專利名稱：處理器特性優(yōu)化和通過域分解的大規(guī)模系統(tǒng)優(yōu)化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開的實(shí)施例一般涉及網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)配置。更具體地，本公開的實(shí)施例涉及在復(fù)雜硬件系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的處理器優(yōu)化。
背景技術(shù)：
隨著飛行器變得更加復(fù)雜，復(fù)雜的硬件系統(tǒng)對(duì)計(jì)算處理能力的需求日益增長。為了滿足計(jì)算處理能力需求，一般使用新一代的速度更快的處理器。與上一代的處理器相比較，速度更快的處理器使得復(fù)雜的硬件系統(tǒng)的集成和復(fù)雜性大幅增加。確定一組優(yōu)化的處理器(數(shù)量和能力)滿足復(fù)雜的硬件系統(tǒng)在實(shí)時(shí)環(huán)境內(nèi)增長的計(jì)算需求是很難的問題。以前，工程師通過選擇一種特定的處理器開始，然后繼續(xù)估計(jì)許多所需處理器實(shí)例。實(shí)例數(shù)目的估計(jì)要求滿足具有計(jì)算余量的計(jì)算要求，該計(jì)算余量是由進(jìn)度能力規(guī)定手動(dòng)評(píng)估冗余、 分離、I/O和其他資源的應(yīng)用需求產(chǎn)生的。這種檢查所選擇處理器的適當(dāng)性過程是消耗時(shí)間的過程，該過程仍可導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)馁Y源或處理器數(shù)目余量。選擇處理器的不確定性可以是復(fù)雜的硬件系統(tǒng)研制工作中相當(dāng)大的不確定性來源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了優(yōu)化處理器需求和復(fù)雜硬件系統(tǒng)的大規(guī)模系統(tǒng)優(yōu)化的系統(tǒng)和方法。 系統(tǒng)配置約束組用公式表示為目標(biāo)函數(shù)和線性不等式組，并且由這組線性不等式形成凸多胞形。利用混合整數(shù)線性編程方法對(duì)于凸多胞形優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)?；谧顑?yōu)解確定系統(tǒng)的處理器需求。該系統(tǒng)和方法優(yōu)化非常大型的系統(tǒng)，并確定處理器的最優(yōu)數(shù)目和最佳性能，從而為這種系統(tǒng)提供計(jì)算資源。用這種方式，顯著地簡化了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如航空電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，的發(fā)展和性能優(yōu)化，同時(shí)滿足了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的已知實(shí)時(shí)應(yīng)用集的操作和功能需求。而且，可以最小化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)重量，和通過居中設(shè)計(jì)配置可以最大化承受配置變化的能力。此外，這里的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化可最小化將來變化的費(fèi)用，同時(shí)滿足總的系統(tǒng)安全約束。在第一個(gè)實(shí)施例中，方法優(yōu)化了系統(tǒng)的處理器需求。該方法將系統(tǒng)配置約束組公式化表示為線性不等式組和目標(biāo)函數(shù)，并且由線性不等式組形成凸多胞形。該方法還利用混合整數(shù)線性編程方法關(guān)于凸多胞形優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，從而獲得最優(yōu)解，并基于該最優(yōu)解確定系統(tǒng)的處理器需求。在第二個(gè)實(shí)施例中，處理器需求優(yōu)化系統(tǒng)包含輸入模塊，其可操作地接收公式化表示為線性不等式組和目標(biāo)函數(shù)的系統(tǒng)配置約束組。該系統(tǒng)還包含混合整數(shù)線性編程模塊，關(guān)于線性不等式組的凸多胞形可操作地優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，從而獲得最優(yōu)解。該系統(tǒng)還包含確定模塊，基于最優(yōu)解可操作地確定系統(tǒng)的處理器需求。在第三個(gè)實(shí)施例中，復(fù)雜的硬件系統(tǒng)的資源分配系統(tǒng)包含邏輯，用于確定集線器節(jié)點(diǎn)的中心傳感器/試驗(yàn)器線路分配。該系統(tǒng)進(jìn)一步包含邏輯，用于確定信息的中心參數(shù)分配、確定虛擬鏈路的中心信息分配、和確定處理器的中心應(yīng)用分配。該系統(tǒng)還包含邏輯， 如果中心系統(tǒng)資源分配滿足余量需求，該邏輯用于報(bào)告中心系統(tǒng)資源分配。
