CN110955616A - 用于访问共享资源的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于访问属于硬件平台(2)的共享资源的系统，该硬件平台包括多个主处理单元(41...4n)，各主处理单元(41...4n)能够在进程的执行期间利用共享资源(101...10m)，各共享资源具有关联的最大带宽。对于至少一个共享资源(101)，系统包括：所述主处理单元(41...4n)与所述共享资源(101)之间的数据转移的数量的计数器(201...20n)、和适于将转移的数量与和所述共享资源关联的带宽限制进行比较的比较器(241...24n)，该带宽限制是所述最大带宽的一部分；以及定步单元(22)，该定步单元适于在预定长度的时间段逝去之后重设各计数器。访问系统适于一旦与主处理单元关联的所述转移的数量达到所述带宽限制，则命令暂停所述主处理单元对所述共享资源的利用，并且一旦重设各计数器，则命令恢复利用。

Description

用于访问共享资源的系统和方法
【技术领域】
本发明涉及用于访问属于包括多个主处理单元的硬件平台的共享资源的系统和方法。
本发明属于共享硬件资源的利用领域，并且适用于操作安全性至关重要的各种工业领域中。例如，它涉及汽车、航空、核以及安全服务器领域。
【背景技术】
近年来，硬件平台(例如，多主处理器)的使用尤其在智能手机、平板电脑、计算机的消费电子产品中开发。这种平台供应远优于具有单个或单一主处理单元的平台的计算能力的计算能力。
然而，在操作安全性至关重要的应用领域中，这种多主硬件平台难以使用，多个处理单元或主进程对共享硬件资源的访问可能导致竞争访问之间的冲突，因此导致进程的不受控执行持续时间。但实际上，在特定应用中，例如在飞机驾驶系统中，保证在给定时间长度内的进程(例如驾驶命令)的执行是至关重要的。
主处理单元是能够利用所谓的从属资源(例如，转移二进制数据和/或查询从属资源)的单元。主处理单元例如是中央处理单元(CPU)的核心单元、或图形处理单元(GPU)或直接存储器存取(DMA)的核心单元。与主单元关联的从属资源可以共享，例如，随机存取存储器(RAM)或PCI
Figure BDA0002211001340000011
类型的总线。
主处理单元和资源经由一个或几个通信总线连接,各通信总线具有关联的带宽,该带宽指定可以同时通过通信总线的位或字节的数量。
经由通信总线对资源的访问以用每单位时间的数据量(例如，以每秒的字节)表达的带宽为特征，该带宽表达可以由该资源每单位时间发送和处理的最大数据量。
与从属资源关联的带宽限制硬件平台的性能。
对共享资源的冲突访问的问题与外围设备的带宽与主处理单元的数量乘以它们的操作频率之间的比成比例。
在现有技术中，用于经由令牌桶限制对共享资源的访问的机制存在。该技术需要主动监测交换，因此引起实现复杂度。
因此，需要在保证操作安全性的同时允许访问多主平台上的共享资源。
【发明内容】
为此，本发明提出一种用于访问属于硬件平台的共享资源的系统，该硬件平台包括多个主处理单元，各主处理单元能够在进程的执行期间利用共享资源，所述利用包括主处理单元与共享资源之间的多个数据转移，各共享资源具有关联的最大带宽。该系统对于至少一个所述共享资源，包括：
对于各主处理单元，所述主处理单元与所述共享资源之间的数据转移的数量的计数器，和被配置为将转移的数量与和所述共享资源关联的带宽限制进行比较的比较器，所述带宽限制是最大带宽的一部分；
定步单元，该定步单元被配置为在预定长度的时间段逝去之后重设各转移数量计数器；所述访问系统被配置为一旦与主处理单元关联的所述转移的数量达到所述带宽限制，则命令暂停所述主处理单元对所述共享资源的利用，并且一旦重设各计数器，则命令所述主处理单元恢复对所述共享资源的利用。
有利地，根据本发明的访问系统使得可以保证平台的所有主处理单元对资源的共享访问，并且因此可以基于预定时间段的数量保证进程在给定时间量中的执行。
根据本发明的、用于访问共享资源的系统还可以具有独立考虑或根据所有技术上可想到的组合的下面的特征中的一个或多个。
