面向多核处理器的并行实时软件设计、分析与优化技术研究

As computer systems are more and more closely integrated into the physical world, real-time systems are required to perform more and more complex computation tasks. The development of multi-core processors makes it possible to fulfill the requirements of both real-time constraints and high computation demands. To fully exploit the processing capacity of multi-core processors, programs must be properly parallelized. Existing real-time system design methodologies are based on serial programs, and thus are not suitable to the development of parallel real-time software. To solve this problem, this project will study the design, analysis and optimization of parallel real-time software on multi-core processors. The research subjects include: 1) an overall framework for parallel real-time software, 2) static program analysis, 3) real-time scheduling and analysis, 4) run-time performance optimization. By investigating the above topics, this project will establish the theoretical foundation for developing parallel real-time software on multi-core processors, propose key technologies and build basic software infrastructures, which will contribute to the development of high-performance multi-core real-time systems.

随着计算机系统与物理世界结合越来越紧密，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的两方面需求提供了可能。为了充分发挥多核处理器的运算能力，需要将计算机程序进行并行化。现有的实时系统设计方法面向串行执行的程序，无法适用于并行实时软件的开发。为此，本课题将对多核处理器上并行实时程序的设计、分析与优化方法进行研究。具体开展如下研究：1）并行实时软件总体框架；2）静态程序分析；3）实时调度与分析；4）运行时性能优化。通过上述研究，为多核处理器上并行实时软件的设计建立理论基础，突破关键技术，搭建软件基础设施，最终推动高性能多核实时系统的发展。

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的两方面需求提供了可能。为了充分发挥多核处理器的运算能力，需要将计算机程序进行并行化。现有的实时系统设计方法面向串行执行的程序，无法适用于并行实时软件的开发。为此，需要突破将实时系统部署到多核平台上所面临的理论与技术问题。. 本项目在多核实时软件建模、多核并行程序时间分析、实时调度与可调度性分析、多核实时系统性能优化等方面开展了大量研究。主要贡献包括：. （1）多核实时软件建模理论与技术：提出了完整的OpenMP并行程序性能建模框架，构建了能够准确刻画OpenMP关键并行行为的模型，并针对这些模型提出了相应的实时调度技术。所提出的方法解决了OpenMP并行程序抽象建模的问题，所提出的模型在分析精度和分析效率方面都具有明显优势。. （2）多核并行程序时间分析：提出了一种全新的面向可抢占系统的Cache访问延迟分析技术，能够更加精确的分析抢占造成的Cache访问延迟。研究了并行实时系统的锁机制，并提出了新的技术分析锁机制造成的任务执行时间阻塞延迟。针对大规模并行的系统，提出了实时演算分析技术，实现了对系统资源访问延迟的精确、高效分析。. （3）多核实时调度：针对DAG任务模型，提出了面向具有任意截止期时间的DAG并行任务的实时调度分析技术；面向多核并行实时任务的半联合调度技术；异构多核DAG任务响应时间分析技术；实时DAG任务的利用率-密度界限分析技术。所提出的技术解决了诸多DAG任务实时调度问题，显著提高了可调度性分析的精度。. （4）多核实时系统性能优化：提出了ROS系统响应时间分析与优先级分配技术，多核DAG任务的优先级分配与响应时间分析技术，非精确混合关键系统实时调度技术与可调度性分析。所提出的技术有效的提高了多核实时系统的总体性能。. 项目研究成果对于多核实时系统的设计理论、关键技术的发展起到了推动作用。