del programma (ricerca dei possibili cammini percorribili dal software in fase di esecuzione e calcolo del tempo di esecuzione come somma dei tempi delle varie parti del codice) 2. Applicazione di un algoritmo genetico (test sperimentale per calcolare il WCET sottoponendo al software particolari ingressi)

6 Panoramica delle tecniche classiche per valutare il WCET Gli aspetti da considerare per il calcolo del WCET Calcolare il tempo massimo di esecuzione di una parte di codice è un problema basato su 3 aspetti: 1. Livello di rappresentazione 2. Cammini possibili durante l esecuzione,cfp, control flow paths (determinati dai flow facts) 3. Modello del tempo di esecuzione

7 WCET Panoramica delle tecniche classiche per valutare il WCET Gli aspetti da considerare per il calcolo del WCET

8 Panoramica delle tecniche classiche per valutare il WCET Gli aspetti da considerare per il calcolo del WCET 1. Representation level: Livello di rappresentazione del codice da analizzare, tipicamente l analisi è effettuata a livello di linguaggio macchina. Il compilatore utilizzato deve essere in grado di trasformare il sorgente (es. in C)in linguaggio macchina mantenendo tutte le informazioni originali date dai flow facts anche in caso di ottimizazzioni fatte dal compilatore.

9 Panoramica delle tecniche classiche per valutare il WCET Gli aspetti da considerare per il calcolo del WCET 2. FLOW FACTS: Suggerimenti, vincoli che descrivono i limiti sui percorsi eseguibili dal programma, essi derivano dalla sintassi e semantica del programma e da apposite annotazioni scritte dal programmatore. 3. Modello del tempo di esecuzione Questo aspetto include la modellazione di come le istruzioni del programma sono eseguite sullo specifico hardware. Deve essere considerata la presenza di pipelines, caches e altri sistemi di ottimizzazione del processore.

10 WCET Panoramica delle tecniche classiche per valutare il WCET Processo di analisi del WCET Il calcolo del tempo massimo di esecuzione è determinato in fase di compilazione, utilizzando un apposito compilatore che supporti questa caratteristica. Questo processo è possibile se il codice sorgente soddisfa determinati requisiti: in generale è impossibile per il compilatore determinare completamente il tempo di esecuzione dai flow facts impliciti. In molti casi è necessario in fase di scrittura del codice aggiungere delle note che aiutino il compilatore (flow facts by annotation).

11 Panoramica delle tecniche classiche per valutare il WCET Processo di analisi del WCET Diagramma che rappresenta le varie fasi che portano al Calcolo del WCET in fase di compilazione

12 Panoramica delle tecniche classiche per valutare il WCET Considerazioni sulle tecniche classiche Vantaggi: Viene effettuata una stima teorica del WCET che dovrebbe comprendere tutte le possibili varianti in fase di esecuzione del codice Possibilità di utilizzare appositi tools che supportino il linguaggio di programmazione e l hardware utilizzato

13 Panoramica delle tecniche classiche per valutare il WCET Considerazioni sulle tecniche classiche Svantaggi: I tools utilizzabili sono poco flessibili, spesso utilizzabili solo per particolari linguaggi e specifici hardware Anche utilizzando i tools è necessario conoscere la struttura interna del programma Devono essere presenti i flow facts by annotation che guidano il compilatore il programma deve essere scritto seguendo specifici requisiti per il calcolo del WCET

14 Utilizzo di un algoritmo genetico per il calcolo del WCET GA per valutare il WCET Il calcolo del tempo massimo di esecuzione con la metodologia classica proposta in precedenza è soggetto a diversi problemi, primo fra tutti la necessità di conoscere il codice sorgente da cui estrarre tutti i cammini possibili. L utilizzo di una tecnica euristica, come può essere un algoritmo genetico, permette di valutare il WCET considerando il software come una black box da testare con determinati dati in input. Tali dati possono essere calcolati in modo dinamico con il fine di massimizzare il tempo massimo di esecuzione.

