CN107562685A - 一种基于延时补偿的多核处理器核心间数据交互的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于延时补偿的多核处理器核心间数据交互的方法，数据在发送核心发起传输的同时，发送核心触发处理器内部的定时器开始记数；当发送核心完成数据发送后，通过中断控制器触发接收核心的内部中断；接收核心利用中断处理函数响应该内部中断，并通知任务调度器激活接收任务。接收任务被激活后接收核心间数据的同时读取之前由发送核心触发的定时器的计数并复位该定时器。由定时器的计数得到该数据的由发起传输至接收任务接收完成的延时，并基于该延时对该数据进行延时补偿，避免了对共享资源访问的互锁以及对处理器核间通讯延时的精确计算，实现了高时间确定性的数据交互。

Description

一种基于延时补偿的多核处理器核心间数据交互的方法

技术领域

本发明具体涉及一种基于延时补偿的多核处理器核心间数据交互的方法。

背景技术

随着网络和计算机技术的飞速发展，对处理器的性能要求越来越高。而处理器的单核性能提升的手段主要是提高处理器的工作频率。而当处理器已经工作在较高频率时，处理器的工作频率提升变得非常困难，因此处理器的性能提升在处理器技术没有突破性进展时存在有一个无形的性能上限。为了克服这一无形的性能上限，处理器的整体性能的提升越来越依赖于在一颗处理器中添加多个处理器核心进行协同工作，从而可以实现处理器的处理能力几乎成倍的提升。

处理器多核心的协同工作极大的依赖于处理器核心之间的数据交互。目前，在多个处理器核心的数据交互上，业内更多的关注数据交互的效率和速率，这是由于多核心处理器主要应用于网络、存储等对实时性要求不高而对于性能要求较高的应用场景。

随着工业控制领域的发展，工业控制设备中集成的功能越来越多，实现的功能越来越复杂，普通的单核处理器在特定的应用场合下已经不再能够满足应用的需求，从而需要多核处理器中多个处理核心协同工作。由于工业控制应用场合的特殊性，部分数据交互的时间确定性要求非常高，即要求接收侧非常精确的了解该接收到的数据的生成或发送时间。而目前的核间交互的应用方案均未解决该数据交互的时间确定性问题，因此造成了多核处理器的多个处理核心在工业控制应用场合下极大的应用限制，即核心间不可以进行时间确定性要求的数据交互。

目前已经有部分专利用于描述特定的核间通讯方式，比如：专利申请号为200510087321.0，专利名称为：实时操作系统中多核处理器的核间通信方法及装置的中国发明专利申请，其针对于当时多核处理器的核间通信效率低、传递消息长度受限、通信模式不统一等问题，提出了一种基于共享消息池的无通信数据拷贝的数据交互方式，并提出了该通信数据交互的软件侧接口封装，从而可以简化应用程序的开发；该申请给出的数据交互的方法在大数据量的交互时，由于不存在额外的数据拷贝，因此在较大数据量信息交互时存在有一定的效率优势，该申请中利用核间的共享内存区进行核间数据交互。由于该共享内存区在多个核之间的共享，因此该共享内存区必然将引入额外的管理开销，因此在方案1中利用多核共享的自旋锁实现该共享内存区的互斥访问，从而可以保证共享内存区的数据完整性。而该自旋锁的引入将导致该共享内存区的访问出现等待甚至死锁的情况，因此数据交互的时间确定性完成无法得到保证；再比如申请号为200710160639.6，名称为一种多核多操作系统之间的通信方法及系统中国发明专利申请，其针对于在多核处理器中不同的处理器核心上运行不同的操作系统的设备，提出了一种多核多操作系统之间的通信系统，通过将多核心处理器的核心间交互数据交互进行高层次的虚拟化，虚拟成一个操作系统中常见的带有通讯属性的外设，比如以太网接口，从而可以实现在一个处理器中多个处理器核心上运行的操作系统可以在不进行改动即可以运行，降低了软件移植成本，该申请中将核间的数据交互虚拟为一个通讯接口，比如以太网接口或是串口，从而可以将原先运行于多个物理处理器中的应用程序直接迁移至一个处理器内部的多个处理核心中而避免对运行程序的代码进行较大的修改。该方案更多的专注于核间数据交互的抽象以及应用程序的移植的便利性，而并没有关注于底层数据交互的时间确定性，在工业控制领域并没有工程应用价值；还有申请号为201110452294.8，名称为多核处理器的核间通信方法的中国发明专利申请，多核处理器中不同处理器核心交互时，通常必须针对于特定的共享内存区进行操作，从而可以实现核心间的数据交互。而由于该共享的内存区在多个核心间共享，因此必然需要加入对该共享内存区的操作的互相锁定，从而可以保证共享内存区的数据的完整性，该申请实现了核间数据的无锁无拷贝的交互，具有一个较好的通讯效率。而且，在共享内存的分配以及使用时关注了处理器核心的缓存块的大小，从而可以有效的避免了缓存的无效刷新，进一步的提高了效率。但是在该发明的实现中，接收核心的中断响应延时、任务响应延时等均未被纳入考虑，因此核心间数据交互的时间确定性并不高，并不具有实际的工业控制领域的工程应用价值。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于延时补偿的多核处理器核心间数据交互的方法，实现了多核处理器内部处理器核心间具有时间确定性的数据交互，从而可以实现多个处理器核心协同完成高实时性要求的任务，极大的扩展了多核心处理器在工业控制领域的应用适应性。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于延时补偿的多核处理器核心间数据交互的方法，包括以下步骤：