在第四個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)資源分配的方法包含集線器節(jié)點(diǎn)的中心傳感器/試驗(yàn)器線路分配。該方法進(jìn)一步包含提供信息的中心參數(shù)分配、虛擬鏈路的中心信息分配、和處理器的中心應(yīng)用分配。然后如果中心系統(tǒng)資源分配滿足余量需求，那么該方法報(bào)告中心系統(tǒng)資源分配。提供以上說明是為了以簡化的形式引入概念選擇，將在以下的詳細(xì)說明中進(jìn)一步描述。以上說明既不是為了確定權(quán)利要求主題的關(guān)鍵特征或基本特征，也不是為了用作輔助內(nèi)容來確定權(quán)利要求主題的范疇。


當(dāng)結(jié)合以下附圖作為參考，通過參考詳細(xì)說明和權(quán)利要求可以獲得本公開實(shí)施例更完整的理解，其中，附圖的同樣的參考數(shù)字指代相似的元件。提供附圖是促進(jìn)本公開的理解，而不限定本公開的廣度、范圍、規(guī)模、或適用性。附圖不一定是按比例制作。圖1示出了示例性飛行器生產(chǎn)和服務(wù)方法的流程圖。圖2示出了飛行器的示例性方框圖。圖3示出了航空電子系統(tǒng)的計(jì)算單元和傳感器的示例性位置的飛行器。圖4示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的航空電子系統(tǒng)的示例性結(jié)構(gòu)。圖5示出了一段時(shí)間內(nèi)示例性未優(yōu)化的處理器資源分配。圖6示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的航空電子系統(tǒng)優(yōu)化的系統(tǒng)的示例性功能方框圖。圖7示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的航空電子系統(tǒng)優(yōu)化過程的示例性流程圖。圖8示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的一段時(shí)間內(nèi)的示例性處理器資源分配。圖9示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的航空電子資源分配優(yōu)化過程的示例性流程圖。
具體實(shí)施例方式以下的詳細(xì)說明本質(zhì)上是示例性的，并不是為了限定本公開或申請(qǐng)和本公開實(shí)施例的用途。提供的特定設(shè)備、技術(shù)、和應(yīng)用說明僅僅是作為實(shí)例。這里描述的實(shí)例的修改對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是很明顯的，以及在不偏離本公開的精神和范疇的情況下，這里定義的一般原理可適用于其他實(shí)例和應(yīng)用。而且，并不是受前述的技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、 發(fā)明內(nèi)容或詳細(xì)說明中提出的任何表述或暗含的理論約束。本公開應(yīng)當(dāng)與權(quán)利要求范疇一致，且不限定本文描述和示出的實(shí)例。本文可以在功能和/或邏輯方框部件和各種處理步驟方面描述本公開的實(shí)施例。 應(yīng)當(dāng)理解的是，可以通過將構(gòu)造許多硬件、軟件、和/或固件部件執(zhí)行特定的功能來實(shí)現(xiàn)這種方框部件。為了簡潔，在這里可以不描述傳統(tǒng)技術(shù)以及與處理器設(shè)計(jì)、共核系統(tǒng)(CCS)、復(fù)雜的硬件系統(tǒng)、計(jì)算、數(shù)學(xué)公式、和系統(tǒng)的其他功能方面(和系統(tǒng)的單獨(dú)操作部件)相關(guān)的部件。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，本公開的實(shí)施例可以結(jié)合多種計(jì)算裝置進(jìn)行實(shí)施， 且這里描述的實(shí)施例僅僅是公開的實(shí)例。這里在實(shí)際的非限制應(yīng)用，S卩，如航空電子系統(tǒng)的復(fù)雜硬件系統(tǒng)中的優(yōu)化資源的背景下描述了公開的實(shí)施例。然而，公開的實(shí)施例并不限于這種航空電子應(yīng)用，并且這里描述的技術(shù)也可用于其他優(yōu)化應(yīng)用中。例如，實(shí)施例可適用于復(fù)雜的硬件系統(tǒng)優(yōu)化，例如但不限于，海軍系統(tǒng)優(yōu)化、海軍航空/航海/地面武器控制系統(tǒng)優(yōu)化、海底聲學(xué)分析系統(tǒng)優(yōu)化、空中交通管制系統(tǒng)優(yōu)化、醫(yī)療衛(wèi)生信息系統(tǒng)優(yōu)化、聲學(xué)和電磁信號(hào)處理器優(yōu)化、飛行控制系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)控制器優(yōu)化、導(dǎo)航控制器控制/系統(tǒng)優(yōu)化，等等。