多核多任务实时并行处理平台技术研究.pdf
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1、引用格式:李成文丰生磊朱志强等.多核多任务实时并行处理平台技术研究.航空计算技术():.():.多核多任务实时并行处理平台技术研究李成文丰生磊朱志强李欣瑶陆 鑫(.航空工业西安航空计算技术研究所陕西 西安.机载弹载计算机航空科技重点实验室陕西 西安)摘 要:新型高性能飞机对机载处理系统提出了性能高、功能强、功耗低、体积小、造价低的迫切要求多核技术的出现可使机载设备集成化程度更高模块数量减少同时也降低了设备成本、能耗和体积使机载计算机具备更高的功能密度 提出了一种基于多核多任务实时并行处理的软硬件平台体系架构突破了多核实时任务并行化技术、多核硬件虚拟化技术、多核混合关键任务综合技术、多核处理平台
2、管理技术并研制出原理样机对多核处理平台软硬件进行了系统验证关键词:多核处理平台多核并行处理高性能计算中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引言高性能计算的需求促使处理器技术向更快、更强的方向发展而受限于频率、功耗、线延时、设计复杂度等因素的影响依赖于传统的单核架构提升处理性能已变得越来越困难相对于传统单核处理器结构多核处理器可以提供更强的处理能力因而成为众多高性能计算平台的首选解决方案 多核处理具有不少优势:高性能任务并行执行多设备集成减少设备间连接减少热负荷同样性能功耗低于单核单位功耗计算性能更高减小设备体积高集成度单位体积更高计算能力 从 的观点看由于市场朝着单核处理器走向消
3、亡发展在嵌入式飞机系统中引进多核处理器是不可避免的国外欧盟、美国海军/空军、世界著名航空电子设备厂家以及大学正在联合开展机载高性能处理相关理论研究、标准制订、关键技术攻关以及相关技术验证工作 其机载高性能处理体系架构硬件采用多核处理器软件采用 架构以及多核操作系统采用信收稿日期:修订日期:基金项目:航空科学基金项目资助()作者简介:李成文()男湖南临武人研究员第 卷 第 期航 空 计 算 技 术.年 月 .息(数据)驱动的资源管理方式 系统具有海量信息处理能力、软件重用能力、可扩展性、支持各种航电任务计算的能力(实时性)以及动态重构能力和易用性与单核处理器机载设备相比多核技术的出现可使机载设备
4、集成化程度更高模块数量减少的同时也降低了设备成本、能耗和体积使得机载计算机具备更高的功能密度 新一代高性能飞机要求机载处理系统性能高、功能强、功耗低、体积小、造价低这些需求促使我们开展机载多核多任务实时并行处理平台相关技术研究为新一代飞机发展提供支撑 多核软硬件平台体系架构如图 所示多核软硬件平台分硬件层、操作系统层、应用层图 多核软硬件平台体系架构硬件层由多核处理器模块、网络交换机模块组成每个多核处理器模块包含 核处理器通过网络交换机模块双余度 网络互连形成多核硬件平台多核处理器模块每一个处理器核都有自己私有的 提供共享的 来提高运行效率以及 利用率 在处理器核心与共享资源之间有 个交换结构
5、负责管理 个处理器核心对于共享资源的访问操作系统层管理由多核操作系统引导启动、配置数据、多核任务管理、多核时间管理、多核中断管理、多核同步互斥、多核结构支持、系统管理、通信管理、存储管理、用户管理以及扩展管理等功能组件 操作系统层解决共享、共享内存、共享存储器、机间中断等可能引起独立应用之间干扰的问题同时采取自旋锁()、原子操作、内存屏障、和 预留机制等互斥/同步机制解决多核带来的程序并发性问题应用层按功能任务划分若干应用分区通过配置蓝图进行应用分区调度 在机载综合化系统中由于实时、非实时应用的共存要求既能够保证实时任务的运行要求又能够保证非实时应用 在处理资源充足的情况下系统按照配置蓝图进行
6、静态应用分区调度也就是每个应用分区静态分配处理资源实时运行因为在硬件故障出现处理资源不足的情况下采用混合分区公平调度技术进行动态应用分区调度在保证高优先级的任务优先运行的基础上还能够保证低优先级任务的运行 关键技术.多核实时任务并行化技术多核实时任务并行化的基本思想是把应用任务集进行划分每个任务为一个独立应用分区通过在蓝图配置分配的处理核心上进行调度执行 在机载综合化系统中由于实时、非实时应用的共存要求能够实时和非实时应用 在处理资源充足情况下系统按照配置蓝图进行静态应用分区调度也就是每一个应用分区静态分配处理资源实时运行因为硬件故障出现处理资源不足情况下采用混合分区公平调度技术进行动态应用分
7、区调度思路是“统一调度中断先行”优先处理重要事件给高优先级任务所在分区分配足够时间低优先级任务分配较少时间在保证高优先级的任务优先运行的基础上保证低优先级任务的运行尽可能保证系统应用功能任务不降级分区的通信效率影响并行任务系统的性能通过综合设计手段提高分区间的通信效率 提高性能的措施包括通信代码优化和零拷贝技术 对于大批量数据的传递通过采用分区地址空间的临时映射与共享技术完成分区间数据传递的零拷贝其安全问题可通过页表属性控制技术达到 采用分区间通信()和共享内存两种方式满足分区间的数据交换需求 通信设计有 种类型的 以满足不同长度数据的通信需求 这 类 分别是短、长 和扩展 使用短 通信两个分
8、区之间只能传输基本消息寄存器()的内容基本消息寄存器是那些可以映射到硬件真实寄存器的寄存器使用长 通信两个分区之间传递的是整个消息缓冲的内容使用扩展 通信消息缓冲已不限于存储在任务控制块中它可以存储于调用者的任何地址空间而且允许存储消息内容的页发生页故障在单核处理器结构中只要能保证对临界资源操作的过程中不会发生任务调度并且不会发生中断就 航 空 计 算 技 术 第 卷第 期保证了操作的互斥性 但在多核处理器上由于系统中有多个处理器核在独立地运行即使能在单条指令中完成的操作也有可能受到干扰 自旋锁是保证多个处理器内核不会对同一段代码产生重入问题的最佳手段 传统自旋锁采用无序竞争的方式内核执行任务
9、无法保证何时可以取到锁某些执行任务可能需要等待很长的时间影响到了系统的实时性 本项目基于“先来先服务”的思想实现排队自旋锁使申请锁的任务可以按申请的顺序获得锁 在此基础上构建出更多的适合于多核任务的同步与互斥措施比如信号量、事件计数等因为在硬件故障出现处理资源不足的情况下大部分资源分配给高优先级任务运行少部分资源分配给低优先级任务此时低优先级任务采用基于全局队列的任务调度方法并结合任务与处理器核的绑定技术确保任务执行的确定性 具体做法是把少部分处理器核按照分区划分为不同的集合并分配不同的低优先级任务队列每个队列对应一个分区对应的处理器核集合隶属于某分区的处理器核调度时共享该队列获得就绪任务运行
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