15 Utilizzo di un algoritmo genetico per il calcolo del WCET Richiami sui GA Gli algoritmi genetici sono spesso utilizzati per risolvere problemi NP hard. Essi effettuano una ricerca della soluzione ottima (nel nostro caso il tempo di esecuzione massimo) testando il processo con differenti dati di input (individui). I dati sono calcolati dinamicamente ricombinando quelli che nella fase precedente del test hanno avuto risultati migliori (che avevano un alto valore della funzione di fitness, nel nostro caso una alto tempo di esecuzione). La combinazione degli individui genitori è fatta applicando delle mutazioni e dei cross over pseudocasuali, in modo da avvicinarsi sempre di più alla soluzione ottima.

16 Utilizzo di un algoritmo genetico per il calcolo del WCET Considerazioni sull utilizzo di un GA I dati di input devono essere in formato binario, per software che ammettono input diversi bisogna creare una corrispondenza fra i due formati Il raggiungimento del valore ottimo dipende dal numero di interazioni effettuate, quindi da quanti individui sono stati creati e quanti test effettuati Sperimentalmente gli algoritmi genetici sono tra le migliori tecniche euristiche per raggiungere una regione molto vicino all ottimo ma non garantiscono il raggiungimento del valore esatto.

17 WCE Utilizzo di un algoritmo genetico per il calcolo del WCET Applicazione sperimentale Per verificare i risultati raggiungibili da un GA nel calcolo del WCET è stato applicato questo algoritmo a 4 differenti software [2] e sono stati confrontati i risultati con il WCET calcolato tramite: 1. Test con input random 2. Best Effort Data Generation 3. Limite teorico Nel caso analizzato è stato possibile ricavare i valori 2 e 3 poiché si era a conoscenza della struttura dei software utilizzati.

18 Utilizzo di un algoritmo genetico per il calcolo del WCET Applicazione sperimentale Programmi testati: 1. Heasport: algoritmo di ordinamento di numeri 2. Matmul: moltiplicazioni tra matrici 3. Matcnt: determinazione del numero di elementi con un valore sopra una soglia in una matrice 4. DES: algoritmo di crittografia 5. SimXT1, SimXT2, SimXT3: programmi appositamente costruiti in cui il tempo massimo di esecuzione è fortemente dipendente dai dati in ingresso (dalla loro rappresentazione binaria)

19 Utilizzo di un algoritmo genetico per il calcolo del WCET Criterio di STOP Applicazione sperimentale Il test basato sul GA è stato fatto terminare al verificarsi di una delle due condizioni: 1. Raggiungimento di un WCET di soglia leggermente maggiore di quello teorico (in questo caso il test dimostra un errore nel calcolo teorico del WCET) 2. Raggiungimento di un numero massimo di individui (interazioni)

20 WCET Utilizzo di un algoritmo genetico per il calcolo del WCET Applicazione sperimentale - risultati L algoritmo genetico ha ottenuto un risultato migliore di quello raggiunto con il best effort data generation L algoritmo genetico non ha raggiunto il WCET teorico

21 Conclusioni Considerazioni e Conclusioni Il test sperimentale dimostra come la tecnica del GA si avvicina e in molti casi raggiunge il valore teorico del WCET. Essendo un test ti tipo black box esso ha bisogno di informazioni solo sulla natura dei dati in ingresso e sul loro range (dimensioni dello spazio su cui effettuare la ricerca)

22 Sviluppi futuri Conclusioni Nel caso di studio proposto sono stati ottenuti buoni risultati che incoraggiano l uso di algoritmi genetici per il calcolo del WCET. Il problema su cui sono indirizzate le attuali ricerche in materia è come minimizzare il numero di test da effettuare (individui creati) e come migliorare le mutazioni tra una generazione e l altra per velocizzare la convergenza dell algoritmo.

23 References [1] Raimund Kirner, Peter Puschner (2005) Classification of WCET Analysis Techniques [2] P. Puschner and R. Nossaly (2005) Testing the Results of Static Worst-Case Execution-Time Analysis (i due articoli sono consultabili nell archivio ieeexplore.ieee.org )