Les tâches critiques en systèmes temps-réel sont soumises à des contraintes temporelles et de correction. La validation d'un tel système repose sur l'estimation du comportement temporel au pire cas de ses tâches. Le partage de ressources, inhérent aux architectures multi-cœurs, entrave le calcul de ces estimations. Le comportement temporel d'une tâche dépend de ses rivales du fait de l'arbitrage de l'accès aux ressources ou de modifications concurrentes de leur état. Cette étude vise à l'estimation de la contribution temporelle de la hiérarchie mémoire au pire temps d'exécution de tâches critiques. Les méthodes existantes, pour caches d'instructions, sont étendues afin de supporter caches de données privés et partagés, et permettre l'analyse de hiérarchies mémoires riches. Le court-circuitage de cache est ensuite utilisé pour réduire la pression sur les caches partagés. Nous proposons à cette fin différentes heuristiques basées sur la capture de la réutilisation de blocs de cache entre différents accès mémoire. Notre seconde proposition est la politique de partitionnement Preti qui permet l'allocation d'un espace sans conflits à une tâche. Preti favorise aussi les performances de tâches non critiques concurrentes aux temps-réel dans les systèmes de criticité hybride. / Critical tasks in the context of real-time systems submit to both timing and correctness constraints. Whence, the validation of a real-time system rely on the estimation of its tasks’ Worst case execution times. Resource sharing, as it occurs on multicore architectures, hinders the computation of such estimates. The timing behaviour of a task is impacted by its concurrents, whether because of resource access arbitration or concurrent modifications of a resource state. This study focuses on estimating the contribution of the memory hierarchy to tasks’ worst case execution time. Existing analysis methods, defined for instruction caches, are extended to support private and shared data caches, hence allowing for the analysis of rich memory hierarchies. Cache bypass is then used to reduce the pressure laid by concurrent tasks on shared caches levels. We propose different bypass heuristics, based on the capture of cache blocks’ reuse between memory accesses. Our second proposal is the Preti partitioning scheme which allows for the allocation to tasks of a cache space, free from inter-task conflicts. Preti offers the added benefit of providing for average-case performance to non-critical tasks concurrent to real-time ones on hybrid criticality systems.

Ce manuscrit synthétise plus d'une décade de notre recherche académique sur le sujet d'optimisation de codes bas niveau, dont le but est une intégration dans un compilateur optimisant ou dans un outil d'optimisation semi-automatique. Dans les programmes bas niveau, les caractéristiques du processeur sont connues et peuvent être utilisées pour générer des codes plus en harmonie avec le matériel. Nous commençons notre document par une vue générale sur le problème d'ordonnancement des phases de compilation. Actuellement, des centaines d'étapes de compilation et d'optimisation de codes existent; un problème fondamental et ouvert reste de savoir comment les combiner et les ordonner efficacement. Pour pallier rapidement cette difficulté, une stratégie du moindre effort consiste à appliquer une compilation itérative en exécutant successivement le programme avant de décider de la technique d'optimisation de code à employer et avec quels paramètres. Nous prouvons que l'approche de compilation itérative ne simpli fie pas fondamentalement le problème, et l'utilisation de modèles statiques de performances reste un choix raisonnable. Un problème classique de con it entre deux étapes de compilation est celui qui lie l'allocation de registres et l'ordonnancement d'instructions. Nous montrons comment gérer efficacement cet antagonisme en séparant les contraintes de registres des contraintes d'ordonnancement d'instructions. Cela est possible grâce à la notion de saturation en registres (RS), qui est le besoin maximal en registres pour tous les ordonnancements possibles d'un graphe. Nous apportons une contribution formelle et une heuristique efficace, qui permettent la détection de contraintes de registres toujours véri fiées; ils peuvent par conséquent être négligées. Nous introduisons la plate-forme SIRA, qui permet de garantir l'absence de code de vidage avant l'ordonnancement d'instructions. SIRA est un modèle basé sur la théorie des graphes permettant de borner le besoin maximal en registres pour tout pipeline logiciel, sans altérer, si possible, le parallélisme d'instructions. SIRA modélise les contraintes cycliques des registres dans différentes architectures possibles : avec plusieurs types de registres, avec tampons ou les d'attente, et