面向WCET分析的实时多核体系结构研究

随着工艺技术的发展以及嵌入式实时应用范围的不断扩大和需求的不断提升,多核处理器必将凭其高性能和低功耗特性应用到嵌入式实时领域中。但是,多核处理器体系结构很难甚至无法满足实时系统的实时限制和对WCET的可预测性要求。从多核中的共享资源入手,分析多核中的片上共享资源（共享Cache、片上互连）和片外共享资源（片外存储）对WCET分析的影响,探讨了各种干扰下的WCET分析方法。介绍了两种多核WCET分析模型：多核静态WCET分析模型和多核混合WCET分析模型;同时,针对嵌入式实时应用提出了多核设计原则。     

面向多核处理器的实时优化技术:基于独立实时域的实时优化方法

多核处理器具有良好的性能功耗比,因此其在实时嵌入式系统中的应用是一种趋势.然而,现有的软件结构下,多核处理器的多核特性对实时性能的提高没有帮助;甚至,多核处理器核间的资源共享使影响程序执行时间的因素变得复杂,实时任务的最坏执行时间(Worst Case Execution Time,WCET)变得更为不可预测和难以控制.基于国产飞腾处理器研究了基于多核处理器的实时系统构建和实时性能优化,提出了“基于独立实时域的实时优化方法”;通过虚拟化技术把处理器分为“实时域”和“非实时域”,实时任务和非实时任务运行在不同的核心上,充分利用多核处理器各个核心,高效调度实时任务和非实时任务运行.     

基于多核处理器系统多维限制的节能实时调度

介绍了多核处理器系统所面对的处理器实际限制、抢占调度实际限制和并行任务模型实际限制等多维限制挑战, 主要针对处理器开销模型、有限抢占模型和复杂并行任务模型等方面, 深入探讨了基于系统实际多维模型的多核节能实时调度研究, 为促进多核处理器系统在实时嵌入式领域的应用提供理论和技术参考.     

嵌入式ARM多核处理器并行化方法的研究

随着嵌入式处理器技术的不断发展以及人们对嵌入式设备性能的要求越来越高,嵌入式处理器由单核时代进入多核时代。然而,传统嵌入式系统软件开发方法还是基于单核模式,并没有利用嵌入式多核处理器多核并行化的特点,没有充分发挥嵌入式多核处理器的性能。虽然在PC平台上,多核并行化方法相对更成熟,但嵌入式多核处理器在处理器数目、Cache以及总线等方面有很大不同,嵌入式平台多核并行化并不能借助PC平台的实践方法,因此基于嵌入式平台研究多核并行化的方法是很有意义的。     

实时微处理器体系结构综述

实时应用已经成为嵌入式应用中一类快速崛起的典型应用。作为实时系统的核心部件,实时微处理器体系结构是微处理器领域的一个重要研究方向。与通用处理器追求最大吞吐量不同,实时处理器要求具有紧凑且可计算的最坏执行时间。传统的实时处理器往往采用较为简单的处理器结构,避免复杂结构引入执行时间的不确定性。随着实时应用对处理器性能需求越来越高,实时处理器正逐渐向多线程与多核结构发展。在多线程与多核处理器中,共享资源竞争导致实时系统的确定性变差,对实时处理器体系结构带来了更大挑战。对实时微处理器体系结构进行综述,首先从指令集、微体系结构、存储、I/O、任务调度等多个方面对传统实时处理器进行分析;然后分别对采用多线程与多核结构的高性能实时处理器展开分析;最后对几种商用实时处理器结构进行比较,总结实时处理器发展现状与未来发展趋势。     

通用非对称多核方案设计

多核处理器是目前处理器发展的主流方向, 但硬实时保证方面存在诸多挑战. 通过研究分析实时应用需求和多核处理器的应用现状, 提出一种基于通用处理器的非对称多核方案. 重点讨论了方案的软件总体设计、共享资源管理、非对称多核模式下的从核镜像加载、启动和核间通信的设计. 采用通用非对称多核方案研制的低压保护测控装置, 其现场运行情况表明方案满足电力二次设备的实时性能要求.     

多核系统中基于动态电压频率调节的实时节能调度研究

在实时嵌入式领域,特别是无线移动和便携式计算领域,能耗是首要考虑的因素,这也是多核处理器尚未在嵌入式领域全面展开应用的首要因素。目前针对多核系统的实时应用,基于动态电压频率调节(DVFS)的实时节能调度技术研究得较少,还有许多问题亟待解决。本文介绍了多核系统中动态电压频率调节技术,分析讨论了当前多核系统中实时调度研究进展,主要针对同构多核、异构多核、并行任务模型和弱硬实时模型等方面,深入探讨了多核系统中基于DVFS的实时节能调度。本文结合多核系统、电压频率动态调节节能和实时调度,探索了多核系统中的实时节能调度,奠定了理论和技术基础,具有重大的理论意义和现实应用价值。     