此外，實(shí)施例可適用于優(yōu)化復(fù)雜的硬件系統(tǒng)，例如但不限于，海運(yùn)/表面/地下、地面、空間、和空中交通工具系統(tǒng)，例如飛行器、宇宙飛船、航天運(yùn)載火箭、汽車、地面車輛、潛艇、船只，等等。在閱讀本說明之后本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將明顯看出，以下是實(shí)例和公開的實(shí)施例，這些實(shí)例和公開的實(shí)施例并不限于根據(jù)這些實(shí)例進(jìn)行操作。可利用其他實(shí)施例，且在不偏離本公開的示例性實(shí)施例的范疇的情況下，可以做出結(jié)構(gòu)變化。更具體地，參考附圖，可以在圖1所示的飛行器制造和服務(wù)方法100與圖2所示的飛行器200的背景下描述公開的實(shí)施例。在生產(chǎn)之前，示例性方法100可包括飛行器200的說明和設(shè)計(jì)104與原料采購106。在生產(chǎn)期間，進(jìn)行飛行器200的部件和組件制造108與系統(tǒng)集成110。之后，飛行器200可進(jìn)行檢定和交付112，為的是放置在服務(wù)114中。當(dāng)在為顧客服務(wù)時(shí)，飛行器200可以設(shè)定日常維護(hù)和服務(wù)116 (也可包括修改、結(jié)構(gòu)變形、翻新等)?？梢酝ㄟ^系統(tǒng)綜合供應(yīng)商、第三方、和/或操作人員(如，顧客)執(zhí)行或?qū)崿F(xiàn)方法 100的每個(gè)過程。為了說明，系統(tǒng)綜合供應(yīng)商可包括但不限于許多飛行器制造商和主要系統(tǒng)的轉(zhuǎn)包商；第三方可包括但不限于許多配件商、轉(zhuǎn)包商、供應(yīng)商；操作人員可以是但不限于航空公司、租賃公司、軍事實(shí)體、服務(wù)機(jī)構(gòu)等。如圖2所示，由示例性方法100生產(chǎn)的飛行器200可包括機(jī)身218、多個(gè)系統(tǒng)220 和內(nèi)部222。高級(jí)系統(tǒng)220的實(shí)例包括一個(gè)或多個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)224、電氣系統(tǒng)226、液壓系統(tǒng) 228、和環(huán)境系統(tǒng)230。還可包括許多其他系統(tǒng)。盡管示出了航空航天實(shí)例，公開可應(yīng)用于其他行業(yè)，例如汽車工業(yè)。在任意一個(gè)或多個(gè)階段的生產(chǎn)和服務(wù)方法100期間可使用這里包含的裝置和方法。例如，可以與當(dāng)飛行器200在使用中生產(chǎn)部件或組件相似的方式建造或制造對(duì)應(yīng)于生產(chǎn)過程108的部件或組件。而且，在生產(chǎn)階段108和110期間，可以利用一個(gè)或多個(gè)裝置實(shí)施例、方法實(shí)施例、或其組合，例如，通過大幅度地促進(jìn)飛行器200的組裝或降低飛行器200 的開銷。同樣地，當(dāng)飛行器200在使用中時(shí)，一個(gè)或多個(gè)裝置實(shí)施例、方法實(shí)施例、或其組合可以用于，例如但不限于，維護(hù)和服務(wù)116。如上所述，為了滿足計(jì)算處理能力的要求，一般使用新一代的速度更快的處理器。 與上一代的處理器相比較，速度更快的處理器使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集成和復(fù)雜性大幅增加。這個(gè)觀察確定需要解決兩個(gè)問題，以及需要這里將描述的方法1)非常大型系統(tǒng)的優(yōu)化，和 2)確定處理器的最佳數(shù)目和性能，從而為這種系統(tǒng)提供計(jì)算資源。非常大型系統(tǒng)的優(yōu)化可能非常困難，因?yàn)檫@需要如此大量的變量，以至于使用當(dāng)前方法的計(jì)算復(fù)雜性導(dǎo)致過長的計(jì)算時(shí)間。實(shí)際上，需要將系統(tǒng)分解為松散耦合域，使用分段迭代過程為系統(tǒng)中的那些松散耦合域確定臨時(shí)解決方法。因?yàn)檫@是極其耗時(shí)的，并且解決方法不太可行，如果實(shí)現(xiàn)了解決方法，那么是由于偶然事件或過度使用資源，在任一中情況下都導(dǎo)致得不到最佳結(jié)果?，F(xiàn)代航空電子系統(tǒng)包含大量的多種元件，例如但不限于，傳感器、通信設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、致動(dòng)器、備用設(shè)備、分析模塊、應(yīng)用軟件程序、計(jì)算資源、光導(dǎo)纖維等。為了降低復(fù)雜性和減少所需資源，在可能和實(shí)際中合并大量的多種元件。