DE19928798A1

DE19928798A1 - Verfahren zur Erfassung der Auslastung eines Prozessors

Info

Publication number: DE19928798A1
Application number: DE1999128798
Authority: DE
Inventors: Norbert Frisch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Nokia Solutions and Networks GmbH and Co KG
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 1999-06-23
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2019-06-24
Also published as: DE19928798C2

Abstract

Zur Ermittlung des Auslastungsgrades eines Prozessors an einem Datenbus werden die Zeiten (t¶0¶ bis t¶1¶, t¶3¶'' bis t¶6¶, t¶3¶''' bis t¶6¶) erfaßt, in denen der Prozessor untätig ist. Zu diesem Zweck führt der Prozessor in Zeiten der Untätigkeit ein Unterprogramm zum Inkrementieren oder Dekrementieren eines Zählers aus; der Inhalt des Zählers wird regelmäßig gelesen und liefert einen Meßwert für den Auslastungsgrad.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung des Ausla stungsgrades eines Prozessors an einem Datenbus.

Für eine Überlastabwehr bei hohem vermittlungstechnischen Verkehr auf dem Bus ist eine exakte Erfassung der Prozessor auslastung inklusive seiner Wartezeiten aufgrund von Bus-Zu griffskonflikten erforderlich. Bisherige Lösungen dieses Pro blems sahen die direkte Erfassung der Tätigkeitszeit des Pro zessors durch Hardware- oder Softwarelösungen vor. Software lösungen sind zwar attraktiv, weil sie preiswert zu realisie ren sind, die bisherigen Lösungen haben aber den Nachteil, daß die Arbeitszeit, die ein Prozessor für eine gegebene Auf gabe benötigt, anhand der Art der Aufgabe, zum Beispiel im Falle eines DMA-Prozessors anhand des Typs einer zu übertra genden Nachricht und deren Länge, mit Hilfe eines empirischen Gewichtungsfaktors abgeschätzt werden muß. Eine solche Ab schätzung ist grundsätzlich mit Unsicherheiten behaftet; au ßerdem besteht keine Möglichkeit, eventuelle Buszugriffskon flikte in die Abschätzung der benötigten Arbeitszeit mit ein zubeziehen, da deren Wahrscheinlichkeit vom Auslastungsgrad des Busses beziehungsweise des Prozessors, also von eben der Größe abhängt, die mit Hilfe der Abschätzung erfaßt werden soll.

Ein weiterer störender Aspekt von Softwarelösungen ist, daß diese Arbeitszeit des Prozessors beanspruchen und so die Lei stungsfähigkeit des Systems beeinträchtigen, in dem der Pro zessor eingesetzt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein programmgestütz tes Verfahren zur Erfassung des Auslastungsgrades eines Pro zessors anzugeben, das einfach auszuführen ist und dessen Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit eines Gesamtsystems, das den Prozessor und den Datenbus umfaßt, vernachlässigbar sind.

Diese Vorteile werden erreicht, indem die Zeiten erfaßt wer den, in denen der Prozessor untätig (idle) ist, das heißt, in denen er keine Aufgaben erledigt, die zur Verarbeitungslei stung des Systems beitragen, und in denen auch keine solchen Arbeiten anstehen. Die Messung der Zeiten der Untätigkeit be schäftigt somit naturgemäß den Prozessor zu Zeiten, zu denen er keine "produktiven" Aufgaben zu erledigen hat und beein trächtigt somit nicht die Verarbeitungsleistung des Systems. Da Buszugriffskonflikte nur auftreten können, während der Prozessor mit einer Aufgabe beschäftigt ist, also nicht "untätig" ist, gehen Zeiten, in denen er aufgrund eines Kon flikts auf Buszugriff warten muß, nicht in die Erfassung der Untätigkeitszeit mit ein. Es wird also exakt diejenige Zeit gemessen, die die "Leistungsreserve" des Busses beziehungs weise des Prozessors darstellt und die für die Ausführung von weiteren Kommunikationsaufgaben auf dem Bus, sei es durch den Prozessor oder durch andere angeschlossene Geräte, zur Verfü gung steht.

Um ein Maß für die Dauer der Untätigkeitszeit des Busses zu erhalten, kann vorgesehen werden, daß dieser in Zeiten der Untätigkeit ein Unterprogramm ausführt, in dem ein Zähler in krementiert oder dekrementiert wird. Der Inhalt dieses Zäh lers kann regelmäßig ausgelesen werden, um ein Maß für die Untätigkeitszeit des Prozessors zwischen zwei Lesevorgängen und damit für den Auslastungsgrad zu erhalten. Um die Auswer tung des Zählerinhalts zu vereinfachen, kann nach jedem Lese vorgang der Zähler zurückgesetzt werden, so daß der beim dar auffolgenden Lesen erhaltene Wert ein direktes Maß für die in Untätigkeit verbrachte Zeit zwischen zwei Lesevorgängen ist.