(1)初始化共享资源，包括初始化共享内存和定时器的初始化分配；

(2)发送核心N发送数据；

(3)接收核心M接收数据；

(4)由定时器的计数得到该数据的由发起传输至接收任务接收完成的延时，并基于该延时对该数据进行延时补偿，从而实现多核处理器核心间数据交互。

进一步地，所述的发送核心N与接收核心M工作于非对称多处理模式或者对称处理模式下。

进一步地，所述步骤(1)中的初始化共享内存，具体包括以下步骤：

(1.1.1)划定核间共享内存的一个固定位置作为数据的交互区域，发送核心N拥有该交互区域的写权限，接收核心M拥有该交互区域的读权限；

(1.1.2)所述步骤(1.1.1)的初始化过程在发送核心N与接收核心M之间共同进行，以保证两个核心均已知该共享内存的分配。

进一步地，所述步骤(1)中的定时器的初始化分配，具体包括以下步骤：

(1.2.1)对处理器核间共享的定时器进行获取和分配，并确定使用某一定时器，发送核心N配置和触发该定时器，而接收核心M读取定时器的计数值并复位该定时器；

(1.2.2)发送核心N与接收核心M共同协定使用该定时器，并共同协议该定时器的记数频率为f，由发送核心N配置该定时器工作于该频率f。

进一步地，所述步骤(2)具体包括以下步骤：

(2.1)发送核心N首先触发在步骤(1)中确定并初始化完成的定时器，使之开始独立运行计数；

(2.2)将数据向在步骤(1)中确定的共享内存区域进行写入；

(2.3)发送核心N完成数据的写入操作后，通过中断控制器向接收核心M发送核间中断。

进一步地，所述步骤(3)具体包括以下步骤：

(3.1)接收核心M进入中断处理函数，中断处理函数对当前触发的中断进行依次响应，并最终响应由发送核心N触发的核间中断；

(3.2)中断处理函数调用核间中断的中断处理函数，该中断处理函数触发接收核心M上运行的操作系统的任务调度器进行重新调度；

(3.3)任务调度器激活接收任务，接收任务开始运行。

(3.4)接收任务从共享内存区域获取该数据。

进一步地，所述步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)接收任务从定时器中获取当前的计数值，假设计数值为n，则最终的整个接收延时为：

(4.2)根据该接收延时以及当前的时刻t，可以得到该数据的发送时间t_send为：

本发明的有益效果：

本发明的一种基于延时补偿的处理器内部核心之间的数据交互方法，数据在发送核心发起传输的同时，发送核心触发处理器内部的定时器开始记数；当发送核心完成数据发送后，通过中断控制器触发接收核心的内部中断；接收核心利用中断处理函数响应该内部中断，并通知任务调度器激活接收任务；接收任务被激活后接收核心间数据的同时读取之前由发送核心触发的定时器的计数并复位该定时器；由定时器的计数得到该数据的由发起传输至接收任务接收完成的延时，并基于该延时对该数据进行延时补偿，避免了对共享资源访问的互锁以及对处理器核间通讯延时的精确计算，实现了高时间确定性的数据交互。

