多核实时系统中共享资源管理与分析技术研究

随着实时系统复杂度的日益提高，传统单核处理器已经无法满足性能、功耗等方面的要求，因此多核处理器应用于实时系统已经成为必然趋势。但是多核系统中大量存在软、硬件共享资源，造成并行任务之间存在大量细粒度的访问冲突。如果不能够对共享资源进行有效的管理和精确的分析，将严重影响实时系统的时间可预测性，导致任务接受率大大降低，多核处理器的性能优势将无法得到发挥。基于上述问题和当前研究存在的不足，本项目着力研究多核并行任务WCET敏感性分析技术，研究多核实时系统软、硬件共享资源管理机制与策略，研究冲突抽象建模与多核WCET分析技术，并将共享资源管理机制与策略的设计和任务的时间特性分析集成在一个统一的设计方法学框架中，以提高设计质量和分析精度，从而最终达到提高多核实时系统任务接受率的根本目标。

多核处理器应用于实时系统已经成为必然趋势。但是多核系统中大量存在软、硬件共享资，造成并行任务之间细粒度的访问冲突。如不能够对共享资源进行有效管理和精确分析，将严重影响实时系统的时间可预测性，导致任务接受率大大降，多核处理器的性能优势将无法得到发挥。针对这一问题与现状，本课题在多核实时系统的设计与分析方面开展了大量研究，主要研究内容与成果包括：（1）对近30年来的Cache行为分析研究进行了综述；（2）提出了一种结合抽象解释与模型检验的并行程序时间分析技术，该技术能够有效的建模共享资源的访问冲突、支持基于有向图的任务模型、能够对任务的同步进行建模，从而实现精确分析；（3）提出了一种新型Cache Persistence分析技术，为提高多核共享资源环境下程序中循环体的精确分析提供了新的方法和思路；（4）研究了MRU Cache替换策略下程序的平均性能与最坏性能并提出了新的分析方法；（5）研究了FIFO Cache替换策略下程序最坏性能的分析问题并提出了新的分析方法，以上两项工作在学术领域属于突破性工作，使得Cache分析与设计的研究更加贴近实际系统；（6）在多核共享资源管理方面，提出了面向Intel Ivy Bridge体系结构的Cache替换策略侦测技术；（7）研究和实现了基于页着色技术的多核共享存储体系结构管理技术；（8）设计并实现了一个多核并行程序时间分析工具，基于Linux操作系统实现了对多核共享Cache和共享内存的划分管理，该分析工具与运行时系统共同构成了一个多核实时系统设计与分析的整体框架。以上研究工作的开展，为多核共享资源的管理与分析提供了一些创新性的理论和技术，一定程度上能够推动多核处理器在实时系统中的应用。