圖3示出了飛行器，其示出了航空電子系統(tǒng)300的傳感器/致動(dòng)器302-320和集線器節(jié)點(diǎn)322-3 的示例性位置。然而，公開的實(shí)施例并不限于這種航空電子系統(tǒng)；實(shí)施例可適用于其他復(fù)雜的硬件系統(tǒng)和上面提及的復(fù)雜產(chǎn)品。航空電子系統(tǒng)可以比航空電子系統(tǒng) 300描述的少量元件復(fù)雜的多。航空電子系統(tǒng)300包含升降舵位置傳感器302、方向舵位置傳感器304、廁所煙塵探測(cè)器傳感器306、機(jī)艙溫度傳感器308、阻流片致動(dòng)器310、燃油傳感器312、發(fā)動(dòng)機(jī)油門致動(dòng)器314、發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器316、襟翼動(dòng)作筒318、導(dǎo)航燈致動(dòng)器320、和集線器節(jié)點(diǎn)322/324/326。升降舵位置傳感器302包含耦合升降舵的編碼器。升降舵位置傳感器302可周期性地發(fā)送包含升降舵位置信息的數(shù)據(jù)包。方向舵位置傳感器304包含耦合方向舵的編碼器。方向舵位置傳感器304可周期性地發(fā)送包含方向舵位置信息的數(shù)據(jù)包。廁所煙塵探測(cè)器傳感器306包含檢測(cè)廁所(未示出)狀態(tài)的電子探測(cè)器。廁所煙塵探測(cè)器傳感器306可發(fā)送包含響應(yīng)煙塵事件的煙塵檢測(cè)信息的數(shù)據(jù)包。由于可以在未知時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)包，必須為數(shù)據(jù)包分配資源，但是資源分配不能干擾重要通信。機(jī)艙溫度傳感器308包含檢測(cè)機(jī)艙溫度的電子溫度檢測(cè)器。機(jī)艙溫度傳感器308 可周期性地發(fā)送包含響應(yīng)超溫事件的溫度信息的數(shù)據(jù)包。阻流片致動(dòng)器310包含用于定位阻流片的致動(dòng)器。阻流片致動(dòng)器310接收響應(yīng)飛行航向的命令包，并因此設(shè)定阻流片位置。燃油傳感器312包含用于測(cè)量燃油箱中燃油的燃油檢測(cè)器。燃油傳感器312周期性地發(fā)送包含響應(yīng)低燃油事件的燃油信息的數(shù)據(jù)包。發(fā)動(dòng)機(jī)油門致動(dòng)器314包含用于設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)油門(未示出)位置的致動(dòng)器。發(fā)動(dòng)機(jī)油門致動(dòng)器314接收響應(yīng)飛行命令的命令包，并因此設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)油門。發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器316包含檢測(cè)多種發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的電子傳感器盒子。發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器 316周期性地發(fā)送包含發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)信息的數(shù)據(jù)包。襟翼動(dòng)作筒318包含用于設(shè)定襟翼(未示出)位置的致動(dòng)器。襟翼動(dòng)作筒318接收響應(yīng)飛行命令的命令包，并因此設(shè)定襟翼位置。導(dǎo)航燈致動(dòng)器320包含用于打開或關(guān)閉導(dǎo)航燈(未示出)的致動(dòng)器。導(dǎo)航燈致動(dòng)器320接收響應(yīng)飛行航向的命令包，并因此設(shè)定燈的狀態(tài)。集線器節(jié)點(diǎn)322/324/3 包含控制傳輸至傳感器/試驗(yàn)器302-320或來自傳感器 /試驗(yàn)器302-320的數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)路由單元。圖4示出了航空電子系統(tǒng)400的示例性結(jié)構(gòu)。航空電子系統(tǒng)400可包含傳感器/ 試驗(yàn)器302-320、集線器節(jié)點(diǎn)322-326、和處理器402-410。上面描述了傳感器/試驗(yàn)器302-320，以及根據(jù)其需求發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。傳感器 /試驗(yàn)器302-320需求以接口類型和性能為特征，同時(shí)使導(dǎo)線負(fù)重。集線器節(jié)點(diǎn)322-3 和412-416的功能實(shí)現(xiàn)包含有限數(shù)目的模擬、離散、串行數(shù)字接口。集線器節(jié)點(diǎn)322-3 和412-416功能要求嚴(yán)格的進(jìn)度，處理來自傳感器/試驗(yàn)器 302-320的數(shù)據(jù)包。此外，處理傳感器/試驗(yàn)器302-320的接口消耗集線器節(jié)點(diǎn)322-3 和 412-416處理器性能。集線器節(jié)點(diǎn)322-326的進(jìn)度也必須符合由需求設(shè)定的延遲約束。結(jié)果就是對(duì)集線器節(jié)點(diǎn)322-326和412-416的傳感器/試驗(yàn)器302-320的每個(gè)接口進(jìn)行分配， 首先進(jìn)行集線器節(jié)點(diǎn)322-3 和412-416的進(jìn)度。