附图说明

图1(a)为本发明一种实施例的整体流程示意图之一；

图1(b)为本发明一种实施例的整体流程示意图之二；

图2为本发明一种实施例的初始化共享内存的流程示意图；

图3为本发明一种实施例的定时器的初始化分配的流程示意图；

图4为本发明一种实施例的发送核心N发送数据的流程示意图；

图5为本发明一种实施例的接收核心M接收数据的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

核内通讯的一个重要的目的是：将数据由一个核心发送至该数据的处理核心进行处理。当数据已经准备好后，发送核心通常通过处理器内部的核间中断的方式实现对接收核心的通知。而接收核心的中断响应时间亦是一个重要的数据传输延时。

目前已经有非常多的高实时性的操作系统可以将中断响应延时控制在1微秒左右，但该延时通常是指物理中断触发至中断处理函数开始执行的延时，而中断处理函数执行完成时间并不包含在该延时中。

由于中断控制器的物理实现，一个中断控制器通常仅有一个共享的函数入口，因此中断处理函数通常需要处理当前触发的所有中断，因此中断处理函数的执行完成时间与当前已经触发的中断相关，而且与当前触发的中断对应的中断处理函数的执行时间相关。由于中断触发具有较大的随机性，从而造成了中断的响应延时亦存在有较大的随机性。

在目前的实时操作系统的实现中，数据的接收和复杂运算仅能够在任务中进行，否则会对操作系统的实时响应造成破坏，从而最终失去实时操作系统的意义。而哪怕是最优秀的一部分实时操作系统，其任务调度器的任务切换时间通常亦会在数个微秒。

而且任务调度器的切换时间与当前激活的任务的属性相关，而且由于中断可以抢断所有的任务的执行，因此该执行延时还与当前的中断触发情况相关。由于任务的执行、中断的响应等存在有较大的随机性，从而造成了任务调度及响应延时亦存在有较大的延时。

综上所述，数据由发送核心向外发送起，至接收核心中运行的接收任务获取数据止，存在有两个较主要的随机的延时影响，即中断响应延时和任务调度及响应延时。由于这些延时的随机性，无法通过一个统一的延时进行补偿。

本发明中，多核处理器内部的两个核心：数据的发送核心编号为N、数据的接收核心编号为M。两个核心可以工作于非对称多处理模式，即每个核心运行一个独立的操作系统；发送核心N与接收核心M亦可以工作于对称多处理模式，即两个核心在同一个操作系统的管理之下。

所述的非对称多处理模式是指多核心处理器的一种工作方式，多核心处理器内部的各个处理核心并不是完全对等的，核心被划分为不同的组，各组分别工作于不同的方式(比如运行不同的操作系统，运行同样的操作系统的不同实例，直接无操作系统运行等等)。各个核心所能够完全控制的外设通常并不相同。

所述的对称多处理模式中相对于非对称多处理器模式，多核处理器中的所有的处理器核心均是对等的，可以访问处理器的所有外设，处于同一操作系统的管理之下。

所述的实时操作系统是操作系统的一种。实时操作系统用于服务需要实时处理的任务。实时操作系统中完成某一系统功能的时间是固定的或是有上限时间，从而可以通过设计实现在一个固定的时间内完成所有的任务。

所述的时间确定性：即可以确定数据的发送时刻，在特定的应用场合确定该数据的处理逻辑。

如图1(a)-(b)所示，本发明中的一种基于延时补偿的多核处理器核心间数据交互的方法，包括以下步骤：

(1)初始化共享资源，包括初始化共享内存和定时器的初始化分配；

参见图2，所述初始化共享内存具体包括以下步骤：

(1.1.1)划定核间共享内存的一个固定位置作为数据的交互区域，发送核心N拥有该交互区域的写权限，接收核心M拥有该交互区域的读权限；

(1.1.2)所述步骤(1.1.1)的初始化过程在发送核心N与接收核心M之间共同进行，以保证两个核心均已知该共享内存的分配。

参见图3，所述定时器的初始化分配具体包括以下步骤：

(1.2.1)对处理器核间共享的定时器进行获取和分配，并确定使用某一定时器，发送核心N配置和触发该定时器，而接收核心M读取定时器的计数值并复位该定时器；

(1.2.2)发送核心N与接收核心M共同协定使用该定时器，并共同协议该定时器的记数频率为f，由发送核心N配置该定时器工作于该频率f。

(2)发送核心N发送数据，参见图4，具体包括以下步骤：

(2.1)发送核心N首先触发在步骤(1)中确认定时器处于复位状态后初始化定时器，使之开始独立运行计数；

(2.2)将数据向在步骤(1)中确定的共享内存区域进行写入；

(2.3)发送核心N完成数据的写入操作后，通过中断控制器向接收核心M发送核间中断。

(3)接收核心M接收数据；接收核心M利用中断处理函数响应所述的内部中断，并通知任务调度器激活接收任务，接收任务被激活后接收核心M间数据的同时读取之前，由发送核心N触发的定时器的计数并复位该定时器；

