第44卷计算机科学 Vo1.44 No.4 2017年4月 第4期 COMPUTER SCIENCE Apr.2017 一种面向分布式嵌入式计算机的性能评估模型 李红军 崔西宁 牟明 韩伟 (驻六三一所军事代表室西安710065) (中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 西安710065) 摘要 不同领域的嵌入式计算机的性能评估有很大的差异性,对分布式嵌入式计算机的性能评估需要考虑其自身 特点。分析了分布式嵌入式计算机的一般特征,提出了一种结合软硬件的、面向分布式嵌入式计算机的性能评估模 型。该评估模型从分布式嵌入式计算机的通用技术特征方面入手,提出了度量系统性能的指标和评估准则,具有指标 定义明确、评价过程简便等优点。总结了几种常见的综合评价方法,为分布式嵌入式计算机的性能评估定义了完整的 综合评价过程。通过实验表明了该方法的可行性。该研究对分布式计算机系统的体系结构设计、性能分析与改进具 有重大的意义。 关键词 分布式计算机,嵌入式计算机,性能评估,综合评估方法 中图法分类号TP301 文献标识码A DOI 10.11896/j.issn.1002—137X 2017.04.033 Research Oil Distributed Embedded Computer Performance Evaluation Model LI Hong-jun1 CUIXi-ningz MU Mi HANWeiz (Military Delegate Office in 631 Institue,Xi’an 710065,China) (Xi’an Aeronautic Computing Technique Research Institue,Aviation Industry Corporation of Chian,Xi’an 710065,CEna)。 Abstract There exists great difference in performance evaluation of embedded computer in various application d0一 mains.The distributed embedded computer has its characters which should be taken into account while they are evalua— ted.The general characteristics of distributed embedded computer were analyzed,and a performance evaluation model was provided for the distributed embedded computer in view of its HW&sⅥ Starting with the common technology characteristics of distributed embedded computer,the model contains metrics and guidelines,which builds up an inte- grated evaluation model and takes advantages of explicit definitions and convenient regulations.Several common syn- thetic evaluation processes were summarized and on this basis a complete synthetic evaluation process was provided spe- cilaly for the distributed embedded computer.The method is of good feasibility by an experiment.The study has great importance for performance evaluation of embedded devices,especilaly for distributed s ̄tems and the related design. Keywords Distributed computer,Embedded computer,Performance evaluation,Integrated evaluation methodology 1 引言 有分布式、计算处理、可靠性和可配置性等特点[1_ 。 本文从分布式嵌入式计算机通用技术特征的角度,为 嵌入式计算机的评价指标往往是多种指标的综合。由于 嵌入式计算机建立较高层次的评估模型,总结常见的综合 嵌入式计算机设计本身的特殊性和复杂性,对于不同的设计 评估方法,定义了面向分布式嵌入式计算机性能的评估过 要求,评价的方式不尽相同,评价指标的重要程度也不同。有 程。 的要求在有限的设计成本下获得尽可能快的处理速度,有的 要求满足苛刻的实时性,有的应用场合要求很小的体积和重 2分布式嵌入式计算机的性能评估指标 量等。