系统包括：对于各主处理单元，命令块，该命令块适于命令暂停或恢复所述共享资源的利用。
所述计数器、所述比较器、所述命令块和/或所述定步单元中的至少一部分由所述平台的专用处理单元来实现。
所述计数器、所述比较器、所述命令块和/或所述定步单元中的至少一部分由集成到硬件平台中的一个或几个专用硬件机构来实现。
根据另一个方面，本发明提出一种用于访问属于硬件平台的共享资源的方法，该硬件平台包括多个主处理单元，各主处理单元能够在进程的执行期间利用共享资源，所述利用包括主处理单元与共享资源之间的多个数据转移，各共享资源具有关联的最大带宽。该方法对于至少一个所述共享资源，包括：
对于各主处理单元，实现所述主处理单元与所述共享资源之间的数据转移的数量的计数器，并且比较转移的数量与和所述共享资源关联的带宽限制，所述带宽限制是最大带宽的一部分；
在预定长度的时间段逝去之后重设各转移数量计数器；
一旦与主处理单元关联的所述转移的数量达到所述带宽限制，则命令暂停所述主处理单元对所述共享资源的利用，并且一旦重设各计数器，则命令恢复所述主处理单元对所述共享资源的利用。
根据本发明的用于访问共享资源的方法还可以具有独立考虑或根据所有技术上可想到的组合的下面的特征中的一个或多个。
方法包括以下预先步骤：向各主处理单元分配与所述共享资源关联的带宽限制。
硬件平台包括n个主处理单元，n为大于或等于2的整数，并且各带宽限制等于与所述共享资源关联的最大带宽除以n。
对于各主处理单元，基于所述主处理单元的至少一个计算能力和与共享资源关联的最大带宽，计算各带宽限制。
带宽限制分配包括，对于共享资源，对各主处理单元的下带宽限制分配和上带宽限制分配、包括在下带宽限制与上带宽限制之间的第一带宽限制的分配、以及基于在连续时间段期间超过第一带宽限制的数量的比第一带宽限制高且比上带宽限制低的第二带宽限制的动态重新分配。
方法包括第二带宽限制的几次重新分配，直到第二带宽限制等于上带宽限制为止。
【附图说明】
本发明的其他特征和优点将参照附图备考且非限制性地从下面提供的本发明的描述显现，附图中：
图1是一个实施方式中的用于访问共享资源的系统的框图；
图2是示出了主处理单元在一系列时间段内的共享资源的使用限制的示意图；以及
图3是本发明的一个实施方式中的用于访问共享资源的方法的主要步骤的框图。
【具体实施方式】
图1示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的、用于访问硬件平台2的共享资源的访问系统1的功能块。
这里总体描述硬件平台2，但硬件平台具有许多应用。例如，它适用于对确定性的需求很大的航空电子领域。诸如金融、安全相关服务器、汽车领域(自主驾驶)的其他领域也是应用领域。
图1所示的硬件平台2包括多个主处理单元41至4n。
如在引言中指示的，主处理单元是能够利用所谓的从属资源(例如，转移二进制数据和/或查询从属资源)的单元。主处理单元例如是中央处理单元(CPU)的核心单元、或图形处理单元(GPU)或直接存储器存取(DMA)的核心单元。
在一个示例性实施方式中，硬件平台2是多核中央处理单元，并且各主处理单元是多核中央处理单元的核心。主处理单元的数量是大于或等于二的自然整数。例如，在硬件平台2是四核处理器时，n＝4。
主处理单元41至4n是适于执行由来自操作系统6的、具有低优先级的命令或指令控制的进程的硬件单元。它例如涉及汇编语言指令。
如下文描述的，用于访问共享资源的访问系统1的功能块81至8n实现适于命令主处理单元中的一个对共享资源的利用的暂停或恢复的汇编语言指令。
主处理单元41至4n适于向是从属资源的共享资源101至10m转移数据或发送指令。从属资源的数量m是正整数。
附图标记4i指示单元41至4n当中的任意一个主处理单元，并且10j指代资源101至10m当中的任意一个从属资源。
从属资源是从主处理单元接收指令并执行它们的资源。
例如，附图标记为101的共享从属资源中的一个是随机存取存储器(RAM)，该RAM是适于存储二进制数据的电子装置。
