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Thèse de doctorat

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Titre

Détermination de propriétés de flot de données pour améliorer les estimations de temps d'exécution pire-cas

Auteur

Ruiz, Jordy

Directeur de thèse

Rochange, Christine

Cassé, Hugues

Date de soutenance

2017-12-21

Établissement de soutenance

Université de Toulouse

Université Toulouse III - Paul Sabatier

École doctorale

Mathématiques, informatique, télécommunications de Toulouse (MITT)

Structure de recherche

Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (IRIT), UMR 5505

Discipline

Réseaux, Télécoms, Systèmes et Architecture

Sujet

Informatique

Mots-clés en français

Systèmes temps-réel

WCET

Analyse statique

Interprétation abstraite

SMT

Chemins infaisables

Langage machine

Résumé en français

La recherche d'une borne supérieure au temps d'exécution d'un programme est une partie essentielle du processus de vérification de systèmes temps-réel critiques. Les programmes de tels systèmes ont généralement des temps d'exécution variables et il est difficile, voire impossible, de prédire l'ensemble de ces temps possibles. Au lieu de cela, il est préférable de rechercher une approximation du temps d'exécution pire-cas ou Worst-Case Execution Time (WCET). Une propriété cruciale de cette approximation est qu'elle doit être sûre, c'est-à-dire qu'elle doit être garantie de majorer le WCET. Parce que nous cherchons à prouver que le système en question se termine en un temps raisonnable, une surapproximation est le seul type d'approximation acceptable. La garantie de cette propriété de sûreté ne saurait raisonnablement se faire sans analyse statique, un résultat se basant sur une série de tests ne pouvant être sûr sans un traitement exhaustif des cas d'exécution. De plus, en l'absence de certification du processus de compilation (et de transfert des propriétés vers le binaire), l'extraction de propriétés doit se faire directement sur le code binaire pour garantir leur fiabilité. Toutefois, cette approximation a un coût : un pessimisme - écart entre le WCET estimé et le WCET réel - important entraîne des surcoûts superflus de matériel pour que le système respecte les contraintes temporelles qui lui sont imposées. Il s'agit donc ensuite, tout en maintenant la garantie de sécurité de l'estimation du WCET, d'améliorer sa précision en réduisant cet écart de telle sorte qu'il soit suffisamment faible pour ne pas entraîner des coûts supplémentaires démesurés. Un des principaux facteurs de surestimation est la prise en compte de chemins d'exécution sémantiquement impossibles, dits infaisables, dans le calcul du WCET. Ceci est dû à l'analyse par énumération implicite des chemins ou Implicit Path Enumeration Technique (IPET) qui raisonne sur un surensemble des chemins d'exécution. Lorsque le chemin d'exécution pire-cas ou Worst-Case Execution Path (WCEP), correspondant au WCET estimé, porte sur un chemin infaisable, la précision de cette estimation est négativement affectée. Afin de parer à cette perte de précision, cette thèse propose une technique de détection de chemins infaisables, permettant l'amélioration de la précision des analyses statiques (dont celles pour le WCET) en les informant de l'infaisabilité de certains chemins du programme. Cette information est passée sous la forme de propriétés de flot de données formatées dans un langage d'annotation portable, FFX, permettant la communication des résultats de notre analyse de chemins infaisables vers d'autres analyses. Les méthodes présentées dans cette thèse sont inclues dans le framework OTAWA, développé au sein de l'équipe TRACES à l'IRIT. Elles usent elles-mêmes d'approximations pour représenter les états possibles de la machine en différents points du programme. Ce sont des abstractions maintenues au fil de l'analyse, et dont la validité est assurée par des outils de la théorie de l'interprétation abstraite. Ces abstractions permettent de représenter de manière efficace - mais sûre - les ensembles d'états pour une classe de chemins d'exécution jusqu'à un point du programme, et de détecter d'éventuels points du programme associés à un ensemble d'états possibles vide, traduisant un (ou plusieurs) chemin(s) infaisable(s). L'objectif de l'analyse développée, la détection de tels cas, est rendue possible par l'usage de solveurs SMT (Satisfiabilité Modulo des Théories). Ces solveurs permettent essentiellement de déterminer la satisfiabilité d'un ensemble de contraintes, déduites à partir des états abstraits construits. Lorsqu'un ensemble de contraintes, formé à partir d'une conjonction de prédicats, s'avère insatisfiable, aucune valuation des variables de la machine ne correspond à un cas d'exécution possible, et la famille de chemins associée est donc infaisable. L'efficacité de cette technique est soutenue par une série d'expérimentations sur divers suites de benchmarks, reconnues dans le domaine du WCET statique et/ou issues de cas réels de l'industrie. Des heuristiques sont configurées afin d'adoucir la complexité de l'analyse, en particulier pour les applications de plus grande taille. Les chemins infaisables détectés sont injectés sous la forme de contraintes de flot linéaires dans le système de Programmation Linéaire en Nombres Entiers ou Integer Linear Programming (ILP) pilotant le calcul final de l'analyse WCET d'OTAWA. Selon le programme analysé, cela peut résulter en une réduction du WCET estimé, et donc une amélioration de sa précision.