因此,嵌人式计算机的设计评价与测量是比较复杂的。 从分布式嵌入式计算机的主要技术特征出发,归纳出4 近年来,分布式嵌入式计算机发展迅速,广泛应用于环境监 个评估指标:分布式、计算性、可靠性和配置性,并分析了它们 测、资源调配和飞行器控制等领域。分布式嵌入式计算机具 的影响因素和评价指标,如图1所示。 到稿日期:2015—11—30返修日期:2016—03—09 本文受国家重大专项基金(2012ZX01041—006),国家航空科学基金资助项目(2013ZC31003, 2013ZC31005)资助。 李iT ̄(1980--),男,博士,工程师,主要研究领域为信息处理与软件工程,E-mail:sundaylhj@163.com;崔西宁(1964--),男,博士,主要研究领 域为并行分布式操作系统、实时控制与容错技术;牟明(1973一),男,硕士,主要研究领域为软件工程;韩伟(1988一),男,硕士,助理工程师, 主要研究领域为嵌入式应用。 154 综合评价 计算机科学 =j 竺兰二竺堡 ===={ 竺全!壑塑堡 ==== 竺全 竺堂堡 f … 云---I:…… 聂藉 …一 一… 聂磊 …一一 调度算法 分布武 资源分配 分布式嵌入式计算机性能评估模型 2017正 [ 曼堕口—— 总线速率等 MTTF筹 —] 计算并行度 计算协同度 器件可靠性等级 计算性 可靠性 安全性等级 完整性等级 备份与恢复支持等 需求和设计可追踪等 配置粒度等 配置性 可配置等级 图1分布式嵌入式计算机的性能评估指标 2.1分布式指标 入式系统在给定的环境及时间区间内连续提供期望服务的能 分布式嵌入式系统指的是把一个需要巨大计算能力才能 解决的任务分成许多小的任务(部分),然后通过消息传递的 方式把这些任务(部分)分配给网络上的计算机群(组)进行处 理,最后综合处理各计算机的结果,得到最终的执行结果。对 分布式的评价包括调度算法和资源分配两方面 。 力。器件可靠性等级就是衡量嵌入式计算机系统内的硬件元 器件所带来的连续服务能力的指标。 (2)安全性等级。嵌人式系统的安全性是指避免嵌入式 系统处在潜在危险或者不稳定状态的能力,即嵌入式计算机 中的硬件、软件及系统中的数据受到保护,不因偶然的或者恶 (1)调度算法:分布式嵌入式计算机的调度算法要保证优 先级高的任务优先得到处理、尽量多的任务在期限内完成以 及调度的开销和调度的成功率较高E 。 意的原因而遭到破坏、更改、泄露,系统连续、可靠、正常地运 行,信息服务不中断的能力。安全性一般用事故发生的概率 与严重程度度量,常用的有事故率/概率、安全可靠度、损失 (2)资源分配:分布式嵌入式计算机的可分配资源包括嵌 入式处理器、存储、网络和其他外部设备,这些资源越多表示 系统的能力越强。在不同的场景下要将这些资源适当地分配 率/概率、事故风险等,最终归结为用事故风险来综合度量。 (3)完整性等级。嵌入式计算机系统的完整性是指输出 错误的概率,对一些应用而言,也可指未检测出的故障发生的 给相应的任务,以达到资源分配的均衡性嘲。 2.2计算性指标 概率。完整性不涉及可能不提供服务的情况,只讨论在有服 务时服务的质量,也不考虑故障对系统安全性的影响以及引 分布式嵌入式计算机的计算性技术特征是指通过采用设 起错误的故障数量和顺序依赖性口 。 计、分析、验证和评估等方法,优化和平衡系统的各类非功能 属性,来达到系统以较高性能运行的目的。计算性的评价指 标包括计算并行度和计算协同度。 2.4配置性指标 嵌入式系统的可配置性主要指的是系统资源的可配置。 资源配置技术主要是指高效利用系统资源,在时间上能够复 (1)计算并行度。嵌入式系统的计算并行度是指计算机 系统具有可以同时进行运算或操作的特性,能在同一时间间 隔内完成两种或两种以上工作。它包含同时性与并发性两层 含义,同时性指两个或两个以上事件在同一时刻发生;并发性 指两个或两个以上事件在同一时间间隔发生。 用资源,完成多种任务,在保持系统资源规模的情况下更高效 地完成任务负载。资源配置技术主要应用于系统的部件级别 和支持分区的子系统级别 。资源配置可以发生在系统运行 阶段,也可以在系统停止阶段。资源配置技术需要的服务包 括数据加载服务、监控和检测服务、电源管理服务等。。 。 与通信技术! 多媒体技术、分布式处理技术及人机接I: 术:! 3分布式嵌入式计算机的性能评价准则 :1技术, …一… 。一。。 。。。 .、将时间上分离、空间上分布而工作上又相互依赖的多个协作 成员及其活动有机地组织起来,以共同完成某一项任务 。 在一个系统内,若各子系统能很好地协同工作,系统的工作效 率就能得到提高,甚至有成新的功能模块凝结。 2.3可靠性指标 可靠性技术是指通过综合考虑系统可靠性、安全性和完 一般来讲,构成评价的基本要素包括评价者、被评价对 象、评价指标体系、权重系数和综合评价方法,这5个基本要 素构成一个整体,缺一不可。评价者一般都是由经验丰富、理 论扎实且在嵌入式计算机领域比较有权威的专家组成,一般 采用团体的形式。权重系数是评价指标相对于评价目的的重 要性度量。嵌入式计算机综合性能评价指标的权重系数包括 整性等属性,来达到系统以较高的可靠性运行的目的。可靠 性技术采用的方法有设计、分析、验证和评估等。衡量可靠性 技术的因素可分为器件可靠性、安全性和完整性。 (1)器件可靠性等级。