实时虚拟化环境中的负载均衡与准入控制算法

虚拟化技术在实时嵌入式系统中的应用日趋广泛,但是目前虚拟化环境中常见的调度与负载均衡算法并不适用于硬实时系统中。为满足多核平台上虚拟化环境中对实时任务的支持,通过对Xen虚拟化环境中的SEDF调度算法进行改进,提供了一种在多核硬件平台下虚拟化环境中的准入控制与负载均衡算法。该算法能够保证每个处理器核上的工作量不会超载,并保证每个虚拟机中任务的实时性及其服务质量。算法实现较为简单、运行时开销较小。     

基于RTW的空间机器人遥操作实时仿真系统

搭建了一套实时仿真系统以作为空间机器人遥操作的研究平台.系统以两台PC机分别模拟主从端的运行情况,主端PC连接通用力反馈游戏手柄作为主手输入设备,从端PC挂接嵌入式处理器(PC/104)用作空间机械手的实时仿真;主从端信号传输时延根据TCP/IP协议由软件模拟产生.利用Madab中的RTW/xPC Target工具箱将空间机械手模型编译为实时可执行代码,下载到嵌入式处理器(PC/104)实时执行,保证了手柄输入和空间机械手Simulink模型间的时钟同步.结合给定模型数据,完成了空问机械手实时位置跟踪实验,证明了系统搭建方案的可行性.系统对空间机器人遥操作的研究起到了很好的支撑作用.     

基于多核处理器并发计算软件构架设计与实现

目前在诸多IT应用领域中,对处理器芯片的实时并发处理能力的要求越来越高,促使多核处理器芯片以及以多核处理器为核心的高性能应用系统迅猛发展.本文提出的基于异构多核处理器系统在高性能并发处理应用中的三层软件构架,充分利用了异构处理器的多核结构,为并发处理应用进行加速;同时,该构架大大简化了异构多核平台的应用开发编程.该软件构架的有效性在基于Cell处理器平台的面向电信应用的语音会议原型系统中得到了初步试验验证.     

多核系统中基于Global EDF 的在线节能实时调度算法

随着多核系统能耗问题日益突出,在满足时间约束条件下降低系统能耗成为多核实时节能调度研究中亟待解决的问题之一.现有研究成果基于事先已知实时任务属性的假设,而实际应用中,只有当任务到达之后才能够获得其属性.为此,针对一般任务模型,不基于任何先验知识提出一种多核系统中基于Global EDF在线节能硬实时任务调度算法,通过引入速度调节因子,利用松弛时间,结合动态功耗管理和动态电压/频率调节技术,降低多核系统中任务的执行速度,达到实时约束与能耗节余之间的合理折衷.所提出的算法仅在上下文切换和任务完成时进行动态电压/频率调节,计算复杂度小,易于在实时操作系统中实现.实验结果表明,该算法适用于不同类型的片上动态电压/频率调节技术,节能效果始终优于Global EDF算法,最多可节能15％～20％,最少可节能5％～10％.     

一种机载DSP系统主控机的实时计算模型

现代机载数字信号处理（DSP）系统中的主控机是具有严格实时需求的计算环境，负责实时存储，显示和控制等重要功能，针对机载DSP系统的特殊性及其对实时计算的具体需求，提出了一种基于实时Linux技术的实时计算模型，它通过与操作系统层的实时支持相结合，实现了包括多任务并发的实时调度方法，硬实时和软实时任务协同工作机制以及实时事件驱动机制在内的完整运行环境，相对于现有的基于分时操作系统的方案，实时性能更为可靠，计算资源利用率高，相对于使用受严格许可证限制的商业实时操作系统的技术，应用开发灵活易行，软件成本更低。     

异构多核处理器体系结构设计研究

多核技术成为当今处理器发展的重要方向,异构多核处理器由于可将不同类型的计算任务分配到不同类型的处理器核上并行处理,从而为不同需求的应用提供更加灵活、高效的处理机制而成为当今研究的热点.本文从体系结构的角度探讨了异构多核处理器设计中的关键点,从内核结构、互连方式、存储系统、操作系统支持、测试与验证、动态电压调节等方面分析...     

面向WCET估计的Cache分析研究综述

实时系统时间分析的首要任务是估计程序的最坏情况执行时间(worst-case execution time,简称WCET).程序的WCET 通常受到硬件体系结构的影响,Cache则是其中最为突出的因素之一.对面向WCET计算的Cache分析研究进行了综述,介绍了经典Cache分析框架与Cache分析核心技术,并从循环结构分析、数据Cache分析、多级Cache分析、多核共享Cache分析、非LRU替换策略分析等角度介绍了Cache分析在不同维度上的研究问题与主要挑战,总结了现有技术的优缺点,展望了Cache分析研究的未来发展方向.     