例如，它是由JEDEC(“联合电子设备工程会议”)标准化的类型DDR3SDRAM(对于双数据速率第3代同步动态随机存取存储器)或DDR4 SDRAM(对于双数据速率第4代同步动态随机存取存储器)的存储器。
主处理单元4i适于通过借助于主通信总线12以写或读模式命令数据转移来利用随机存取存储器101。
适于由各个主处理单元41至4n使用的硬件平台2的各资源10j具有用每单位时间(例如每秒)的数据量(例如字节数)表达的关联最大带宽Bj。
带宽表达可以经由通信总线转移到共享资源并且在每单位时间处理的数据的量。
例如，对于随机存取存储器101，该资源适于每存储周期执行数量Tr个转移以及每秒执行数量N个存储周期。因此，资源101适于每秒执行NxTr个转移。如果该存储资源可由在字节上具有带宽L的通信总线访问，则存储资源的带宽是LxNxTr个字节每秒。
与存储资源关联的带宽与转移的数量成比例，带宽L恒定。
根据一个变型例，与存储资源关联的带宽用每单位时间的转移数量来表达。
在本发明的一个实施方式中，用于访问共享资源的访问系统1包括单元201至20n，这些单元是用于由各主处理单元41至4n发送到共享资源101的事件的计数器。
例如，各事件在共享资源是随机存取存储器的情况下是数据转移。从更一般的角度，事件是在主处理单元与从属资源之间写或读的数据。
优选地，各单元201至20n是集成到平台中的本地事件计数器，该计数器例如监测多核处理器的各核心的操作。
此外，用于访问共享资源的系统包括周期定步块22(还被称为定步单元)，该周期定步块适于在预定持续时间T(例如，设置为10ms)的时间段逝去之后发送用于各计数器201至20n的重设命令。当然，这是非限制性示例持续时间。定步块22还连接到功能块81至8n，以便向这些块指示时间段的定步。
用于访问共享资源的访问系统1还包括是比较器的单元241至24n，各单元24i接收与处理单元4i对应的单元20i的计数器值，并且适于将其与带宽限值Li,1进行比较，该带宽限值与用于经过时间段利用资源101的处理单元4i关联。各单元24i连接到适于命令关联处理单元4i的功能块8i。
在接收来自单元24i的、与在当前时间段内已经达到带宽限值有关的信息时，功能块8i命令暂停主处理单元4i对所考虑共享资源的利用，该资源在该示例中是资源101。利用的暂停包括停止到存储器101的数据转移，并且保存处理核心4i的执行环境。
在与时间段对应的持续时间T已经逝去之后，功能块8i命令恢复资源101的利用，因此，命令恢复要由处理核心4i执行的进程的执行。
各功能块8i例如由来自操作系统的低等级优先权指令来实现。
在一个实施方式中，单元201至20n、241至24n、周期定步块22以及功能块81至8n由与处理单元41至4n分开的、平台2的另一个处理核心来实现。例如，该处理核心是专用于实现用于访问共享资源的系统的多核处理器的辅助处理核心。
根据变型例，单元201至20n、241至24n、周期定步块22以及功能块81至8n由集成到平台中的专用硬件机构来产生，并且暂停由对应的处理单元4i来直接进行。
根据另一个变型例，上面提及的单元的一部分由专用硬件机构来产生，并且另一部分由专用处理单元来产生。
图1例示了共享资源101的利用，但类似的操作可以为平台的各个共享资源或至少它们中的一些的利用来提供。
图2示意性例示了在预定持续时间T的、表示为Per1、Per2以及Per3的三个连续时间段期间使用资源10j的处理单元4i的操作。
例如，时段T被设置为10ms。
图2例示了基于x轴上的时间轴的、经过连续时间段向从属资源转移的、从转移数量计数器获得的数据量的图。带宽限值Li,j由水平虚线来指示。
在第一时段Per1期间，数据转移数量计数器保持低于带宽限值Li,j。该计数器在第一时段结束时重设。
在第二时段Per2期间，在时刻tc，达到与主处理单元4i和资源10j关联的带宽限值Li,j。然后阻止正在执行的进程，因此，暂停资源的利用，直到具有持续时间T的时段Per2的结束为止。该计数器在第二时段结束时重设，并且在随后阶段中恢复资源的利用。
