Определение границ эффективности использования локальных и распределенных функций во встраиваемых компьютерных системах

Введение:
Современные встраиваемые системы имеют в своем составе различное оборудование и работают под управлением встраиваемых операционных систем, в которых реализуется механизм многозадачности с определением приоритетов для выполняемых задач. При этом время исполнения пользовательского алгоритма, не имеющего высший приоритет, определяется суммой продолжительности исполнения алгоритма условной трудоемкости и времени ожидания освобождения ресурсов, определяемого интенсивностью потока приоритетных задач.

Т. о. для определения границ эффективности использования локальных и распределенных функций относительно встраиваемой системы требуется выполнить множество измерений времени выполнения алгоритмов, реализующих некоторую задачу постоянной трудоемкости [1].

Программное обеспечение устройства состоит из множества алгоритмов, реализующих его функциональность. Трудоемкость таких алгоритмов зависит от требований, предъявляемых к функциональности устройства, в том числе и к точности контроля протекающих процессов. Трудоемкость алгоритмов и временные ограничения на их выполнение определяют потребность в аппаратных затратах на реализацию микропроцессорной системы реального времени, что, соответственно, формирует требования к ее питанию и охлаждению, а также определяет ее габариты и вес. В случае наличия ограничений на размеры и вес устройства, а также выхода алгоритма за пределы максимально-допустимой трудоемкости, физическая реализация устройства оказывается под сомнением.

Разработка модели и проведение исследований
Для проведения измерения продолжительности выполнения локальной и распределенной функций разработана программная модель [1], которая поочередно вызывает функции полезной нагрузки, реализованные как локальная и распределенная, соответственно. Затем увеличивается итерация, что приводит к увеличению трудоемкости полезной нагрузки и цикл повторяется.

В разработанной модели в качестве функции полезной нагрузки используется функция поиска в тексте фраз по их MD5 хеш-сумме. В качестве функции, реализующей алгоритм MD5, используется функция Тима Касвелла, имеющаяся в открытом доступе [2].

Всего предусмотрено 20 шагов роста трудоемкости, и данный процесс выполняется циклически 100 раз. Таким образом, всего осуществляется 4000 измерений, где на одну функцию приходится 2000 измерений.

Тестовая программа исполняется на процессоре Tensilica L106 32-bit в составе системы на кристалле Espressif ESP8266. В роли встраиваемой системы выступает модуль ESP-01. Работает под управлением ОС реального времени FreeRTOS, адаптированной компанией Espressif.

Инфраструктура сети показана на рис. 1.

Работа распределенных функций обеспечивается платформой открытых вычислений, работающей в среде Linux Gentoo x64, которая запускается на виртуальной машине Oracle VirtualBox. В качестве хоста выступает ПК под управлением ОС Windows Server 2008R2, с основными характеристиками: ЦП AMD Phenom B70, 3x3.5 ГГц, RAM 16ГБ. Подключение модуля ESP-01 к сети происходит с использованием встроенного Wi-Fi модуля, который входит в состав системы на кристалле. В качестве точки доступа выступает маршрутизатор MikroTik hAP Lite RB941-2, который является основой данной компьютерной сети. Он обеспечивает маршрутизацию для сетей IPv6 и IPv4, а также обеспечивает подключение к Интернет IPv6. Соединение с платформой происходит по протоколу TCP. Устройства в сети используют реальные IPv6 адреса.

Измерение времени выполнения алгоритма производится с помощью высокоточного аппаратного таймера (в составе ESP8266). Значение таймера устанавливается на 100 мс, равное 500 000 тактов. По истечении времени происходит переполнение счетчика тактов и таймер срабатывает. Количество срабатываний таймера фиксируется, а в конце измерения сохраняется количество переполнений и остаточное количество тактов. Измерение производится сначала для локальной функции, а затем для распределенной.

При проведении исследований процессор в ESP8266 был настроен на частоту Fcpu = 80 МГц, а время одного такта таймера составило 200 нс. Таким образом, на один тик таймера приходилось 16 тактов процессора. В результате моделирования был получен набор данных. С использованием формул, приведенных в [3], определены значения условной трудоемкости, Qусл, локальной функции каждого этапа в тактах процессора Tensilica L106, которые занесены в специальные таблицы для дальнейшего формирования теоретических функциональных зависимостей.

Формирование оценок
На основании экспериментальных данных с использованием регрессионного анализа определены границы эффективности использования распределенных функций во встраиваемой системе ESP-01, построенной на базе системы на кристалле ESP8266, работающей под управлением ОС реального времени FreeRTOS.

Анализ показал, что, вследствие наличия временных задержек, обусловленных особенностями функционирования многозадачных систем и особенностями работы компьютерных сетей, в том числе сетей, использующих в качестве среды передачи данных радиоволны (Wi-Fi), во времени выполнения функций появляется неопределенность. Поэтому функции, выполнение которых на оборудовании ESP8266 занимает менее 150 мс, нецелесообразно заменять распределенными функциями. Кроме того, исследования показали, что максимальное время исполнения распределенных функций трудоемкостью в пределах 133 млн. операций занимает максимум 388 мс, в то время как на исполнение локальных уходит более 1,6 сек.

Выводы
В работе применен метод оценки эффективности использования распределенных функций и открытых вычислений во встраиваемых компьютерных системах, учитывающий особенности многозадачных операционных систем, которые используются как на удаленных узлах, где будет осуществляться работа платформы открытых вычислений, так и во встраиваемых системах. Выполнено моделирование, в ходе которого получено множество значений, упорядоченных определенным образом. На основе полученных результатов с применением регрессионного анализа определены границы эффективности использования распределенных функций в рамках сценария моделирования для заданных аппаратных средств.

Список источников

1. Соломаха, С.С. Современные проблемы и перспективы реализации умных мобильных кибер-физических систем / С.С. Соломаха, Р.В. Мальчева // Информационное пространство Донбасса: проблемы и перспективы: материалы I Республиканской с международным участием научно–практической конференции. – Донецк: ГО ВПО «ДонНУЭТ», 2018. – С.183–187.
2. Касвелл Т. Simple MD5 implementation [Электронный ресурс] / Т. Касвелл. – Режим доступа: Ссылка
3. Соломаха, С.С. Применение облачных вычислений в системах реального времени / С.С. Соломаха, Р.В. Мальчева, И.И. Дегтярева // Материалы IX Международной научно-технической конференции «Информатика, управляющие системы, математическое и компьютерное моделирование» (ИУСМКМ-2018). – Донецк: ДонНТУ, 2018. – С. 182–186.