具体包括以下步骤：

(3.1)接收核心M进入中断处理函数，中断处理函数对当前触发的中断进行依次响应，并最终响应由发送核心N触发的核间中断；

(3.2)中断处理函数调用核间中断的中断处理函数，该中断处理函数触发接收核心M上运行的操作系统的任务调度器进行重新调度；

(3.3)任务调度器激活接收任务，接收任务开始运行；

(3.4)接收任务从共享内存区域获取该数据。

(4)由定时器的计数得到该数据的由发起传输至接收任务接收完成的延时，并基于该延时对该数据进行延时补偿，从而实现多核处理器核心间数据交互；

参见图5，具体包括以下步骤：

(4.1)接收任务从定时器中获取当前的计数值，假设计数值为n，则最终的整个接收延时为：

(4.2)根据该接收延时以及当前的时刻t，可以得到该数据的发送时间t_send为：

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于延时补偿的多核处理器核心间数据交互的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)初始化共享资源，包括初始化共享内存和定时器的初始化分配；

(2)发送核心N发送数据；

(3)接收核心M接收数据；

(4)由定时器的计数得到该数据的由发起传输至接收任务接收完成的延时，并基于该延时对该数据进行延时补偿，从而实现多核处理器核心间数据交互。

2.根据权利要求1所述的一种基于延时补偿的多核处理器核心间数据交互的方法，其特征在于：所述的发送核心N与接收核心M工作于非对称多处理模式或者对称处理模式下。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于延时补偿的多核处理器核心间数据交互的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的初始化共享内存，具体包括以下步骤：

(1.1.1)划定核间共享内存的一个固定位置作为数据的交互区域，发送核心N拥有该交互区域的写权限，接收核心M拥有该交互区域的读权限；

(1.1.2)所述步骤(1.1.1)的初始化过程在发送核心N与接收核心M之间共同进行，以保证两个核心均已知该共享内存的分配。

4.根据权利要求3所述的一种基于延时补偿的多核处理器核心间数据交互的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的定时器的初始化分配，具体包括以下步骤：

(1.2.1)对处理器核间共享的定时器进行获取和分配，并确定使用某一定时器，发送核心N配置和触发该定时器，而接收核心M读取定时器的计数值并复位该定时器；

(1.2.2)发送核心N与接收核心M共同协定使用该定时器，并共同协议该定时器的记数频率为f，由发送核心N配置该定时器工作于该频率f。

5.根据权利要求1所述的一种基于延时补偿的多核处理器核心间数据交互的方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括以下步骤：

(2.1)发送核心N首先触发在步骤(1)中确定并初始化完成的定时器，使之开始独立运行计数；

(2.2)将数据向在步骤(1)中确定的共享内存区域进行写入；

(2.3)发送核心N完成数据的写入操作后，通过中断控制器向接收核心M发送核间中断。

6.根据权利要求5所述的一种基于延时补偿的多核处理器核心间数据交互的方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括以下步骤：

(3.1)接收核心M进入中断处理函数，中断处理函数对当前触发的中断进行依次响应，并最终响应由发送核心N触发的核间中断；

(3.2)中断处理函数调用核间中断的中断处理函数，该中断处理函数触发接收核心M上运行的操作系统的任务调度器进行重新调度；

(3.3)任务调度器激活接收任务，接收任务开始运行。

(3.4)接收任务从共享内存区域获取该数据。

7.根据权利要求1所述的一种基于延时补偿的多核处理器核心间数据交互的方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)接收任务从定时器中获取当前的计数值，假设计数值为n，则最终的整个接收延时为：

<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>r</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>n</mi> <mi>f</mi> </mfrac> </mrow>

(4.2)根据该接收延时以及当前的时刻t，可以得到该数据的发送时间t_send为：

<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>e</mi> <mi>n</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>r</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>n</mi> <mi>f</mi> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>