基于WCET的多核共享资源冲突分析与约束研究

随着片上多核处理器在嵌入式实时系统中的应用,片上共享资源给任务的WCET分析带来诸多挑战,使得对多核共享资源冲突问题的研究变得非常重要。依据研究的目标,可以把目前已有的研究分为面向共享资源冲突分析和面向共享资源冲突约束两大类。对于面向共享资源冲突分析问题,探讨了不同共享资源冲突产生的原因,概括和比较了典型的冲突分析方法的优势和局限性;对于面向共享资源冲突约束问题,给出了其主要的研究内容,并评述和分析了几种主流的冲突约束方法。最后针对目前的研究状况指出了一些研究方向。     

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.     

实时多核嵌入式系统研究综述

随着计算机系统与物理世界的结合越来越紧密,实时系统需要承担越来越复杂的运算任务.多核处理器的兴起为同时满足实时性约束和高性能这两方面的需求提供了可能.基于多核处理器的实时嵌入式系统的研究已成为近几年研究的热点.对现有的面向实时多核嵌入式系统的研究工作进行了综述,介绍了实时多核嵌入式系统的关键设计问题,从多核共享资源干扰及管理、多核实时调度、多核实时程序并行化、多核虚拟化技术、多核能耗管理和优化等几个方面对现有研究工作进行了分析和总结,并展望了实时多核系统领域进一步的研究方向.     

多核共享资源冲突延迟上限优化方法

嵌入式多核结构的共享资源冲突是硬实时任务最差情况执行时间(worst-case execution time,WCET)估算的难点,而且通过减少共享资源冲突延迟的估算可以减少硬实时任务的WCET估算值,提高硬实时任务的可调度性。针对带有冲突感知总线(interference-aware bus arbiter,IABA)的嵌入式多核结构,提出了一种基于bank-column缓存划分的访存请求冲突延迟上限优化方法,根据bank冲突次数和冲突延迟上限的关系,该方法通过优化bank到核映射来减少bank冲突发生次数,从而减小冲突延迟上限和WCET估算值。实验结果表明,与现有冲突延迟上限界定方法相比,提出的方法能减少约29%的WCET估算值。     

基于多级一致性协议的多核处理器WCET分析方法

由于多核处理器优越的计算性能,多核处理器现已广泛应用在嵌入式实时系统中.相对于单核处理器,多核处理器存在资源共享竞争、并行任务干扰等因素,尤其是缓存（Cache）一致性问题,导致任务最坏情况执行时间（worst-case execution time,WCET）的预测更加困难.基于以上因素,提出基于多级一致性协议的多核处理器WCET分析方法.该方法针对多级一致性协议体系架构,提出多级一致性域的概念,将多核处理器的数据访问分为域内访问和跨域访问2个层次,根据Cache读写策略和MESI(modify exclusive shared invalid)一致性协议,得出一致性域内部和跨一致性域的Cache状态更新函数,从而实现多级一致性协议嵌套情况下的WCET分析.实验结果表明,在改变Cache配置参数的情况下,该方法分析结果与GEM5仿真结果的变化趋势一致,经过相关性分析,GEM5仿真结果与该方法分析结果相关性系数不低于0.98;在分析精度方面,该方法的平均过估计率为1.30,相比现有方法降低了0.78.     

基于取指执行时序范畴的多核共享Cache干扰分析

在多核结构中,获得并行应用线程的安全、精确的最坏情况执行时间(worst case execution time,WCET)的最大挑战之一在于共享资源的竞争冲突检测.在共享Cache的多核处理器中,线程在共享Cache中的指令可能被其他并行线程的指令替换,从而导致了线程间在共享Cache上的干扰,因此多核结构下线程WCET需要考虑并行线程间在共享Cache上的干扰.在现有的简单地址映射干扰分析基础上,考虑了指令取指执行时序因素对干扰的影响,提出了非干扰状态的充分不必要条件,根据指令的取指执行时序范畴判断线程在共享Cache上的干扰状态.通过排除非干扰状态,可以进一步精确多核结构中线程的WCET估值.理论分析证明了该方法的有效性.实验结果表明,与当前现有的考虑执行周期和基于逻辑访问先后顺序的方法相比,基于时序方法下的WCET估值分别可以提高12％和7％的精确度.     