Während der Prozessor das Unterprogramm ausführt, kann er re gelmäßig prüfen, ob durch ihn zu bearbeitende Aufgaben vor liegen. Dies ist insbesondere bei Systemen notwendig, bei de nen der Prozessor durch ihn zu erledigende Aufgaben nicht etwa durch Interrupts, sondern mit Hilfe eines Pollingverfah rens erkennt.

In einer bevorzugten Anwendung des Verfahrens ist der Prozes sor ein DMA-Prozessor.

Wenn der Auslastungsgrad des Prozessors einen Grenzwert über schreitet, das heißt wenn der Anteil der Zeiten der Untätig keit unter einen vorgegebenen Mindestanteil der Prozessorar beitszeit fällt, ist es zweckmäßig, Maßnahmen gegen eine Überlastung des Busses oder des Prozessors zu ergreifen, um zu verhindern, daß der Datenverkehr auf dem Bus unter einem Übermaß von Zugriffskonflikten zusammenbricht. Solche Maßnah men können in der Umstufung von Prioritäten einzelner Aufga ben, dem Verwerfen von zu übertragenden Daten etc. bestehen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figuren.

Es zeigen:

Fig. 1 den Auslastungszustand eines Busses eines Da tenverarbeitungssystems sowie den Stand eines Zählers eines an den Bus angeschlossenen Pro zessors, der ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt; und

Fig. 2 den Zustand eines Busses, an dem ein herkömm liches Verfahren zur Erfassung des Ausla stungsgrades angewendet wird.

Der besseren Verständlichkeit halber soll zunächst auf das herkömmliche Verfahren in Fig. 2 eingegangen werden. Zeile a zeigt aufgetragen über einer Zeitachse den Zustand des Busses für den Fall, daß keine Zugriffskonflikte auftreten. Zu einem Zeitpunkt t₁ erhält ein DMA-Prozessor eine Aufgabe, eine Da tenübertragungsaufgabe über den Bus abzuwickeln. Der Prozes sor benötigt die Zeitspanne t₁ bis t₂, um den Zeitbedarf für die Übertragung anhand der Parameter der Aufgabe abzuschät zen. Die Abschätzung ergibt eine Zeitspanne T. Da im Fall der Zeile a keine Zugriffskonflikte auftreten und der Prozessor den Bus ständig zur Verfügung hat, entspricht die abge schätzte Zeit T der Zeitspanne zwischen dem tatsächlichen Be ginn t₂ und dem Abschluß der Datenübertragung zum Zeitpunkt t₃. Bei der Abschätzung des Zeitbedarfs für die Übertragung ist es nicht möglich, vorauszusehen, ob Zugriffskonflikte mit anderen Benutzern des Busses oder auch mit Aufgaben höherer Priorität des gleichen Prozessors auftreten werden. So kann es durchaus vorkommen, daß zum Zeitpunkt t₂, wo die Daten übertragung beginnen könnte, der Bus von einem anderen Benut zer belegt ist, wodurch der Prozessor bis zum Abschluß dieser Übertragung blockiert wird, oder daß, wie in der Zeile b dar gestellt, die laufende Übertragung während einer Zeitspanne t₄ bis t₅ für eine Aufgabe höherer Priorität unterbrochen werden muß, wodurch sich der Abschluß der Übertragung auf den Zeitpunkt t₃' verzögert. Die Abschätzung der vom Prozessor für die Übertragung benötigten Zeit liegt daher um einen Be trag t₅-t₄ falsch.

Zwar könnte man bei der Berechnung der Zeitspanne T von vorn herein einen bestimmten prozentualen Zeitverlust durch Zu griffskonflikte einkalkulieren, dabei ergibt sich jedoch das Problem, daß der tatsächliche Zeitverlust durch Zugriffskon flikte mit zunehmendem Auslastungsgrad des Busses überpropor tional anwächst, so daß kein Schätzwert für diesen Zeitver lust allen Anwendungssituationen angemessen sein kann.

