[发明专利]多核多线程计算机系统确定性评测及控制方法

说明书

多核多线程计算机系统确定性评测及控制方法，该方法：1)定义“确定性”的系列评测及控制指标，包括累计进度偏移、进度偏移紧迫度、系统确定性等；2)设计资源储备、性能冲刺等控制机制，实现对各线程运行进度的预测和控制；3)建立“资源‑进度偏移紧迫度”动态划分调整模型。本发明特点：1)量化指标，实现对各线程及系统“确定性”的定量描述和计算；2)模型简单、适应性强，能实现对不同线程组合运行情况比较精确的“确定性”预测和控制；3)控制灵活，支持操作系统级和硬件级的资源分配进行性能调控；4)实现代价小，在现有体系结构基础上易于实现，能够缓解乃至解决多核多线程计算机系统中的“确定性”系列难题。

技术领域

本发明涉及一种多核多线程计算机系统确定性评测及控制方法，尤其涉及基于多核的机载计算机分区系统的确定性的评测和控制方法。该发明属于计算机系统设计领域，用于对多核多线程计算机系统、特别是多核机载计算机系统结构进行性能设计、预测、控制。具体应用领域是对确定性、实时性要求较高的多核多线程计算机系统、特别是基于多核的机载计算机分区系统的处理器核、寄存器、cache、I/O等硬件资源分配，以及操作系统级的分区调度及线程调度等功能的设计和实现。

背景技术

综合化航空电子系统(简称IMA)，以其集成性、可靠性逐步取代分离式、联合式航空电子系统，成为第四代航空电子的主流发展方向。目前，国内外机载计算机普遍采用基于单核处理器的多任务实时系统，其容错能力主要靠多模冗余和备份来保证，而其计算任务的安全性和时空的“确定性”(determinism)主要通过嵌入式实时操作系统(RTOS)级的特殊设计(如：分区调度)来保证。当前，一方面机载计算任务日趋复杂和繁重，对计算性能的需求日益增加；另一方面多核(multi-core)处理器日益普及，支持多线程(multi-threading)的硬件级并行，其在性能、成本、可靠性等方面的显著优势，为设计和实现高性能机载计算平台带来新机遇。

然而，将多核处理器引入机载计算机领域支持IMA分区系统却遭遇到“确定性”等难题，并非易事：多核允许多个线程以物理的、硬件的方式并行，对各类硬件资源“竞争式共享”，一方面会提高资源的利用率和系统整体性能，另一方面，多个线程对各类硬件资源的竞争存在很大的盲目性，存在相互干扰、耦合甚至恶性竞争，造成各线程的WCET难以分析和估测，即“确定性”问题，这对实时计算、特别是硬实时计算(HRT)来说是危险甚至致命的。因此，在多核架构用在机载计算机的问题上国内外研究机构和厂商仍持谨慎态度，鲜有实现。综上，多核多线程虽然带来计算性能的大幅提升，但将其直接用于机载计算这类对可靠性、实时性都要求极高的领域来说，会遇到“确定性”等一系列难题，亟待研究解决。而迄今为止针对“确定性”问题的准确、适应性强、易于实现的量化评测及控制方法的缺失，是导致该问题难以解决的一个重要因素。

发明内容

本发明为了解决目前多核多线程计算机系统中多线程运行的性能不可预测性、不可控制性等“确定性”难题，提供了一种多核多线程计算机系统确定性评测及控制方法，该方法实现步骤：

(1)建立“确定性”的系列评测指标，所述“确定性”代表多个线程对硬件资源的竞争存在盲目性、存在相互干扰、耦合甚至恶性竞争所造成各线程的WCET难以分析和估测的问题；“确定性”的系列评测指标包括：

累计进度偏移：是线程随着时间推进的实际进度与需求进度的累计偏移量的量化计算模型，用二者当前完成的指令数量的差值来衡量；该值是随时间变化的实际性能与需求性能的性能差值随时间的积分；在实际操作过程中由于线程性能的变化持续性和离散性，采用等分时段累计的方式计算；该指标的计算如公式1所示：

其中：

D(T)表示累计进度偏移量，用当前实际完成与需求完成的指令数量的差表示；该值为正表示线程实际进度领先于需求进度，该值为负表示线程实际进度落后于需求进度；

T表示累计运行时间，用运行的时钟周期表示；