一种实时Java处理器''''区域''''内存实现模型

Java实时规范（RTSJ）提出的‘区域’内存（Scoped Memory）既避免了垃圾回收对系统实时性的影响，又能充分利用内存空间，引起了众多研究人员的重视．本文讨论了‘区域’内存的实现及影响最坏情况下执行时间（WCET）的因素，并提出一种针对嵌入式实时Java处理器的‘区域’内存实现模型．该模型中非实时处理在字节码被执行之前完成，消除了运行时管理‘区域’内存对WCET的影响，在简化处理器实现的同时保证了运行时WCET的可预测性．     

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.     

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。     

异构处理器多操作系统协同技术研究

随着嵌入式设备应用场景日趋复杂的变化,异构多核架构逐渐成为嵌入式处理器的主流架构.目前,多核处理器主要采用的单操作系统模式在实际应用中存在诸多局限性.为了充分发挥异构处理器的多核特性,针对异构处理器不同核部署相应的操作系统并实现多操作系统协同处理技术至关重要.本文对异构多核处理器（ARM+DSP）操作系统进行了研究,在异构多核平台上成功移植了嵌入式Linux和国产DSP实时操作系统ReWorks;为实现ReWorks与Linux操作系统协同处理,本文对核间通信的关键技术进行分析研究,并以TI公司的AM5718为例,设计了一系列多核异构通信组件.经测试,本文设计的异构通信组件实现了在ARM上对DSP核进行ReWorks操作系统和应用程序的动态加载、Linux与ReWorks核间消息收发、以及Linux与ReWorks的协同计算等功能.     

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。     

Worst‐case execution time analysis for a Java processor

In this paper, we propose a solution for a worst‐case execution time (WCET) analyzable Java system: a combination of a time‐predictable Java processor and a tool that performs WCET analysis at Java bytecode level. We present a Java processor, called JOP, designed for time‐predictable execution of real‐time tasks. The execution time of bytecodes, the instructions of the Java virtual machine, is known to cycle accuracy for JOP. Therefore, JOP simplifies the low‐level WCET analysis. A method cache, which fills whole Java methods into the cache, simplifies cache analysis. The WCET analysis tool is based on integer linear programming. The tool performs the low‐level analysis at the bytecode level and integrates the method cache analysis. An integrated data‐flow analysis performs receiver‐type analysis for dynamic method dispatches and loop‐bound analysis. Furthermore, a model checking approach to WCET analysis is presented where the method cache can be exactly simulated. The combination of the time‐predictable Java processor and the WCET analysis tool is evaluated with standard WCET benchmarks and three real‐time applications. The WCET friendly architecture of JOP and the integrated method cache analysis yield tight WCET bounds. Comparing the exact, but expensive, model checking‐based analysis of the method cache with the static approach demonstrates that the static approximation of the method cache is sufficiently tight for practical purposes. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

适用于嵌入式实时数据库系统的接纳控制机制IACM

接纳控制机制IACM综合考虑事务的执行需求和价值，通过减少被系统接纳执行而过后又夭折的事务数量来减少资源浪费．与传统的依赖于事务优先级的抢占策略不同，在IACM中，只有高优先级事务的价值不小于被抢占事务的价值总和该事务才被接纳，其总体目标是使系统获得的价值最大；另外，IACM建立在基于替代的实时事务模型上，适用于嵌入式实时数据库系统．最后的模拟实验比较了各典型接纳控制策略的性能。     

Modeling Control Speculation for Timing Analysis

The schedulability analysis of real-time embedded systems requires worst case execution time (WCET) analysis for the individual tasks. Bounding WCET involves not only language-level program path analysis, but also modeling the performance impact of complex micro-architectural features present in modern processors. In this paper, we statically analyze the execution time of embedded software on processors with speculative execution. The speculation of conditional branch outcomes (branch prediction) significantly improves a program's execution time. Thus, accurate modeling of control speculation is important for calculating tight WCET estimates. We present a parameterized framework to model the different branch prediction schemes. We further consider the complex interaction between speculative execution and instruction cache performance, that is, the fact that speculatively executed blocks can generate additional cache hits/misses. We extend our modeling to capture this effect of branch prediction on cache performance. Starting with the control flow graph of a program, our technique uses integer linear programming to estimate the program's WCET. The accuracy of our method is demonstrated by tight estimates obtained on realistic benchmarks.     