在第三时间段Per3期间，数据转移数量计数器保持低于带宽限值Li,j。
图2是用于主处理单元中的一个的例示，但它表示由用于访问共享资源的访问系统1的各主处理单元对共享资源的利用。
将理解，本发明的实现防止各个主处理单元对资源的周期过度利用，并且因此，防止与所利用资源关联的带宽的占用。
图3是被称为静态的、在本发明的第一实施方式中的、用于访问共享资源的方法的主要步骤的框图。
该方法被描述为多个主处理单元41...4i...4n对共享资源10j的访问。
为了简化例示，示出了与主处理单元41和4n关联的步骤，但理解，这些步骤对于各主处理单元4i类似地实现。
方法包括以下第一步骤30：向各主处理单元4i分配与所述共享资源10j关联的带宽限制Li,j。
在该实施方式中，带宽限制Li,j基于硬件平台2中的资源10j的最大带宽Bj来静态地预先设置。例如，带宽用每单位时间的转移数量来表达，该转移数量与每单位时间交换的数据量成比例。
例如，在一个实施方式中，带宽限制Li,j等于Bj的一部分：Li,j＝Bj/n。
根据一个变型例，带宽限制基于各单元4i的处理能力对于各处理单元4i具体选择。然而，带宽限制Li,j的和保持小于资源10j的最大带宽Bj。
带宽限制预先确定，以便在比较器24i中使用它们。
时间段的持续时间T也预定并存储在定步单元22中，该定步单元实现时间定步32。
在持续时间T的新时间段的开始时(步骤34)，对于各处理单元4，在用于计数器值的初始化步骤361...36n中以0初始化所转移的数据计数器值Ci。
接着，基于来自关联主单元4i的数据转移在步骤38i(图3所例示的步骤381和38n)中增大计数器值Ci，并且在比较步骤40i(例示步骤401和40n)中将计数器值Ci与之前分配的带宽限值Li,j连续进行比较。
如果未达到限值，则转移数据计数继续。
如果达到带宽限值Li,j，则在比较40i期间，向处理单元4i发送执行暂停命令42i(例示步骤421和42n)。
在持续时间T的时间段逝去之后，向处理单元4i发送恢复执行的命令44i(例示步骤441和44n)。执行恢复在持续时间T逝去之后进行，随后与计数器值Ci的重设(步骤361至36n)大致并行进行。
根据本发明的第二实施方式，带宽限值动态分配。
在该第二实施方式中，为了利用给定资源，向各主处理单元4i分配下带宽限制Li,j,inf和上带宽限制Li,j,sup。
带宽限制被选择为使得用于所有主处理单元的上带宽限制的和小于或等于与资源10j关联的最大带宽Bj。
在共享资源的利用的启动期间，被分配给主单元的操作的第一带宽限制是下带宽限制Li,j,inf。
如果在几个连续时间段内超过第一限制，则向主处理单元4分配相对于第一带宽限制增大的第二带宽限制，同时第二带宽限制保持小于或等于上带宽限制Li,j,sup。
在该第二实施方式中，创建用于连续超过第一带宽限制的数量的第二计数器。触发所分配带宽限制的增大的连续超过时段的数量是已选参数，例如，它等于10。
在一个实施方式中，实现几个连续增大，直到达到上带宽限制为止。例如，增大基于超过的数量在多个连续时间段内由增量渐进地进行，以便避免在同一时间段期间于同一主处理单元关联的带宽限制的主要增大。具体地，如果第二目标带宽限制是上带宽限制Li,j,sup，则在几个时间段内进行带宽的增大。
有利地，这允许带宽的动态增大的平滑。此外，这使得可以避免由于主处理单元中的一个或几个使用的带宽的突然增大引起的共享资源利用的任何拥塞。
有利地，在所有实施方式中，本发明使得可以保证几个主处理单元没有拥塞地访问共享资源，并且同时保证给定进程的执行时间。

Claims (10)

1.一种用于访问属于硬件平台(2)的共享资源的系统，该硬件平台包括多个主处理单元(41、42...4n)，各主处理单元(41、42...4n)能够在进程的执行期间利用共享资源(101、102...10m)，所述利用包括所述主处理单元(41、42...4n)与所述共享资源(101、102...10m)之间的多个数据转移，各共享资源(101、102...10m)具有关联的最大带宽，其特征在于：对于至少一个所述共享资源(101)，所述系统包括：
