ГосНИИАС
О координаторе проекта
Итоги
Аналитика
Карта проекта
Русская версия
Домашняя страница
English version
Написать письмо
Помехи представляют собой большую проблему
при использовании многоядерных процессоров в авионике
Новости/ > 2019/ > Помехи представляют собой большую проблему.../
Помехи представляют собой большую проблему при использовании многоядерных процессоров в авионике
18 октября 2019 Стремясь повысить производительность автономных устройств обработки данных, компьютерная индустрия переходит от одноядерных к многоядерным процессорам, создавая тем самым серьезные проблемы как всем сегментам отрасли систем авионики, так и FAA в части возможности регулировать их. Переход на многоядерные процессоры (Multicore Processors, MCP — прим. ред.) создает всевозможные трудности с обработкой и преодолением взаимных помех, совершенно отсутствующие на одноядерных ЦП (Singlecore Processors, SCP — прим. ред.), вокруг которых изначально разрабатывались архитектуры авионики.

Задержки и помехи

Использование нескольких процессорных ядер в одном ЦП коренным образом меняет архитектуру любой компьютерной системы, в которой он используется. Как только процессор имеет более одного ядра, ресурсы, такие как память, которые были выделены для одного узла обработки, теперь должны быть распределены между двумя или более узлами по требованию. Результат сродни нескольким компьютерам в одной сети, имеющим доступ в Интернет через общее подключение. Временные задержки происходят, когда один пользователь отнимает полосу пропускания у другого пользователя.

К тому же возникает проблема взаимных помех, которые могут появляться, когда несколько бортовых приложений одновременно работают на ядрах MCP.

«Даже если между этими приложениями нет явного потока данных или взаимоконтроля, на уровне платформы все равно существует связь, которая может вызывать помехи между ними», — написали представители сертификационного органа FAA, занимающегося вопросами ПО, в своем меморандуме CAST-32A, посвященном многоядерным процессорам. Согласно этому документу, свойство платформы, которое может создавать помехи между независимыми приложениями, называется каналом помех. >>>
>>> Временные задержки, вызванные совместным использованием ресурсов, могут быть предсказаны еще на этапе проектирования систем авионики. Но каналы помех — это уже другая проблема. Поскольку они могут возникать между независимыми приложениями, такие каналы трудно предсказать, и часто их можно обнаружить лишь на этапе тестирования.

По словам Скотта Энгла, директора по развитию бизнеса компании Mercury Mission Systems, для разработчиков бортовых систем основной проблемой является большое количество возможных путей помех, вызванных многоядерными конфигурациями.

«В системе, состоящей из четырехядерного ЦП, основной шины ввода-вывода PCI express, двух DMA-контроллеров (контроллеры прямого доступа к памяти — прим. ред.), одного сетевого контроллера и двух PCIe-устройств, существует более 5 миллионов возможных путей помех, — сказал Энгл, — Очень сложно написать тесты, а затем проанализировать результаты для пяти миллионов случаев. Число возможных путей помех быстро превысит миллиард, если вы возьмете восемь ядер. До тех пор, пока мы не сможем автоматизировать тестирование или работать с производителями кремниевых элементов для уменьшения потенциальных помех, я думаю, мы будем ограничены четырьмя ядрами и теми сценариями использования, которые эти помехи минимизируют».

Энгл полагает, что ограничение в четыре ядра снизит эффективность использования многоядерных процессоров, поскольку проекты в основном строятся на программно-архитектурных решениях, а не на оптимизации архитектуры программного обеспечения.