嵌入式系统的器件可靠性是指嵌 两个层面:在纵向上,反映了评价指标对嵌入式计算机综合性 能评价的贡献作用;在横向上,反映了评价指标所处的重要地 位。具体的评价流程如图2所示。 在综合评价过程中,核心的步骤是综合评价方法的选取。 第4期 李红军,等:一种面向分布式嵌入式计算机的性能评估模型 4.1指标选取 155 目前,综合评价方法发展较快,一些新兴的科学领域如模糊数 学、人工神经网络技术、灰色系统理论、数据包络分析法等都 被纷纷地引入到综合评价的研究中,形成了多种多样的综合 评价方法。常见的综合评价方法有:模糊综合评价方法、人工 神经网络分析法、灰色综合评价方法、数据包络分析法等。 本文所提出的模型中,系统的性能评估可分为调度算法 ^、资源分配 、计算并行性厶、计算协同性厶、器件可靠性 等级 安全性等级厶、完整性等级j7和配置性等级 这8 个一级指标;为了进一步细化上述一级指标,经过一定规则的 筛选,得出了全部的二级指标,如表1所列。 表1二级指标清单 模糊综合法很好地解决了模糊性与精确性之间的问题,但选 择模糊隶属度函数时存在较大的主观性。人工神经网络具有 自适应能力、可容错性,能够处理非线性、非局域性与非凸性 的大型复杂系统;但通常情况下,人工神经网络的收敛速度比 较慢,训练时间长。灰色综合评价方法能处理信息部分明确、 部分不明确的系统,且计算量小,不会出现定性分析结果与量 化结果不符的情况;但灰色关联度受分辨系数的影响,评价结 果可能会不同。数据包络分析法表明了评价对象的相对发展 指标,但无法表示出实际发展水平。 指标体系构建原则 初始指标寻找 『指标筛选 『指标体系建立 指标测试 H主观、客观权重分析 上 测试结果归一化 l 权值确定 l 综合评价I+—————_-J 图2综合评价流程 ・虽然已有多种综合评价方法,但每种综合评价方法所解 决问题的侧重点不同,适用范围也不同。因此,在进行多属性 综合评价时,应该根据评价对象、评价目标和评价指标体系这 3个方面进行分析,在遵循客观性、可操作性和有效性原则的 基础上选择合适的方法。 因此,综合上述理论,本文给出一种面向分布式嵌入式计 算机的性能综合评估[11-12 方法,定义如下。 定义1对 ( >1)台分布式嵌入式计算机{E】,Ez,…, E}进行综合性能评价,选定 个评价指标I , ,…,L,设第 i台分布式嵌入式计算机在评价指标I 上的指标值为zd,通 过指标值 构造评价函数 一 ・f(WI ),使得计算机E1, ,…,E在Y一 ・f(WI J)的作用下进行排序或聚类,这就 是分布式嵌入式计算机的综合性能评价。其中, 为映射关 系,W---(va,7.02,…,Wn) 是权重向量,J=(Il,J2,…,L) 是 评价指标向量。 4模型应用 本节结合航空电子系统中的某综合任务介绍所提模型的 一个应用场景。 在对每个指标进行测试之后,需要对测试后的值进行归 一化操作,使其为一个Eo,lOO]之间的实数。o表示不具备该 性能,lOO表示该系统的该项性能指标为目前最高值,数字由 低到高反映了性能由弱到强。其归一化方式如式(1)所示。 如一 。 4.2权值分配 不同的指标在综合评估时发挥的作用也有差别,因此为 了区分指标作用的大小,需要为每个指标分配一定的权值。 在权值分配时通常采用层次分析法。首先可以请专家组对指 标进行评估,并根据实际经验,由重要到不重要对指标进行排 序。第一个指标对应的分值为1,后面依次参考第一个指标 给出对应的分值Xi(O≤z{≤1),且i=2,3,…, , 为指标的 总个数,当分数为0时,表示在计算最终的评估值时不考虑该 指标。最终通过式(2)计算得到每个指标的权值。 Wi一五/∑Xi (2) {=l 4.3综合评估计算 这里采用两级的层次分析法,计算公式为: yE一∑I W , =∑ W{ (3) 利用上述计算方式,确定一组合适的权值,从而估计二级 指标得分。 航空电子系统中的某综合任务处理机ICP具有传感器 信号处理、数据处理与数据融合能力,含有电源模块、通用处 理模块、通用处理及10模块、交换模块等模块,各模块通过光 纤通道(Fig)进行互联,是一种典型的分布式嵌入式的处理系 统。对ICP进行性能评估,其指标的指标向量和权值向量如 156 计算机科学 2017拄 表2所列。经过第一轮计算后,可以得到每一个一级指标的 分值和对应的权重系数,如表3所列。 表2 ICP的二级指标和权重表 参考文献 [1j ZHANG H T,GONG L Q Research of Embedded Computer Performance Evaluation Technology[J].Modern Electronics Technique,2008(14):49-54.(in Chinese) 一 h k‰h ;j: 权值系数 得一9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 分一7 8 8 6 7 8 8 6 6 4 5 4 4 4 4 4 4 4 4 张海涛,龚龙庆.用于嵌入式计算机性能评测技术及其方法研究 [J].现代电子技术,2008(14):49—54. 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