Using design space exploration for finding schedules with guaranteed reaction times of synchronous programs on multi-core architecture

The synchronous model of computation is well suited for real-time systems, because it allows static analysis in order to find and guarantee their reaction times. Today’s multi-core systems are becoming the predominant computing platforms. Synchronous programs are typically compiled into single threaded code, which makes them unsuitable for exploiting parallelism of the multi-core platforms. Moreover, static timing analysis becomes highly intractable for multi-core systems. This article proposes a novel methodology that aims at finding the mapping and schedule of synchronous programs that guarantees, statically, reaction times when mapped onto a multi-core system consisting of two types of time-predictable cores. The proposed methodology combines design space exploration based on evolutionary algorithm and scheduling of parts of synchronous programs. It allows minimizing the resource usage in terms of number of cores by finding the mapping and schedule with the guaranteed reaction time for architectures with different number of cores. In particular, we: (a) transform a synchronous program written in synchronous SystemJ to a graph-based model represented with two types of computation nodes suitable for execution on two types of time-predictable cores, (b) perform mapping of computation nodes on a customizable multi-core platform using genetic operations, and (c) generate a resulting static schedule of computation nodes for each mapping as part of the design space exploration. The design flow, from program specification and node mapping to the design space exploration and multi-core scheduling is completely automated.     

模拟实时系统的点区间优先级时间Petri网与TCTL验证

时间Petri网为实时系统提供了一种形式化的建模方法, 时间计算树逻辑(TCTL)为描述实时系统与时间相关的设计需求提供了一种逻辑化的表达方式, 因此基于时间Petri网的TCTL模型检测广泛应用于实时系统的正确性验证.然而对于一些涉及优先级的实时系统, 例如多核多任务实时系统, 这里不仅需要考虑任务之间的时间约束还要考虑任务执行的优先级以及引入优先级带来的抢占式调度问题, 致使相应的建模和分析变得更加困难.为此, 本文提出了点区间优先级时间Petri网, 通过在时间Petri网上定义变迁发生的优先级以及变迁的可挂起性, 从而可以模拟实时系统的抢占式调度机制, 即首先高优先级的任务抢占低优先级的任务所占用的资源, 导致后者被中断, 然后前者执行完毕后释放资源, 最后后者再次获得资源从中断的地方恢复.本文通过点区间优先级时间Petri网来模拟多核多任务实时系统, 使用TCTL来描述它们的设计需求, 设计了相应的模型检测算法, 开发了相应的模型检测器以验证它们的正确性.我们通过一个实例来说明我们的模型和方法的有效性.     

Scheduling algorithms based on weakly hard real-time constraints

The problem of scheduling weakly hard real-time tasks is addressed in this paper.The paper first analyzes the characters of μ-pattern and weakly hard real-time constraints,then,presents two scheduling algorithms,Meet Any Algorithm and Meet Row Algorithm,for weakly hard real-time systems.Different from traditional algorithms used to guarantee deadlines,MeetAny Algorithm and Meet Row Algorithm can guarantee both deadlines and constraints.Meet Any Algorithm and Meet Row Algorithm try to find out the probabilities of tasks breaking constraints and increase task‘s priority in advance,but not till the last moment.Simulation results show that these two algorithms are better than other scheduling algorithms dealing with constraints and can largely decrease worst-case computation time of real-time tasks.     

多核平台上Top-k查询的性能优化

随着Web搜索引擎等实际应用的发展,Top-k查询的实时性能日益受人关注.为了提升Top-k查询在高性能计算机上的实时性能,本文针对领域中具有代表性的No Radom Access(NRA)程序进行性能分析,根据多核处理器的结构特点,采用分层的优化方法对NRA程序进行并行优化.通过使用数据结构调整,任务调度等方法优化,优化后程序在实验数据集上获得了59%的串行性能提升,并具有接近线性的加速比.     

基于多核实时操作系统的配置工具设计

多核实时操作系统相对于单核操作系统功能更多,使用也更为复杂。针对多核操作系统的配置、裁剪、移植带来不便的问题,提出一种多核实时操作系统的应用配置工具,该工具可以提高基于多核实时操作系统的应用开发效率,大幅降低出错率。首先,针对重庆邮电大学自主研发的多核控制操作系统(CMOS),对配置工具进行层次模块化设计,并根据CMOS需求设计一种可视化配置工具,完成界面生成引擎与代码自动生成;其次,为保证配置的逻辑正确性,提出了配置关联性检测。实验表明,多核操作系统配置工具的代码生成时间短、错误率低,适用于操作系统CMOS,从而验证了该配置工具的可行性;与开发人员自主查错方式相比,关联性检测提高了查错速率,能快速定位错误代码位置,保证配置文件生成的正确性,因此该配置工具可以有效促进CMOS多核操作系统的应用。     

一种降低核间通信开销的调度算法

近年来,多核处理器在嵌入式领域得到越来越广泛的应用,但多核间不可避免的通信开销阻碍了系统性能大幅提升,因此研究如何降低核间通信开销变得尤为重要. 针对同构多核平台上周期依赖任务,提出一种降低核间通信开销的任务调度算法并在该基础上进行优化,通过对部分任务预先调度一个周期,将周期内任务间的数据依赖转换成周期间的数据依赖,从而缩短调度长度,提高系统性能. 对以上算法进行仿真模拟,并分别在双核和四核平台上进行多组实验. 结果表明：提出的调度优化算法可以显著降低周期依赖任务核间通信开销,提高执行效率.