處理器402-410處理各種應(yīng)用從而支持傳感器/試驗(yàn)器302-320和其他航空電子應(yīng)用。應(yīng)用的計(jì)算需求是以用處理器速度、嚴(yán)格的(不可搶占的)執(zhí)行周期、和內(nèi)存需求參數(shù)化表示的執(zhí)行時(shí)間為特征。以下將討論處理器資源分配。圖5示出了一段時(shí)間內(nèi)的示例性未優(yōu)化的處理器資源分配。圖5示出了六個(gè)應(yīng)用計(jì)算模塊(ACM或處理器)0-5，同時(shí)應(yīng)用分配給各個(gè)模塊。四個(gè)周期應(yīng)用實(shí)例502分配給處理器5，兩個(gè)周期應(yīng)用實(shí)例504分配給處理器2，兩個(gè)周期應(yīng)用實(shí)例506分配給處理器1，和四個(gè)周期應(yīng)用實(shí)例508分配給處理器0。如圖5所示，處理器0和1負(fù)載相對(duì)較輕，因此處理器資源分配不是最優(yōu)的。設(shè)計(jì)航空電子處理器的現(xiàn)有方法都是耗時(shí)的、迭代的，并且不支持各種設(shè)計(jì)方案間的系統(tǒng)權(quán)衡。公開的實(shí)施例提供了復(fù)雜的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)能力。特別地，通過數(shù)學(xué)優(yōu)化相關(guān)的應(yīng)用和系統(tǒng)特性，并提出確保應(yīng)用間共享資源有效的解決方法，公開的實(shí)施例支持設(shè)計(jì)空間的系統(tǒng)研究。實(shí)施例大大地簡化了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展和性能優(yōu)化，以及同樣可簡化認(rèn)證。航空電子處理器設(shè)計(jì)要求仔細(xì)地分析航空電子應(yīng)用的計(jì)算需求。處理器集可共同地滿足航空電子應(yīng)用的需求。這需要考慮如何將應(yīng)用分配給處理器。除了計(jì)算需求之外， 應(yīng)用具有通信和輸入/輸出(I/O)需求，它們密切結(jié)合各自的計(jì)算需求。據(jù)此，在處理器設(shè)計(jì)期間也考慮通信和I/O需求是必要的。公開的實(shí)施例尋求提供資源利用的指定余量的處理器設(shè)計(jì)最優(yōu)值。通過需求指定余量，實(shí)施例不僅為應(yīng)用未來增長提供空間，而且產(chǎn)生所有資源的更加“位于中心的”用途。設(shè)計(jì)居中法均勻地提供所有資源間的散布工作量，而不會(huì)引起資源利用的瓶頸。在一個(gè)實(shí)施例中，航空電子應(yīng)用已知是先驗(yàn)地，以其執(zhí)行時(shí)間、周期、存儲(chǔ)消耗、和至網(wǎng)絡(luò)的輸入/輸出信息。通過應(yīng)用間的分離和住所需求滿足故障容差和冗余需求。在現(xiàn)有的解決方法中，處理器性能是已知的；和因此獲得處理器的優(yōu)化應(yīng)用分配。與現(xiàn)有的解決方法相比較，在這里描述的實(shí)施例中，處理器性能是未知的；和獲得處理器性能的最優(yōu)值， 從而滿足具有指定余量應(yīng)用的全部需求。這里描述了之前無效的算法過程，通過優(yōu)化計(jì)算資源的設(shè)計(jì)解決這個(gè)問題，從而滿足指定組的航空電子應(yīng)用的需求。之前該過程無效是因?yàn)橹辽賰蓚€(gè)原因(a)需要由航空電子系統(tǒng)滿足的條件集，和(b)已知的這個(gè)問題的NP-難解計(jì)算復(fù)雜性(如，一個(gè)連接具有分配和進(jìn)度的設(shè)計(jì))。一般地，NP-難解問題意味著需要解決問題的計(jì)算資源隨問題的大小呈指數(shù)增長。這種問題的解決方法本質(zhì)上一般是組合的；研究所有可能的組合，即使是大小適中的問題可十分迅速地接近數(shù)千年的計(jì)算時(shí)間，即使是在可用的速度最快的處理器上。公開的實(shí)施例解決了確定滿足已知的實(shí)時(shí)航空電子應(yīng)用的操作和功能需求集的優(yōu)化的航空電子系統(tǒng)的問題。公開的實(shí)施例中心設(shè)計(jì)配置最大化承受配置變化的能力，因而最小化將來變化的開銷，同時(shí)滿足整個(gè)系統(tǒng)的安全約束。