多核多线程计算机系统确定性评测及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种多核多线程计算机系统确定性评测及控制方法，尤其设及基于多 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 审IJ。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/0等硬件资源分配，W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】
[0002] 综合化航空电子系统（简称IMA)，W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。
[0003] 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W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、禪合甚至恶性竞争，造成各线程的WCET难W分析和 估测，即"确定性"问题，运对实时计算、特别是硬实时计算化RT)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运类对可靠性、 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W解决的一个重要因素。
【发明内容】
[0004] 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：
[0005] (1)建立"确定性"的系列评测指标，包括：
[0006] 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来衡量;理论上该值应该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I所示：
[000引 其中；
[0009] 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； [00 10] T表示累计运行时间，用运行的时钟周期表示；
[0011] t表示0~T时段内的时刻变量；
[0012] Ap(t)表示任一时刻的实际性能，用该时刻实际IPC表示；
[0013] Kp(t)表示任一时刻的需求性能，用该时刻需求IPC表示；
[0014] 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，每时段长度用表示；
[0015] ^表示第i时段的平均实际性能，用该时段实际平均IPC表示；
[0016] ^表示第i时段的平均需求性能，用该时段需求平均IPC表示。
[0017] 进度偏移紧迫度:是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;理论上该值应该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W当前实时性能再除W时段长度的方式计算，如公式2 所示：
[0019] 其中；
[0020] 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；
[0021] ^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；
[0022] T、t、D(T)、Ap(t)、Kp(t)、N/T、項;、瑪与公式l中的含义相同。
[0023] 系统确定性:是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W线程总数的方式计 算，如公式3所示：
[0025] 其中；
[0026] W (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 某一预定阔值时，可W认为该系统的确定性已无法保证；
[0027] 化(T)表示第k个线程的进度偏移紧迫度；
[0028] M表示同时运行的线程总数；
[0029] T表示运行时刻，与公式1中的含义相同
[0030] (2)资源储备和性能冲刺机制
[0031] 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，例如20%，用于对抗 一般调控措施难W消除的不确定性。例如:为每个线程设置一个进度偏移紧迫度阔值化，当 某时时刻化(T)〉化时，启动资源储备及性能冲刺机制。应该注意的是，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。
[0032] 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。当化(T)〉化或其它原因（如用户交互式干预）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。
[0033] (3)"资源-进度偏移紧迫度"动态划分调整模型
[0034] 根据各线程实际运行情况实时地计算和调整关键资源分配。各线程在不同运行时 段有不同的资源需求特点，但在任一特定时段都存在能对线程的性能起调控作用的某类关 键资源（如:处理器核分配时间、物理寄存器数量、cache和I/O等访问机会和数量等），控制 该类资源的分配也就控制了该线程的性能。对每一类资源，该动态划分调整模型让该时刻 W该资源为关键资源且处于紧迫状态的线程优先划分，其余资源让其它线程参与全局竞 争，如公式4和公式5所示：
[0037]其中；
[003引 Ik(T)表示线程k对X类资源的分配的数量；
[0039] Mx表示该时刻Wx类资源为关键资源的且处于紧迫状态的线程数量；
[0040] XUk(T)表示该时刻Wx类资源为关键资源的第k个线程的进度偏移紧迫度；
[0041] XS(T)表示X类资源的总数量，通常为一恒定不变的值；
[0042] XG(T)表示供所有线程竞争的X类资源的数量，通常为一预先设定的值；
[0043] T表示运行时刻，与公式1中的含义相同。
[0044] 公式4和公式5所示方法，是根据该"资源-进度偏移紧迫度"动态划分调整模型，对 各线程在运行过程中持续进行实时性能采样和监测(实际过程中采用分时段方式实现），并 根据模型计算结果进行关键资源(如物理寄存器数量)的动态分配调整。
[0045] (4)系统运行过程的连续动态监控W提高"确定性"
[0046] 将系统运行时间等分为连续时段，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、系统的确定性等指标采样和计算，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，达到提高各线程及整个系统运行过程"确定 伴'之目的。
[0047]本发明的有益效果:本发明能够实现对多核多线程计算机系统中各线程及整个系 统的"确定性"的量化描述和计算，并据此实现对各线程及整个系统运行"确定性"的实时跟 踪和调控。本发明的应用对于彻底解决多核多线程计算机系统中因为资源"竞争式共享"而 引发的"确定性"相关问题，包括多线程性能的不可控、系统实时性被破坏、优先级颠倒、可 预测性降低、服务质量(QoS)降低等方面，很有帮助。