avec des bancs de registres rotatifs. Nous apportons une heuristique efficace qui montre des résultats satisfaisants, que ce soit comme outil indépendant, ou comme passe intégrée dans un vrai compilateur. Dans le contexte des processeurs exhibant des retards d'accès aux registres (VLIW, EPIC, DSP), nous attirons l'attention sur le problème qui peut survenir lorsque les contraintes de registres sont traitées avant l'ordonnancement d'instructions. Ce problème est la création de circuits négatifs ou nuls dans le graphe de dépendances de données. Nous montrons comment éliminer ces circuits indésirables dans le contexte de SIRA. SIRA définit une relation formelle entre le nombre de registres alloués, le parallélisme d'instructions et le facteur de déroulage d'une boucle. Nous nous basons sur cette relation pour écrire un algorithme optimal qui minimise le facteur de déroulage tout en sauvegardant le parallélisme d'instructions et en garantissant l'absence de code de vidage. D'après nos connaissances, ceci est le premier résultat qui démontre que le compactage de la taille de code n'est pas un objectif antagoniste à l'optimisation des performances de code. L'interaction entre la hiérarchie mémoire et le parallélisme d'instructions est un point central si l'on souhaite réduire le coût des latences d'opérations de chargement. Premièrement, notre étude pratique avec des micro-benchmarks montre que les processeurs superscalaires ayant une exécution dans le désordre ont un bug de performances dans leur mécanisme de désambiguation mémoire. Nous montrons ensuite qu'une vectorisation des opérations mémoire résoud ce problème pour des codes réguliers. Deuxièmement, nous étudions l'optimisation de préchargement de données pour des codes VLIW embarqués irréguliers. Finalement, avec l'arrivée des processeurs multicoeurs, nous observons que les temps d'exécution des programmes deviennent très variables. A fin d'améliorer la reproductibilité des résultats expérimentaux, nous avons conçu le Speedup-Test, un protocole statistique rigoureux. Nous nous basons sur des tests statistiques connus (tests de Shapiro-Wilk, F de Fisher, de Student, de Kolmogorov-Smirnov, de Wilcoxon- Mann-Whitney) a n d'évaluer si une accélération observée du temps d'exécution médian ou moyen est signi cative.

Les systèmes parallèles de type multi/pluri-cœurs permettant d'obtenir une grande puissance de calcul à bas coût énergétique sont de nos jours une réalité. Néanmoins, l'exploitation des performances de ces architectures dépend de l'efficacité du système à gérer les accès aux données. Le but de nos travaux est d'améliorer l'efficacité de ces accès en exploitant les caractéristiques de l'architecture matérielle.Dans une première partie, nous proposons une nouvelle organisation de la hiérarchie des mémoires caches qui maximise l'utilisation de l'espace de stockage disponible à chaque niveau. Cette solution, basée sur les architectures à accès non uniforme au cache (NUCA), supporte les transferts inter et intra-niveau de la hiérarchie. Elle requiert un protocole de cohérence de cache qui s'adapte à ses spécifications.Certes, le transfert des données au niveau de la hiérarchie est aussi un déterminant de la performance du système. Dans une seconde partie, nous prenons en compte les besoins de communication spécifiques du protocole. Nous proposons un réseau virtualisé comme support de communication ad-hoc afin de gérer le trafic de cohérence à moindre coût. Ce dernier relie les caches d'un même niveau pour supporter les transferts intra-niveaux, qui sont une spécificité de notre protocole, en vue de réduire la latence moyenne d'accès. / Multi/many-cores parallel systems for high-power computing at low energy costs are nowadays a reality. However, exploiting the performance of these architectures depends on the efficiency of the system in managing data accesses. The aim of our work is to improve the efficiency of these accesses by exploiting the hardware architecture characteristics.In a first part, we propose a new cache hierarchy organization that aims at maximizing the use of the available storage space at each level. This solution, based on non-uniform cache access architectures (NUCA), supports inter and intra-level transfers of the hierarchy. It requires a cache coherency protocol that suits its specifications.Obviously, the transfer of data in the hierarchy is also a determinant of the system performance. In a second part, we consider the specific communication needs of the protocol. We suggest the use of a virtualized network as an ad-hoc communication medium to manage consistency traffic at a lower cost. It links the caches of the same level to support intra-level transfers, which are a specificity of our protocol, in order to reduce the average access latency.