該過程在某種意義上是迭代的， 從而實(shí)現(xiàn)收斂，同時(shí)確保安全的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。用這種方式，如下文所描述的，通過考慮使用系統(tǒng)資源的給定組的航空電子應(yīng)用的計(jì)算、通信、和I/O需求，確定了實(shí)時(shí)航空電子系統(tǒng)(如，航空電子系統(tǒng)400)范圍內(nèi)處理器的最優(yōu)設(shè)計(jì)。如上所述，應(yīng)用的計(jì)算需求是以處理器速度、嚴(yán)格的(不可搶占的)執(zhí)行周期、和內(nèi)存需求參數(shù)化表示的執(zhí)行時(shí)間為特征的。通信需求是以應(yīng)用所需的許多虛擬鏈路 (點(diǎn)到多點(diǎn)通信鏈路)和虛擬鏈路的通信帶寬為特征的。I/O需求是以處理器終端系統(tǒng)范圍內(nèi)所需內(nèi)存大小和端口類型為特征的。如這里所述，處理器設(shè)計(jì)問題以允許優(yōu)化與各種資源余量相關(guān)的多種目標(biāo)函數(shù)的方式得到了解決，同時(shí)確保滿足應(yīng)用需求。由公開的實(shí)施例克服的主要技術(shù)難題就是那種規(guī)模。處理器的最優(yōu)設(shè)計(jì)解決了包含多達(dá)幾十個(gè)處理器、 幾百個(gè)應(yīng)用、和幾千條信息的問題，同時(shí)每個(gè)處理器用于目標(biāo)能力水平，使得剩下的作為余量。這種余量和問題大小一般是現(xiàn)代航空電子網(wǎng)絡(luò)，以及同樣允許公開的實(shí)施例應(yīng)用于這些問題。在此之前還沒有開發(fā)出這種數(shù)值設(shè)計(jì)方法，包括大型的、多維的和緊湊的分配和進(jìn)度問題。由處理器的最優(yōu)設(shè)計(jì)提供的性能使得航空電子系統(tǒng)能夠在商用飛行器和軍用飛行器得到發(fā)展。設(shè)計(jì)航空電子處理器的現(xiàn)有方法都是耗時(shí)的、大量迭代的、并且不支持各種設(shè)計(jì)方案間的系統(tǒng)權(quán)衡。特別地，通過數(shù)學(xué)優(yōu)化相關(guān)的應(yīng)用和系統(tǒng)特性，并產(chǎn)生確保應(yīng)用間的共享資源有效性的解決方法，這里描述的處理器最優(yōu)設(shè)計(jì)支持設(shè)計(jì)空間的系統(tǒng)研究。用這種方式，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(如，航空電子系統(tǒng)400)的發(fā)展、性能優(yōu)化、和認(rèn)證大大得到了簡化。假定η個(gè)應(yīng)用Ti集，i = 1，...，η。假定m個(gè)處理器&集，j = 1，...，m，其中η — 般大于m。每個(gè)應(yīng)用應(yīng)當(dāng)分配給單個(gè)處理器，例如，從某種程度上來說每個(gè)處理器402-410 的資源有效，那么每個(gè)處理器402-410可以由分配給處理器的應(yīng)用充分共享。不同的應(yīng)用需要不同數(shù)量的資源。應(yīng)用數(shù)目η和每個(gè)應(yīng)用的資源需求是已知的。未知的是(a)滿足所有應(yīng)用的共同需求的足夠資源(具有指定余量)，和(b)處理器402-410的具體應(yīng)用分配。 處理器402-410上的計(jì)算、通信、和I/O資源與應(yīng)用對(duì)這些資源的消耗需求是數(shù)學(xué)描述的。 然后用公式表示對(duì)應(yīng)于(a)未知的資源量、和(b)處理器402-410的未知應(yīng)用分配的變量集。這兩個(gè)量是相互關(guān)聯(lián)的。402-410的每個(gè)處理器所需資源量依賴于處理器402-410的應(yīng)用分配，同時(shí)應(yīng)用反過來進(jìn)而依賴于應(yīng)用分配給每個(gè)處理器402-410的資源量。公開的實(shí)施例通過參數(shù)化根據(jù)資源量的應(yīng)用需求數(shù)學(xué)創(chuàng)建這種雙方依賴性，以及構(gòu)造根據(jù)未知資源量的數(shù)學(xué)公式。然后用公式表示根據(jù)資源余量的目標(biāo)函數(shù)，以及關(guān)于利用這里描述的優(yōu)化方法求解未知的資源量。為了簡潔起見，這里提供了公式的簡化描述和相應(yīng)的約束。應(yīng)用的約束如下1)應(yīng)用要求在指定周期每個(gè)處理器402-410的指定量的執(zhí)行時(shí)間。2)每個(gè)處理器402-410上的應(yīng)用進(jìn)度不應(yīng)當(dāng)重疊。3)指定的應(yīng)用共棲和分離約束存在應(yīng)用之間、應(yīng)用和處理器402-410之間、以及應(yīng)用和機(jī)箱(如，計(jì)算機(jī)機(jī)箱或機(jī)架)之間。4)應(yīng)用內(nèi)存需求-在處理期間應(yīng)用要求指定數(shù)量的內(nèi)存。