DE19928798C2 - Verfahren zur Erfassung der Auslastung eines Prozessors - Google Patents

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.

Viele der bisherige Lösungen dieses Problems sahen die direk­ te Erfassung der Tätigkeitszeit des Prozessors durch Hard­ ware- oder Softwarelösungen vor. Softwarelösungen sind zwar attraktiv, weil sie preiswert zu realisieren sind. Die bishe­ rigen Lösungen haben aber den Nachteil, daß die Arbeitszeit, die ein Prozessor für eine gegebene Aufgabe benötigt, anhand der Art der Aufgabe, zum Beispiel im Falle eines DMA- Prozessors anhand des Typs einer zu übertragenden Nachricht und deren Länge, mit Hilfe eines empirischen Gewichtungsfak­ tors abgeschätzt werden muß. Eine solche Abschätzung ist grundsätzlich mit Unsicherheiten behaftet.

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.

Daneben sind Lösungen bekannt, die zur Ermittlung des Prozes­ sorauslastungsgrades die Zeiten der Untätigkeit (idle time) des Prozessors erfassen.

Aus der JP 0600027960 AA ist ein Verfahren zur Bestimmung der Auslastung eines Prozessors durch Messung der Zeiten der Untätigkeit (idle time) des Prozessors bekannt. Bei diesem Verfahren führt während der Zeiten der Untätigkeit der Prozessor wiederholt eine Operation durch, deren Dauer bekannt ist. Aus der Anzahl der Wiederholungen der Operation lassen sich die Zeiten der Untätigkeit und damit die Auslastung des Prozessors bestimmen.

In der JP 0070253915 AA ist eine Zugangssteuerung mit Leis­ tungsmessfunktion beschrieben. Im Rahmen der Leistungsmess­ funktion ist angegeben, dass Zeiten der Untätigkeit bei­ spielsweise einer zu anaysierenden Anwendung auf einer Re­ chenplattform durch die Anzahl von Takten gemessen werden können, während derer in der Zugangssteuerung ein entspre­ chender Zustandsparameter gesetzt ist.

In der JP 062063346 AA führt zur Bestimmung der Zeiten der Un­ tätigkeit einer CPU ein Computerprogramm wiederholt eine Schleife ohne Instruktionen (idle loop) aus, solange keine anderen Aufgaben für die CPU anfallen. Aus der Anzahl der Durchläufe der Schleife wird dann die idle time der CPU er­ mittelt.

In der JP 0040098540 AA ist ein System zur Messung des Auslas­ tungsgrads eines Prozessors beschrieben. Dabei wird ein Takt­ signal und der Ausgangszustand einer Analyselogik zur Detek­ tierung des Zustands der Untätigkeit des Prozessors logisch miteinander verknüpft. Auf diese Weise wird ein Zähler wäh­ rend der Zeiten der Untätigkeit mit Hilfe des Taktsignals in­ krementiert. Der Zählstand liefert ein Kriterium für die Aus­ lastung des Prozessors.

In der DE 44 25 348 C1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Last­ abwehr eines Echtzeitrechners beschrieben. Zum Zwecke der Be­ rechnung eines Lastabwehrfaktors wird die CPU-Last der CPUs des Echtzeitrechners benötigt. Es wird vorgeschlagen, die CPU-Last einer CPU durch Zählen der CPU-Idle-Zyklen oder durch Überwachung des Prozessorbusses zu ermitteln.

Bei den bekannten Lösungen besteht keine Möglichkeit, eventu­ elle Buszugriffskonflikte in die Abschätzung der benötigten Arbeitszeit mit einzubeziehen, da deren Wahrscheinlichkeit vom Auslastungsgrad des Busses beziehungsweise des Prozes­ sors, also von eben der Größe abhängt, die mit Hilfe der Ab­ schätzung erfaßt werden soll.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren an­ zugeben, das eine genaue Aussage über die verbleibende Leis­ tungsreserve des Gesamtsystems Prozessor und Datenbus zu­ lässt.

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 "un­ tätig" 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 et­ wa 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 Ü­ berlastung des Busses oder des Prozessors zu ergreifen, um zu verhindern, daß der Datenverkehr auf dem Bus unter einem Ü­ bermaß 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 Zugriffskonflikte 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. Ei­ ne 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 kei­ ne Datenübertragungsaufgabe erledigt, andere Komponenten des Systems, die solche Aufgaben vergeben können, zyklisch abfra­ gen (pollen), ob Aufgaben angefallen sind. Eine Abschätzung der für die Erledigung der Aufgabe erforderlichen Zeit er­ folgt 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 blo­ ckiert. In dieser Zeit befindet sich der Prozessor in einem 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 Über­ tragungsaufgaben nicht einsetzbar ist, muß diese Zeit als Tä­ tigkeitszeit in die Bewertung des Auslastungsgrades des Pro­ zessors einfließen. Die Inkrementierung des Zählers ruht da­ her im gesamten, für die Übertragung benötigten verlängerten 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 Blo­ ckierung des Prozessors ist so direkt meßbar. Der Zählerstand zum Zeitpunkt t₆ erlaubt daher einen genauen Rückschluß auf den Auslastungsgrad des Prozessors, so daß Gegenmaßnahmen ge­ gen 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 (8)

1. Verfahren zur Erfassung des Auslastungsgrades eines Sys­ tems umfassend einen Prozessors einschließlich eines Daten­ busses, bei dem der Prozessor in Zeiten der Untätigkeit des Systems einen Zähler inkrementiert oder dekrementiert, wo­ durch die Zeiten (t₀ bis t₁ und t₃" bis t₆ oder t₃''' bis t₆) erfaßt werden, in denen das System untätig ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Inhalt des Zählers regelmäßig gelesen wird, um die Zeiten der Untätigkeit zwischen zwei Lesevorgängen (t₀, t₆) zu ermitteln.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Lesen der Zähler zurückgesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Inkrementieren bzw. das Dekrementieren des Zählers in einem Unterprogramm des Prozessors ausgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor bei der Ausführung des Unterprogramms re­ gelmäßig prüft, ob durch ihn zu bearbeitende Aufgaben vor­ liegen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor als DMA-Prozessor betrieben wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Maßnahmen gegen eine Überlast des Systems ergriffen wer­ den, wenn der Anteil der Zeiten der Untätigkeit unter eine vorgegebene Grenze fällt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahmen gegen die Überlast in der Abarbeitung der zu erledigenden Aufgaben nach Maßgabe ihrer Prioritäten oder in der Verwerfung einzelner Aufgaben bestehen.