Enhancing OSGi with real‐time Java support

OSGi was designed with embedded systems in mind, its current support is insufficient for coping with one main characteristic of many embedded systems: real‐time performance. This article analyzes different key issues in providing OSGi with real‐time Java performance covering motivational issues, and different integration ways and challenges stemming from the integration. It also contributes a general framework for introducing real‐time performance in OSGi, which is called the real‐time for OSGi framework. The framework uses real‐time Java virtual machines and the real‐time specification for Java. The adoption of this framework allows cyber‐physical systems to experience real‐time Java performance in their applications. The framework introduces several integration levels for OSGi and real‐time specification for Java, and specific real‐time OSGi services. An empirical implementation was carried out using standard software, which was extended with the new defined services. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

端到端实时CORBA系统调度模型及其可调度性研究

实时CORBA系统中的基本问题是如何合理分配有限的计算资源和通信资源以保证各个实时任务的时间需求。该文以固定优先级方式调度的、周期性任务的硬实时系统为研究对象，提出了端到端实时CORBA系统调度模型，该模型综合考虑了客户端系统的处理、服务对象处理、网络传输等几大主要因素，而且可以描述服务对象间的嵌套调用关系，因而能全面描述实时CORBA系统中客户调用过程。在此基础上，该文基于非连续工作型同步协议，应用时间需求分析方法，研究并提出了该模型的可调度性分析算法。     

基于RTW ERT/VxWorks的实时仿真方法实现

介绍了一种基于RTW Embedded Coder和嵌入式操作系统VxWorks的实时仿真方法.在一些实时性要求较高的仿真系统中,怎样能够在不加大开发难度的情况下提高仿真的实时性是一个需要解决的问题.Matlab中的RTW是专门为实时仿真设计开发的.VxWorks是一个非常实时的嵌入式开发系统,利用代码生成工具将ERT嵌入式目标自动生成优化的嵌入式实时C代码,下载到VxWoks嵌入式实时操作系统下运行,主机运行Simulink模型,目标机运行实时代码,保证了实时性.同时提供了利用C-API接口实现在线调参的方法,与传统的基于Tornado实时目标和VxWorks的实时仿真方法相比,更加利于对模型参数进行访问.     

现代仪器用实时分布式操作系统

为了给多功能,多参数,智能化,网络化的现代仪器系统提供一和中更好的硬件支撑环境,作者研制了现代仪器用弱实时分化布式操作系统（ＩＯＷＲＴＤＯＳ）其结构自底向上分为３层,通用硬件接口（ＧＨＩ）层,微内核（Ｍｉｃｒｏｋｅｒｎｅｌ）层和全局共享对象（ＧＳＯ）层,ＧＨＩ封装了硬件细节,为操作系统的其余部分提供了一个理想的机器结构,Ｍｉｃｒｏｋｅｒｎｅｌ是ＩＯＷＲＴＤＯＳ的核心,主要提供内存管理,多线程管理和     

Joint task assignment and cache partitioning with cache locking for WCET minimization on MPSoC

Cache locking technique is often utilized to guarantee a tighter prediction of Worst-Case Execution Time (WCET) which is one of the most important performance metrics for embedded systems. However, in Multi-Processor Systems-on-Chip (MPSoC) systems with multi-tasks, Level 2 (L2) cache is often shared among different tasks and cores, which leads to extended unpredictability of cache. Task assignment has inherent relevancy for cache behavior, while cache behavior also affects the efficiency of task assignment. Task assignment and cache behavior have dramatic influences on the overall WCET of MPSoC. This paper proposes joint task assignment and cache partitioning techniques to minimize the overall WCET for MPSoC systems. Cache locking is applied to each task to guarantee a precise WCET. We prove that the joint problem is NP-hard and propose several efficient algorithms. Experimental results show that the proposed algorithms can consistently reduce the overall WCET compared to previous techniques.