[发明专利]多核多线程计算机系统确定性评测及控制方法

摘要

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。

主权项

1.一种多核多线程计算机系统确定性评测及控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：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；t表示0～T时段内的时刻变量；AP(t)表示任一时刻的实际性能，用该时刻实际IPC表示；RP(t)表示任一时刻的需求性能，用该时刻需求IPC表示；N表示经过的时段数，为了简便在实际操作中采用等分时段方式，即将T等分为N个时段，每时段长度用ΔT表示；表示第i时段的平均实际性能，用该时段实际平均IPC表示；表示第i时段的平均需求性能，用该时段需求平均IPC表示；进度偏移紧迫度：是指线程随着时间推进的实际进度与需求进度的偏移紧迫程度的量化计算模型；用二者相差的时间段数来衡量；该值是线程追平随累积进度偏移所需要的时段数；在实际操作过程中由于线程性能的变化持续性和离散性，采用等分时段方式、并用得到的累积进度偏移除以当前实时性能再除以时段长度的方式计算，如公式2所示：其中：U(T)表示进度偏移紧迫度，用线程追平累计进度偏移所需要的时段数量来表示；该值为正表示线程超过需求进度，处于非紧迫状态，即不紧迫；该值为负表示线程落后于需求进度，处于紧迫状态，越负越紧迫；表示最近一个时段的平均实际性能，可视作该线程的当前实时性能；T、t、D(T)、^AP(t)、^RP(t)、N、^ΔT、与公式1中的含义相同；系统确定性：是指随着时间推进所有处于紧迫状态的各线程的进度偏移紧迫程度的平均量化计算模型，用于评价系统的确定性，并衡量整个系统是否能够满足确定性要求；用所有处于紧迫状态的各线程追平需求进度所需要的平均时段数来衡量；在实际操作过程中，用所有处于紧迫状态的各线程的进度偏移紧迫度绝对值的总和除以线程总数的方式计算，如公式3所示：其中：Ψ(T)表示系统确定性；该值大于或等于零，越大表示系统的确定性越低，当低于某一预定阈值时，可以认为该系统的“确定性”已无法保证；Uk(T)表示第k个线程的进度偏移紧迫度；M表示同时运行的线程总数；T表示运行时刻，与公式1中的含义相同；步骤2：资源储备和性能冲刺机制；资源储备机制：对系统的各类关键资源进行一定比例的储备，用于对抗一般调控措施难以消除的不确定性，为每个线程设置一个进度偏移紧迫度阈值Ek，当Uk(T)＞Ek时，启动资源储备及性能冲刺机制，该资源储备为逻辑储备，即储备资源平时可参与一般性使用，当启动性能冲刺时才作为特定线程的独占式资源；所述关键资源包括处理器核分配时间、物理寄存器数量、cache和I/O的访问机会和数量；性能冲刺机制：将储备资源全部或优先分配给待冲刺线程，让其尽快达到预定进度，当Uk(T)＞Ek或其它原因需要加速某一线程k时，将其对应的关键资源的储备量悉数分配给线程k；步骤3：建立“资源‑进度偏移紧迫度”动态划分调整模型；步骤4：系统运行过程的连续动态监控以提高“确定性”；将系统运行时间等分为连续时段，所述连续动态监控是在每一时段结束时对所有线程的性能、进度、累计进度偏移、进度偏移紧迫度、系统的确定性指标采样和计算，并根据“资源‑进度偏移紧迫度”动态划分调整模型，重新计算并调整各线程对各类关键资源的分配比例或数量，实现对各线程性能进行实时跟踪和“确定性”调控，提高各线程及整个系统运行过程的“确定性”。