WCET:Worst Case Execution Time——最坏情况执行时间

* 在实时嵌入式系统设计中,为了保证系统运行安全,需要验证系统是否满足时限——任务必须在截止期之前完成,否则实时系统会出错。
* 衡量嵌入式实时性的指标:任务的最坏情况执行时间。
* 在对硬实时系统进行设计时,需要在系统实际运行之前对系统的时间特性进行完整的验证,来确保系统在运行过程中时间特性不会被破坏——时间特性验证。
* 实时系统的时间特性必须在系统级进行验证,即只有系统的每一个部分以及整个系统都满足实时性要求,这个系统才满足。
* 衡量系统实时性的重要的参数是任务的最坏情况执行时间(Worst Case Execution Time)。
* WCET为任务的实时调度,任务的优先级仲裁,资源的冲突仲裁以及任务间通信提供依据,是确保系统安全运行的可信基础。
* WCET分析方法包括:动态测量、静态分析和混合方法三种。
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动态测量:在目标环境中实际地运行任务,通过测量任务的执行时间,加上各种统计方法来估计程序的WCET。理论上,通过测量的方法来获取程序的WCET,必须向任务输入所有可能的参数,保证程序运行完所有可能的执行路径,而实际程序的输入参数空间往往非常巨大,输入所有参数来运行程序通常是不可行的,即使可行也需要消费很长的时间。——因此,在有限样本的情况下,动态度量很难保证所得的结果的安全性,尤其是对于现代的高性能处理器。
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静态分析方法根据程序的流信息,针对目标处理器的特性估算出程序的WCET。由于程序流信息非常复杂,且现代处理器(高速缓存和流水线)的特性也很复杂,因此静态分析和计算也变得非常复杂。但是程序静态分析方法由于能够保证所得到的结果是安全的,且能够不运行程序就得到结果,从而成为WCET分析研究的主流技术,但是静态分析方法往往会高估程序的WCET实际值。
当前静态WCET分析方法从3个方面展开研究:控制流分析、底层分析和计算方法。

(1)控制流分析:从程序的源代码或目标代码出发,通过分析程序的逻辑结构、语法、语义等信息来获取程序所有可能的执行路径(执行流)。控制流分析不考虑程序的执行环境的硬件特性,主要集中在程序控制流信息的提取、程序逻辑结构的呃呃表示、控制流信息的表示与转换、循环上界的确定、不可行和隐藏路径发现等。

(2)底层分析:又称执行时间建模,主要考虑缓存、流水线等处理器体系结构对程序执行时间的影响,现代计算机体系结构多采用上述特性来提高处理器性能,而这些特性的引入使处理器执行命令的行为越来越不可预测,这与实时系统的可预测性特征相反。执行时间建模时对目标处理器的各种加速特性进行建模。

(3)计算方法:WCET分析的最后阶段是结合控制流分析和底层分析来进行计算,最终得到WCET的估计值。计算方法可分为:基于树(Tree-Based)方法、基于路径(Path-based)方法和隐藏路径枚举技术IPET方法。

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混合方法:将静态分析和动态测量相结合,该方法有两种,一种是在测量的基础上得到WCET,此时测量的是程序片段,比如基本块;另一种是在程序静态分析的基础上进行测量,例如首先找到可能导致WCET的程序路径,然后测量该路径的WCET。
<>WCET分析存在的问题

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高性能微处理器的使用增加了时序分析的难度。高性能处理器采用深层流水线、缓存、乱序执行和分支预测等技术来提高处理器的性能。在过去,执行时间是常量。而现在,随着采用深层流水线、缓存和其他各种预测概念的微处理器,导致各个指令的执行时间差异很大,指令执行时间成为了变量,同意指令的执行时间因为指令的出现位置不同也不同了,增加了时序分析的难度。
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微系统结构分析:执行时间界限能否确定、确定的界限能否精确,很大程度上依赖计算机系统结构。而计算机系统结构相互依赖,无法对单个组件进行分析,也无法以简单方式来实施执行时间惩罚,而需要进行整体结构分析,带来了更高的复杂性并增加了资源需求。多核处理器存在L2
Cache和总线共享,造成多核访问冲突,同时针对多个线程相互交互,某一线程访问共享变量将导致处理器耗费一定时间维护L1
Cache数据的一致性,这都给多核嵌入式软件WCET分析带来不确定性。
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多核实时嵌入式系统的任务执行过程必须遵守某种任务分配策略。当系统中有多个处理器可执行同一任务时,该策略决定将任务分配给哪一个处理器。在动态调度算法的模型中,为了描述任务分配这一动态行为,任务与处理器之间的映射关系必须能够动态地建立和调制,而建立动态映射关系模型是很困难的。实际应用中,存在多个任务并行执行,且多个任务之间存在相互通信,因此研究多和嵌入式软件的WCET,必须解决基于多核、多任务的调度问题,即确定各个任务分别在哪个核上运行、何时开始运行。
<>时序分析

从本质上说,WCET分析就是搜索一条穿过程序的最长路径。可以看做是构建加权图并查找其中的最长路径问题。图的节点:基本块(直线代码的最长序列)等程序片段,图的边:控制流,节点权重:程序片段执行时间的上限,边权重:遍历计数的界限。因此提出了一种针对静态时序分析的类标准系统结构。

* 控制流重建读取要分析的二进制可执行文件,重建其控制流,并将其转换为中间程序表示形式
* 值分析以静态方式确定寄存器和内存位置中存储的值。
* 循环界限分析来确定算术指令的执行时间

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