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安全关键应用中异构臂芯的软件注意事项

嵌入式系统受益于多核处理器的使用,它们具有更高的吞吐量以及更好的尺寸,重量和功耗。具有异构处理器内核的处理器增加了将应用程序与每种内核类型的功能进行匹配的能力,从而进一步提高了吞吐量和功耗。多核处理器的优势在于软件体系结构的复杂性不断提高,以最大化处理器内核的利用率。对于实时系统,特别是对安全至关重要的系统,由于争用处理器内核之间共享的资源,多核处理器对严格的确定性提出了重大挑战。对于异构内核,这一挑战越来越大,因为最坏情况下的执行时间可能会根据应用程序执行的内核而有所不同。

为了实现多核解决方案的吞吐量和功耗优势,软件体系结构需要支持可用处理器核的高利用率。必须支持所有多核功能,从启用内核的并发操作(相对于将可用内核强制进入空闲状态或在启动时保持复位状态)到提供确定性负载平衡的机制。软件多处理体系结构越灵活,系统架构师就需要更多工具来实现高利用率。

软件多处理架构         

像多处理器系统一样,多核处理器上的软件体系结构可以通过内核之间共享和协调的数量来分类。对于基于多核的系统,最简单的软件体系结构是不对称多处理,其中每个核独立运行,每个核都有自己的操作系统或虚拟机管理程序/来宾操作系统对。每个内核运行一个不同的应用程序,在调度方面,内核之间很少或根本没有有意义的协调。由于缺乏负载平衡,难以缓解共享资源争用以及无法执行跨内核的协调活动(如全面的内置测试所需),这种解耦可能导致利用率不足。

AMP的现代替代方案是对称多处理(SMP),其中单个OS控制所有资源,包括哪些应用程序线程在哪些内核上运行。这种架构易于编程,因为所有内核都对称地访问资源,从而使OS可以将任何线程分配给任何内核。对于具有异构内核的处理器(例如i.MX 8QuadMax),不知道应用程序将在哪种类型的内核上运行会导致广泛的执行时间,从而极大地影响确定性性能。

绑定多处理(BMP)是直接解决该问题的方法,它是SMP的增强形式和受限形式,可以将应用程序的任务/线程静态绑定到特定的内核。静态绑定使系统架构师可以严格控制多个内核的并发操作。

确保确定性行为

除了实现多核处理器的吞吐量和SWaP目标外,安全性至关重要的系统还需要为每个应用程序维持可预测的最坏情况执行时间(WCET)。使用BMP限制与应用程序配对的内核类型是确保异构系统中确定性行为的重要组成部分。确保确定性的其他技术是时间和空间划分以及管理共享资源的争用。

在单核处理器中,可以通过在托管应用程序之间稳健地划分内存空间,在同一处理器上执行多个安全关键型应用程序。内存空间分区将内存的非重叠部分专用于在给定时间运行的每个应用程序,这由处理器的内存管理单元(MMU)强制执行。确定性可以通过使用时间分区来进一步增强,该方法可以将固定的时间间隔(称为主帧)划分为一系列固定的子间隔(称为分区时间窗口)。每个应用程序都分配了一个或多个分区时间窗口,窗口的长度和数量由应用程序的WCET和所需的重复率驱动。

多核干扰挑战确定性

在多核环境中,可以有多个应用程序同时跨不同的内核运行。这些并发的应用程序每个都需要访问处理器的资源。每个处理核心都有一些专用资源,但是大多数资源在处理器核心之间共享,包括内存控制器,I / O,共享缓存以及连接它们的内部结构。当多个处理器内核尝试同时访问同一资源时,将导致这些共享资源的竞争。在航空电子设备等对安全至关重要的应用中,主要关注的问题是这种共享资源争用如何导致一个内核上运行的应用程序干扰另一内核上运行的应用程序,从而对确定性,服务质量以及最终的安全性产生负面影响。

如果不加以缓解,共享资源争用的影响可能会很大。如果只检查一种共享资源DDR内存,则可能会猜想,当另一个内核试图访问相同的内存并且两个内核都在运行内存受限的应用程序时,WCET可能会加倍。实际上,由于共享资源仲裁和调度算法中的非线性行为,WCET可以增加8倍而不是2倍。尝试访问DDR存储器或争用其他资源(例如片上互连)的其他内核可能导致WCET增长得更大。

多核干扰缓解

缓解多核干扰的一种方法是手动调度应用程序以最大程度地减少资源争用。这种方法不会消除所有干扰,并且在任何单个应用程序被修改或添加新应用程序时,都需要重新测试和验证所有应用程序。另一种方法是仅安排一个单一的多任务应用程序一次运行。任务之间仍然会发生干扰,但是不会干扰其他应用程序。由于不同核类型上执行时间的变化,这种方法在具有异构核的处理器上特别无效。

一种更通用的方法是让OS管理共享资源争用。与OS使用硬件MMU通过将不同的内存区域分配给不同的应用程序来实现空间分区的方式相同,OS可以在每个核的基础上为共享资源分配带宽。解决OS中的多核干扰为系统集成商提供了有效,灵活和敏捷的解决方案。这还简化了新应用程序的添加,而无需对系统体系结构进行重大更改,并减少了重新验证活动。




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