Résumé en anglais

The search for an upper bound of the execution time of a program is an essential part of the verification of real-time critical systems. The execution times of the programs of such systems generally vary a lot, and it is difficult, or impossible, to predict the range of the possible times. Instead, it is better to look for an approximation of the Worst-Case Execution Time (WCET). A crucial requirement of this estimate is that it must be safe, that is, it must be guaranteed above the real WCET. Because we are looking to prove that the system in question terminates reasonably quickly, an overapproximation is the only acceptable form of approximation. The guarantee of such a safety property could not sensibly be done without static analysis, as a result based on a battery of tests could not be safe without an exhaustive handling of test cases. Furthermore, in the absence of a certified compiler (and tech- nique for the safe transfer of properties to the binaries), the extraction of properties must be done directly on binary code to warrant their soundness. However, this approximation comes with a cost : an important pessimism, the gap between the estimated WCET and the real WCET, would lead to superfluous extra costs in hardware in order for the system to respect the imposed timing requirements. It is therefore important to improve the precision of the WCET by reducing this gap, while maintaining the safety property, as such that it is low enough to not lead to immoderate costs. A major cause of overestimation is the inclusion of semantically impossible paths, said infeasible paths, in the WCET computation. This is due to the use of the Implicit Path Enumeration Technique (IPET), which works on an superset of the possible execution paths. When the Worst-Case Execution Path (WCEP), corresponding to the estimated WCET, is infeasible, the precision of that estimation is negatively affected. In order to deal with this loss of precision, this thesis proposes an infeasible paths detection technique, enabling the improvement of the precision of static analyses (namely for WCET estimation) by notifying them of the infeasibility of some paths of the program. This information is then passed as data flow properties, formatted in the FFX portable annotation language, and allowing the communication of the results of our infeasible path analysis to other analyses. The methods hereafter presented are included in the OTAWA framework, developed in TRACES team at the IRIT lab. They themselves make use of approximations in order to represent the possible states of the machine in various program points. These approximations are abstractions maintained throughout the analysis, and which validity is ensured by abstract interpretation tools. They enable us to represent the set of states for a family of execution paths up to a given program point in an efficient - yet safe - way, and to detect the potential program points associated to an empty set of possible states, signalling one (or several) infeasible path(s). As the end goal of the developed analysis, the detection of such cases is made possible by the use of Satisfiability Modulo Theory (SMT) solvers. Those solvers are notably able to determine the satisfiability of a set of contraints, which we deduct from the abstract states. If a set of constraints, derived from a conjonction of predicates, is unsatisfiable, then there exists no valuation of the machine variables that match a possible execution case, and thus the associated infeasible paths are infeasible. The efficiency of this technique is asserted by a series of experiments on various benchmarks suites, some of which widely recognized in the domain of static WCET, some others derived from actual industrial applications. Heuristics are set up in order to soften the complexity of the analysis, especially for the larger applications. The detected infeasible paths are injected as Integer Linear Programming (ILP) linear data flow constraints in the final computation for the WCET estimation in OTAWA. Depending on the analysed program, this can result in a reduction of the estimated WCET, thereby improving its precision.

Numéro national de thèse

2017TOU30285

Date de publication

2018-07-10T09:10:23