這是由處理器402-410 提供的。每個(gè)處理器402-410上的應(yīng)用的可用內(nèi)存總大小是確定的。5)應(yīng)用消息接發(fā)需求-應(yīng)用利用通信端口發(fā)送和接收信息。這些通信端口使用內(nèi)存。用來滿足分配給處理器的應(yīng)用消息接發(fā)需求的每個(gè)處理器402-410的可用內(nèi)存量是確定的。6)應(yīng)用消息接發(fā)需求-應(yīng)用利用虛擬鏈路(VL)發(fā)送和接收信息。每個(gè)處理器 402-410上的許多這種有效VL是確定的。7)應(yīng)用消息接發(fā)需求-應(yīng)用要求通信信息的指定量的帶寬，其通過虛擬鏈路提供至通信信息。每個(gè)處理器402-410上的虛擬鏈路的有效通信帶寬總量是確定的。
假定以下變量x(分配變量)和d (進(jìn)度變量)的定義應(yīng)用系統(tǒng)Γ = {τ” = 1，···，η}處理器G = {gi，i = 1，· · ·，m}Pi, e,-第i個(gè)應(yīng)用的周期和執(zhí)行時(shí)間周期值Q= (qi，q2，···，(!》周期值中的指數(shù)1 e {l，...，r}xiJk e {0,1},如果任務(wù)j的事件在處理器i的第k個(gè)倉(bin)中，值是1倉指數(shù)k e {1，…，H/Ql}Clil e {0,1},如果處理器i的最小周期是q1;否則是0其中i、j、k、l、m、n、r和1都是整數(shù)。處理器設(shè)計(jì)問題明確地表達(dá)為如以下的測(cè)定倉大小和裝倉問題。每個(gè)處理器 402-410的時(shí)間線被劃分為大小是qi的倉。假定處理器402-410之間的第i個(gè)處理器。如果第i個(gè)處理器應(yīng)用周期的最小值是Cl1，考慮大小為Cl1的超級(jí)倉從而定義裝倉約束。對(duì)于第一個(gè)超級(jí)倉，可以使用二進(jìn)制變量Clil選擇處理器i的倉大小qi。為了在超級(jí)倉內(nèi)積累周期Q1的所有應(yīng)用，由倉增量Cil劃分超級(jí)倉，超級(jí)倉于是包含Q1Al1個(gè)倉。分配給倉的應(yīng)用的執(zhí)行時(shí)間總和h必須小于倉的大小。這導(dǎo)致以下的約束表達(dá)式
=k+\ j <1\ <1\ 1]V/ = l,...,rVi = 1”..’m結(jié)合非重疊的、嚴(yán)格的周期進(jìn)度需求，獲得描述計(jì)算需求的以下數(shù)學(xué)編程公式。變量h定義處理器402-410范圍內(nèi)的未知處理器速度。O)Vams^lUi i=l
S. t
(2)Pj!<i\ Σ Σ i k=\=1y/=i”"，《
(3)Xijk — Ui、i,j,k::1，..，巧/仏
Pi1Il (5) Σ~ej +Σ Σ<q,+(h-
Λ· = 1 j:Pj<qi Pj k'=k + \j:p}.>q,
Xijk ^du(Iprqi)
？ι <h仏h(6b) h ^ 0(9) xijk e {0,1}
(10) M"《,e
VA: = l”..，(P)/^);Vi;V_/ V/二 l，..”r;Vi·
在以上公式中，第一個(gè)語句(1)指定目標(biāo)。在這種情況下，目標(biāo)是最小化處理器 u (如，處理器402-410)的數(shù)量。以上約束(2)確保選擇分配(X)，這樣每個(gè)應(yīng)用分配給一
12個(gè)處理器，且只有一個(gè)來自處理器402-410的處理器Ui。約束C3)確保如果應(yīng)用分配給處理器Ui,那么處理器u開始計(jì)算作為正在使用的處理器。約束(5)是該公式中最重要的部分，將未知分配χ和未知處理器資源量h (如，處理器速度)互相聯(lián)系起來。約束(5)確保在嚴(yán)格非重疊周期開始時(shí)間的必要執(zhí)行時(shí)間(e)可以進(jìn)度應(yīng)用。約束(6a)確保如果應(yīng)用分配給處理器Ui,那么通知處理器Ui進(jìn)行進(jìn)度該應(yīng)用。剩余的約束定義了變量類型及其范圍。以相似的方式公式化其他目標(biāo)函數(shù)?？偟哪繕?biāo)是最大化處理器的最小資源余量， 無論是帶寬、虛擬鏈路、內(nèi)存、或計(jì)算吞吐量-其是居中設(shè)計(jì)空間的分配。關(guān)于計(jì)算吞吐量， 可以使用不同的公式。例如，為了最大化處理器級(jí)的最小計(jì)算余量，變量mc定義為最小計(jì)算余量?？梢酝ㄟ^將以上約束⑵修改為Oa)規(guī)定mc值的約束。新的目標(biāo)函數(shù)和修改的約束⑵可以規(guī)定為以下
權(quán)利要求
1.一種優(yōu)化系統(tǒng)的處理器需求的方法，所述方法包括 將系統(tǒng)配置約束組公式化為線性不等式組和目標(biāo)函數(shù)； 由所述線性不等式組形成凸多胞形；利用混合整數(shù)線性編程方法對(duì)于所述凸多胞形優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，從而獲得最優(yōu)解；以及基于所述最優(yōu)解確定所述系統(tǒng)的處理器需求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述系統(tǒng)配置約束組基于以下關(guān)系確定處理器速度