Меморандум FAA CAST-32A

В меморандуме FAA CAST-32A изложены усилия агентства по осмыслению, тезисному выражению и рекомендованным действиям касательно вопросов, связанных с безопасным использованием MCP в системах авионики. >>>
>>> Среди тезисов, прозвучавших в документе:
  • Документы FAA, регулирующие требования к ПО бортовых систем, а именно DO-178B/ED-12B и DO-178C/ED-12C, были написаны в расчете на SCP. Они должны быть обновлены для MCP.
  • Задержки, вызванные совместным использованием памяти в MCP-системах, могут поставить под угрозу способность авионики функционировать должным образом. Они могут привести к увеличению наихудшего времени выполнения для размещенных приложений.
  • Явление каналов помех должно быть изучено, понято и устранено, дабы гарантировать, что системы авионики на базе MCP работают так, как требуется.
Обозначенные в CAST-32A направления для решения проблем MCP в бортовых системах получили поддержку Патрика Хайка, менеджера по сертификации систем компании Green Hills Software.

«В этом документе сертификационными органами был озвучен новый подход, изначально ориентированный на промышленность, — сказал Хайк, — отмеченные в документе проблемы актуальны со всех точек зрения». Он добавил, что инженеры Green Hills Software лично измерили задержки в процессе обработки данных в MCP-системах и обнаружили возможное увеличение времени выполнения на величину от 8 до 12 раз. В целом, это время зависит от количества ядер, борющихся за ресурсы совместно используемой памяти.

Но что ответят на проблемы MCP производители авионики, которым Green Hills поставляет операционные системы реального времени? Хайк отметил, что здесь возникли две разные точки зрения. Одни производители считают, что эти проблемы можно обойти, назначив и запланировав выполнение приложений на разных ядрах, а затем выделив очень большой временной интервал для обработки в случае возникновения взаимных помех. >>>
>>> «Другие понимают, насколько сложна проблема, но все еще работают над поиском принципиального решения, — подчеркнул Хайк, — У Green Hills есть решение проблемы помех в многоядерной системе, основанное на выделении полосы пропускания совместно используемого ресурса по принципу«ядро за ядром». Такой механизм обеспечивает высокую точность процесса и позволяет высококритичным по безопасности приложениям непрерывно получать необходимую полосу пропускания».

Командные усилия

Эксперты отрасли сходятся во мнении, что каждый игрок в цепи разработки систем авионики должен способствовать безопасной интеграции MCP в такие системы. Это касается производителей ОС, поставщиков связующего ПО, поставщиков платформ и системных интеграторов.

Их усилия отчасти могут опираться на существующие программные средства, библиотеки и базовые функции ПО. В рамках научных исследований и разработок необходимо будет создать другие инструменты, в том числе усовершенствованные тестовые процедуры для обнаружения каналов помех.

Оливье Чарри, главный инженер по аэрокосмическим и оборонным разработкам компании Wind River Systems, считает, что поставщики платформ играют ключевую роль в процессе анализа работы MCP по причине той роли, которую они играют в интеграции операционной системы во встроенные цепи обработки.

«Они собирают вещи вместе, поэтому поставщик платформы является одним из лучших кандидатов для этого», — подчеркнул Чарри. >>>
>>> Тем не менее, для решения проблем, связанных с MCP, потребуется полноценное участие всех, кто связан с сектором авионики. Это не та проблема, которую можно игнорировать или отрицать — переход авионики с SCP на MCP неизбежен из-за тенденций в отрасли производства процессоров.

В то же время проблемы, связанные с MCP, не должны заслонять тот факт, что их расширенные вычислительные мощности открывают для авионики много возможностей.

«Более высокая пропускная способность MCP позволяет объединять несколько функций в интегрированном модульном решении, что, в свою очередь, уменьшает размер, вес и потребляемую мощность всей бортовой системы, — подытожил Патрик Хайк из Green Hills, — Повышение вычислительных возможностей также может обеспечить резерв для будущего роста, когда появятся новые требования или приложения. Может увеличиться и среднее время наработки на отказ в результате сокращения числа процессорных плат в объединенной системе».

Более подробную информацию можно получить здесь:

http://interactive.aviationtoday.com/avionicsmagazine/august-2019/
interference-poses-biggest-challenge-to-using-multicore-processors-in-avionics/
.

Поиск по проекту
Искать!
.
© 2019 Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем. Все права защищены. Условия использования информации.