Impact on Reliability in the Control-Flow of Programs under Compiler Optimizations

Abstract

This paper evaluates the impact on reliability in the control-flow of programs that compiler optimizations incur in terms of fault coverage for the Automatic Correction of Controlflow Errors technique. This technique was implemented in the LLVM framework, enabling the automated analysis of programs. In order to evaluate the efficiency of the technique of fault tolerance we performed a series of fault injection experiments using the MiBench benchmark suite as case study, measuring how individual and combined optimizations impact reliability. I. INTRODUÇÃOO tamanho do transistor tem diminuído com o passar dos anos de acordo com a Lei de Moore, resultando em aumento no desempenho e em redução no consumo de energia dos microprocessadores. Porém, essa diminuição torna os transistores mais vulneráveis e compromete a sua confiabilidade [1]. Assim sendo, faz-se necessária a implantação de mecanismos de proteção contra falhas, mecanismos estes que, ao mesmo tempo em que aumentam a dependabilidade dos sistemas, devem respeitar as restrições do domínio em que serão inseridos, como, por exemplo, consumo de energia, desempenho e tamanho de programa, no caso dos sistemas embarcados. Nesse contexto, técnicas que não requerem alterações no hardware são atrativas para a tolerância a falhas. A tolerância a falhas em softwareé uma alternativaàs técnicas que alteram o hardware para garantir confiabilidade aos sistemas computacionais.Técnicas baseadas em software para a tolerância a falhas modificam o programa inserindo instruções adicionais, usadas para a detecção e também correção de falhas ocorridas no hardware em tempo de execução. As falhas transitórias de hardware, istoé, falhas de duração limitada que afetam componentes físicos de sistemas computacionais, se manifestam em sua maioria como erros de fluxo de controle (CFE) podendo atingiríndices de até 70% do total de falhas [9]. Um CFEé um desvio ilegal de uma instrução a outra, sendo esse desvio não esperado quando da não ocorrência de falhas.ACCEé uma técnica de software que provê tolerância a falhas permitindo a detecção e inclusive a correção de falhas transitórias de hardware manifestadas como CFEs. Conforme experimentos realizados com a técnica [10], ela se mostrou capaz alcançar até 80% de correção de falhas. Originalmente, ACCE foi implementada como uma modificação no compilador GCC (Gnu Compiler Collection), sendo sua eficácia avaliada com a injeção de falhas para o benchmark SPEC2000. Na ocasião, não foi levado em consideração o impacto de otimizações providas pelo compilador na sua eficácia de correção de CFEs.Nesse trabalho, ACCE foi implementada como um passo de transformação adicional ao compilador LLVM [4], uma infraestrutura de compilação que fornece um amplo número de otimizações e análises possíveis de serem aplicadas em programas. As transformações realizadas nos programas compilados no LLVM com a aplicação de ACCE são feitas sobre a linguagem intermediária LLVM (LLVM-IR) [5], resultando em portabilidade de linguagem de programação e portabilidade de arquitet...