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述系統(tǒng)配置約束組包含基于以下關(guān)系的處理器存儲(chǔ)器大小的約束
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述系統(tǒng)配置約束組包含復(fù)雜硬件系統(tǒng)配置約束。
5.一種處理器需求優(yōu)化系統(tǒng)，其包含輸入模塊，其可操作地接收系統(tǒng)配置約束組；公式化模塊，其可操作地將所述系統(tǒng)配置約束組公式化為線性不等式組和目標(biāo)函數(shù)； 混合整數(shù)線性編程模塊，其可操作地對(duì)于所述線性不等式組的凸多胞形優(yōu)化所述目標(biāo)函數(shù)，從而獲得最優(yōu)解；以及確定模塊，其可操作地基于所述最優(yōu)解確定系統(tǒng)的處理器需求。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的處理器需求優(yōu)化系統(tǒng)，進(jìn)一步包含顯示模塊，可操作地顯示系統(tǒng)的處理器需求和所述最優(yōu)解。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的處理器需求優(yōu)化系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)是復(fù)雜硬件系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的處理器需求優(yōu)化系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)配置約束組基于以下關(guān)系確定處理器速度
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的處理器需求優(yōu)化系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)配置約束組包含基于以下關(guān)系的處理器存儲(chǔ)器大小的約束
10.一種用于復(fù)雜硬件系統(tǒng)的資源分配的系統(tǒng)，其包含用于以下項(xiàng)目的邏輯 確定對(duì)集線器節(jié)點(diǎn)的中心傳感器/試驗(yàn)器線路分配；確定對(duì)信息的中心參數(shù)分配； 確定對(duì)虛擬鏈路的中心信息分配； 確定對(duì)處理器的中心應(yīng)用分配；以及如果中心系統(tǒng)資源分配滿足余量需求，那么報(bào)告中心系統(tǒng)資源分配。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含邏輯，基于以下關(guān)系確定多個(gè)處理器
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含邏輯，基于以下關(guān)系確定處理器的存儲(chǔ)器大小的約束
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述復(fù)雜的硬件系統(tǒng)是航空電子系統(tǒng)。
14.一種復(fù)雜硬件系統(tǒng)資源分配方法，所述方法包含 確定對(duì)集線器節(jié)點(diǎn)的中心傳感器/試驗(yàn)器線路分配； 確定對(duì)信息的中心參數(shù)分配；確定對(duì)虛擬鏈路的中心信息分配； 確定對(duì)處理器的中心應(yīng)用分配；以及如果中心系統(tǒng)資源分配滿足余量需求，那么報(bào)告中心系統(tǒng)資源分配。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述系統(tǒng)是復(fù)雜硬件系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于復(fù)雜硬件系統(tǒng)的優(yōu)化處理器需求的系統(tǒng)和方法。復(fù)雜硬件系統(tǒng)配置約束組被公式化為目標(biāo)函數(shù)和線性不等式組，并且由所述線性不等式組形成凸多胞形。利用混合整數(shù)線性編程方法對(duì)于凸多胞形優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，從而獲得最優(yōu)解?；谒鲎顑?yōu)解確定復(fù)雜硬件系統(tǒng)的處理器需求。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102446238SQ20111025156
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月1日
發(fā)明者A·瑙德西科, K·科薩凡, R·S·馬提卡利 申請(qǐng)人:波音公司