Fig. 1 zeigt in den Zeilen a und b den Auslastungszustand eines Busses sowie den Stand eines Zählers eines an den Bus angeschlossenen Prozessors, der das erfindungsgemäße Verfah ren zur Erfassung des Auslastungsgrades anwendet. Zeile a stellt eine Situation analog zu der aus Fig. 2, Zeile a dar, in der der Prozessor den Bus für die Ausführung einer Daten übertragungsaufgabe allein zur Verfügung hat. Zum Zeitpunkt t₀ wird der Inhalt des Zählers auf 0 gesetzt und wird vom Prozessor zyklisch inkrementiert, solange der Prozessor keine Datenübertragungsaufgaben erhält. In der Figur ist dieser Vorgang durch die von einem Wert 0 bei t₁ linear aufsteigende Rampe 1 veranschaulicht, die den Stand des Zählers angibt. Zum Zeitpunkt t₁ erhält der Prozessor eine Aufgabe zur Über tragung von Daten, genau wie im Fall von Fig. 2 Zeile a. Eine solche Aufgabe kann dem Prozessor von einer anderen Kom ponente des Systems durch einen Interrupt gemeldet werden, alternativ oder ergänzend kann der Prozessor, während er keine Datenübertragungsaufgabe erledigt, andere Komponenten des Systems, die solche Aufgaben vergeben können, zyklisch abfragen (pollen), ob Aufgaben angefallen sind. Eine Abschät zung der für die Erledigung der Aufgabe erforderlichen Zeit erfolgt nicht; stattdessen wird die Inkrementierung des Regi sters unterbrochen, und der Prozessor beginnt unverzüglich mit der Ausführung der Aufgabe. Da die Abschätzung der Über tragungszeit entfällt, ist die Aufgabe zum Zeitpunkt t₃" ge ringfügig früher abgeschlossen als im analogen Fall der Fig. 2. Ab diesem Zeitpunkt t₃" wird die Inkrementierung des Zäh lers an dem Wert fortgesetzt, an dem sie zum Zeitpunkt t₁ un terbrochen worden war. Zum Zeitpunkt t₆ wird der Zählerstand ausgelesen und der Zähler zurückgesetzt; er liefert ein di rektes Maß für die Zeit, die dem Prozessor für weitere Über tragungsaufgaben noch zur Verfügung steht.

Zeile b von Fig. 1 zeigt eine Situation, in der sich die zum Ausführen der zum Zeitpunkt t₁ erhaltenen Übertragungsaufgabe durch den Prozessor benötigte Zeit aufgrund eines Buszugriffs verlängert, der den Prozessor im Zeitintervall t₄ bis t₅ blockiert. In dieser Zeit befindet sich der Prozessor in ei nem Wartezustand, in dem die Datenübertragung unterbrochen ist und er auf eine erneute Zuweisung von Zugriffsrecht auf den Bus wartet. Da der Prozessor in dieser Zeit für andere Übertragungsaufgaben nicht einsetzbar ist, muß diese Zeit als Tätigkeitszeit in die Bewertung des Auslastungsgrades des Prozessors einfließen. Die Inkrementierung des Zählers ruht daher im gesamten, für die Übertragung benötigten verlänger ten Zeitintervall t₁ bis t₃''' und wird erst im Anschluß daran wieder aufgenommen. Der zum Zeitpunkt t₆ erreichte Wert des Zählers ist daher kleiner als im Fall der Zeile a; die Blockierung des Prozessors ist so direkt meßbar. Der Zähler stand zum Zeitpunkt t₆ erlaubt daher einen genauen Rückschluß auf den Auslastungsgrad des Prozessors, so daß Gegenmaßnahmen gegen eine Überlastung des Busses in Abhängigkeit vom Zähler stand eingeleitet werden können.

Die Art dieser Gegenmaßnahmen hängt selbstverständlich von der Art der Aufgaben ab, die der Prozessor innerhalb des Sy stems zu erledigen hat. Bei nicht zeitkritischen Anwendungen können die Gegenmaßnahmen zum Beispiel in einer Veränderung der Prioritäten unterschiedlicher Aufgaben bestehen, derart, daß Aufgaben geringer Dringlichkeit zurückgestellt werden, bis eine Lastspitze des Busses überwunden ist. Bei in Echt zeit zu erledigenden Aufgaben, zum Beispiel im Bereich der Telekommunikation oder Videoanimation, können die Gegenmaß nahmen im Verwerfen von einzelnen Aufgaben, genauer gesagt im Verwerfen von einzelnen zu übertragenden Datenpaketen beste hen. Wenn die Daten verschiedener Pakete geeignet zeitlich verschachtelt sind, führt der Fortfall einzelner Pakete al lenfalls zu einer Reduzierung der Übertragungsbandbreite, nicht aber zu auffälligen Unterbrechungen im Datenstrom.

Anstatt durch Inkrementierung des Zählerstandes kann die Er fassung der Prozessorauslastung auch durch Dekrementieren er folgen.

Claims

1. Verfahren zur Erfassung des Auslastungsgrades eines Pro zessors an einem Datenbus, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeiten (t₀ bis t₁, t₃" bis t₆, t₃''' bis t₆) erfaßt wer den, in denen der Prozessor untätig ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Prozessor in Zeiten der Untätigkeit ein Unter programm zum Inkrementieren oder Dekrementieren eines Zählers ausführt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß der Inhalt des Zählers regelmäßig gelesen wird, um die untätige Zeit zwischen zwei Lesevorgängen (t₀, t₆) zu er mitteln.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß nach dem Lesen der Zähler zurückgesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Prozessor bei der Ausführung des Unter programms regelmäßig geprüft, ob durch ihn zu bearbeitende Aufgaben vorliegen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Prozessor ein DMA-Pro zessor ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß Maßnahmen gegen eine Über last des Busses oder des Prozessors ergriffen werden, wenn der Anteil der Zeiten der Untätigkeit unter einen vorgegebe nen Mindestanteil der Prozessorarbeitszeit fällt.