Ce mémoire présente une nouvelle approche pour le calcul de temps d'exécution au pire (WCET) de tâche temps-réel critique, en particulier en ce qui concerne les aléas dus aux caches mémoire. Le point général est fait sur la problématique et l'état de l'art en la matière, mais l'accent est mis sur la théorie elle-même et son formalisme, d'abord dans le cadre monotâche puis dans le cadre multitâche. La méthode utilisée repose sur une technique d'interprétation abstraite, comme la plupart des autres méthodes de calcul de WCET, mais le formalisme est dans une approche probabiliste (bien que déterministe dans le cadre monotâche) de par l'utilisation de chaînes de Markov. La généralisation au cadre multitâche utilise les propriétés proba- bilistes pour faire une évaluation pessimiste d'un WCET et d'un écart type au pire, grâce à une modification astucieuse du propagateur dans ce cadre. Des premières évaluations du modèle, codées à la main à partir des résultats de compilation d'applications assez simples montrent des résultats promet- teurs quant à l'application du modèle sur des programmes réels en vraie grandeur.

Le travail réalisé durant cette thèse vise à offrir à un code de simulation en dynamique des dislocations les composantes essentielles pour permettre le passage à l’échelle sur les calculateurs modernes. Nous abordons plusieurs aspects de la simulation numérique avec tout d’abord des considérations algorithmiques. Pour permettre de réaliser des simulations efficaces en terme de complexité algorithmique pour des grandes simulations, nous explorons les contraintes des différentes étapes de la simulation en offrant une analyse et des améliorations aux algorithmes. Ensuite, une considération particulière est apportée aux structures de données. En prenant en compte les nouveaux algorithmes, nous proposons une structure de données pour bénéficier d’accès performants à travers la hiérarchie mémoire. Cette structure est modulaire pour faire face à deux types d’algorithmes, avec d’un côté la gestion du maillage nécessitant une gestion dynamique de la mémoire et de l’autre les phases de calcul intensifs avec des accès rapides. Pour cela cette structure modulaire est complétée par un octree pour gérer la décomposition de domaine et aussi les algorithmes hiérarchiques comme le calcul du champ de contrainte et la détection des collisions. Enfin nous présentons les aspects parallèles du code. Pour cela nous introduisons une approche hybride, avec un parallélisme à grain fin à base de threads, et un parallélisme à gros grain de type MPI nécessitant une décomposition de domaine et un équilibrage de charge.Finalement, ces contributions sont testées pour valider les apports pour la simulation numérique. Deux cas d’étude sont présentés pour observer et analyser le comportement des différentes briques de la simulation. Tout d’abord une simulation extrêmement dynamique, composée de sources de Frank-Read dans un cristal de zirconium est utilisée, avant de présenter quelques résultats sur une simulation cible contenant une forte densité de défauts d’irradiation. / This research work focuses on bringing performances in 3D dislocation dynamics simulation, to run efficiently on modern computers. First of all, we introduce some algorithmic technics, to reduce the complexity in order to target large scale simulations. Second of all, we focus on data structure to take into account both memory hierachie and algorithmic data access. On one side we build this adaptive data structure to handle dynamism of data and on the other side we use an Octree to combine hierachie decompostion and data locality in order to face intensive arithmetics with force field computation and collision detection. Finnaly, we introduce some parallel aspects of our simulation. We propose a classical hybrid parallelism, with task based openMP threads and domain decomposition technics for MPI.