对于各主处理单元(41、42...4n)，所述主处理单元(41、42...4n)与所述共享资源(101)之间的数据转移的数量的计数器(201、202...20n)，和被配置为将转移的数量与和所述共享资源关联的带宽限制进行比较的比较器(241、242...24n)，所述带宽限制是所述最大带宽的一部分；
定步单元(22)，该定步单元被配置为在预定长度的时间段逝去之后重设各转移数量计数器(201、202...20n)；
所述访问系统(1)被配置为一旦与主处理单元关联的所述转移的数量达到所述带宽限制，则命令暂停所述主处理单元对所述共享资源(101)的利用，并且一旦重设各计数器，则命令恢复所述主处理单元对所述共享资源的利用。
2.根据权利要求1所述的系统，包括：对于各主处理单元(41、42...4n)，命令块(81...8n)，该命令块适于命令暂停或恢复所述共享资源(101)的利用。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述计数器(201、202...20n)、所述比较器(241、242...24n)、所述命令块(81...8n)和/或所述定步单元(22)中的至少一部分由所述平台的专用处理单元来实现。
4.根据权利要求2或3中的一项所述的系统，其中，所述计数器(201、202...20n)、所述比较器(241、242...24n)、所述命令块(81...8n)和/或所述定步单元(22)中的至少一部分由集成到所述硬件平台中的一个或几个专用硬件机构来实现。
5.一种用于访问属于硬件平台的共享资源的方法，该硬件平台包括多个主处理单元，各主处理单元能够在进程的执行期间利用共享资源，所述利用包括所述主处理单元与所述共享资源之间的多个数据转移，各共享资源具有关联的最大带宽，其特征在于：对于至少一个所述共享资源，所述方法包括以下步骤：
对于各主处理单元，实现所述主处理单元与所述共享资源之间的数据转移的数量的计数器(381...38n)，并且比较(401...40n)转移的数量与和所述共享资源关联的带宽限制，所述带宽限制是所述最大带宽的一部分；
在预定长度的时间段逝去之后重设(361...36n)各转移数量计数器；
一旦与主处理单元关联的所述转移的数量达到所述带宽限制，则命令暂停(421...42n)所述主处理单元对所述共享资源的利用，并且一旦重设各计数器，则命令恢复所述主处理单元对所述共享资源的利用(441...44n)。
6.根据权利要求5所述的方法，包括以下预先步骤：向各主处理单元分配(30)与所述共享资源关联的带宽限制。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述硬件平台(2)包括n个主处理单元，n为大于或等于2的整数，并且其中，各带宽限制等于与所述共享资源关联的所述最大带宽除以n。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，对于各主处理单元，基于所述主处理单元的至少一个计算能力和与所述共享资源关联的所述最大带宽，计算各带宽限制。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述带宽限制分配包括，对于共享资源，对各主处理单元的下带宽限制分配和上带宽限制分配、包括在所述下带宽限制与所述上带宽限制之间的第一带宽限制的分配、以及基于在连续时间段期间超过所述第一带宽限制的数量的比所述第一带宽限制高且比所述上带宽限制低的第二带宽限制的动态重新分配。
10.根据权利要求9所述的方法，包括第二带宽限制的几次重新分配，直到所述第二带宽限制等于所述上带宽限制为止。
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