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“道系統”并行計算環境

2018-10-30 11:35:00
李昱江
原創 467
摘要:并行計算

“物不可以終難,故授之以解,解者緩也。” 出自《易經》

自然的法則,一件事情不會永遠困難,困久了就會想辦法找出路。

現狀

北京科銀京成技術有限公司(以下簡稱“科銀京成”)是國產嵌入式實時操作系統的提供商,其自主研發的“道系統”實時操作系統已經成功應用于航空、艦船、兵器、航天等對可靠性、安全性、實時性嚴格要求的領域。

傳統意義上,不管是何種領域的嵌入式設備,都是針對不同的應用場景進行定制,以低功耗、高安全為首要目標,但是隨著應用軟件復雜程度的提高,數據量不斷增加,計算密集型的應用不斷應用于嵌入式設備領域中,尤其在道系統廣泛應用的國防領域,顯著的例子就是復雜彈道的計算、雷達數據的分析等。

雖然隨著硬件科技的發展,單個嵌入式設備的硬件性能越來越高,但是針對密集型計算應用,傳統的計算方式在CPU占用率與計算效率上,不能滿足應用場景需求,有時因為單個設備中CPU占用率過高而影響設備中其他程序的運行,導致整個系統出錯。

因此在嵌入式設備領域,功耗、實時性與計算效率在一定程度上形成了一個天平的兩端。

 

解決方案

為了應對在嵌入式設備中對于密集計算效率低下的問題,采用空間換時間的方式。通過使用同一個局域網內空閑的計算節點,組成并行計算的運行環境,從而提高復雜計算的效率。

并行計算在高效計算領域有著很高的地位,一般運行于超級計算機的計算環境中,用于大型物理問題的仿真與計算,如預測天氣、分子模擬、物理模擬等。

科銀京成通過充分的調研,參考并行計算在各個領域的應用情況,對當前流行的并行計算的實現方式進行了分析與對比,最終采用基于消息傳遞實現的MPICH作為并行計算環境的基礎。(MPI是針對并行計算提供的一套基于消息傳遞的編程接口標準,MPICH是MPI標準的開源實現。)

"道系統"作為實時操作系統,其提供的用戶態實時進程(與傳統進程不同)與完備的POISX接口,為移植MPICH打下堅實的基礎。

"道系統"MPI產品

科銀京成針對嵌入式設備領域進行并行計算應用開發提供了一整套解決方案。

針對嵌入式實時操作系統("道系統"6.0),提供了MPI組件支持,為MPI應用程序運行提供穩定的基礎核心。

"道系統"基礎開發環境,為MPI應用程序開發進行了定制,提供了MPI項目編譯、MPI目標機工作集、MPI一鍵部署、一鍵運行等功能,方便用戶進行MPI應用程序的開發與運行。

MPI應用測試

為了在"道系統"中進行并行計算方式與傳統計算方式之間的對比,我們搭建了驗證環境,并且編寫了相關代碼。

驗證環境:

三張相同配置的X86體系結構的板卡,同時運行"道系統"6.0。 其中一張板卡運行傳統的π運算算法,另外兩張板卡運行π運算的并行算法。

驗證目的:

統計分析計算時間與單個節點CPU占用率的情況,對比傳統計算與并行計算的差距,體現"道系統"MPI并行程序的優勢。

π的求解方式如下:

MPI并行程序如下:

   /*     * mpi.c     *     *  Created on: 2018-8-30     *      Author: kelton     */   #include<stdio.h>   #include<mpi.h>   #include<time.h>       intmain(intargc,char* argv[]) {    inti;    intmyrank;    intsize;    intn=1000000000;     clock_t t=0;    doublex,pi,sum=0;    doublestep=1.0/n;        //初始化MPI環境   MPI_Init(&argc, &argv);        //獲取當前進程在通信器MPI_COMM_WORLD中的進程號   MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &myrank);    MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &mysize);         t-=clock();    for(i=myrank;i<n;i=i+mysize)     {          x=(i+0.5)*step;          sum+=4.0/(1+x*x);     }        MPI_Reduce(&sum,&pi,1,MPI_DOUBLE,MPI_SUM,0,MPI_COMM_WORLD);    if(myrank==0)     {          pi=step*pi;          t+=clock();          printf("run time is:%10f\n", t/1000.0);     }        MPI_Finalize();    return0;    }

使用"道系統"MPI集成開發環境能夠很方便的開發和運行MPI應用程序,以下就是具體的開發步驟:

開發步驟如下:

  1. 在使用"道系統"進行MPI應用程序開發之前,我們需要通過LambdaPRO進行內核項目的創建,并選擇MPI組件。

  1. 在MPI運行環境配置中,用戶可以配置MPI節點數目、節點IP地址、MPI應用程序運行目錄等信息。

  1. 用戶在配置完"道系統"之后,就可以對內核進行編譯,編譯成功之后,將內核文件和項目中mpi目錄中的文件部署到節點設置的運行目錄中,MPI目錄中的文件如下圖所示:

  1. 部署完成內核鏡像之后,用戶即可通過新建實時進程項目來完成代碼的編寫(代碼如上),編譯,部署,運行。 在運行MPI應用程序之前,我們將程序進行部署,在實時進程項目中點擊右鍵就可以進行應用的一鍵部署:

  1. 在部署完成后,在rtp項目中右鍵選擇MPI運行,就可以進行MPI應用程序的運行。右鍵點擊MPI運行按鈕之后,選擇對應的MPI目標機工作集,然后就進入MPI程序運行界面:

在該界面中,用戶需要選擇運行的主節點、以及需要運行的總進程數,以及每個節點的進程個數分配,PS:"每個節點的進程數加起來需要等于總進程數"。其他選項可根據用戶需求進行配置。

點擊“運行”按鈕就可以成功運行MPI應用程序了。

通過對比傳統計算方式與并行計算的運行結果,兩種不同配置下程序的CPU占用率、計算時間(縱軸是CPU占用率,橫軸是計算時間)如下圖所示:

驗證結果:

通過以上測試可發現,在進行π運算時,普通串行程序占用了90%左右的CPU使用率,運行時間也達到了8s。而使用MPI并行程序進行π運算時,通過2個板卡進行運算,單個節點CPU使用率只有25%左右,運行時間也在2s-3s間,效率提升了4倍左右。

由此可見,單個計算設備的串行計算與多個計算設備的并行計算,在計算效率上有很大的差距。在嵌入式設備領域中,如果存在多余空閑計算設備時,可以采用并行計算的方式來解決一些計算密集型應用的問題。

應用領域

"道系統"并行計算環境能夠應用于使用嵌入式設備作為主要計算平臺,同時需要實時性、安全性的領域,如航空、航天、艦船、軌道交通等。

未來"道系統"并行計算環境將會支持更多的國產化平臺,形成嵌入式領域自主可控并行計算平臺的解決方案。

安全性、實時性高是“道系統”的基礎特質,在嵌入式設備應用領域,道系統將會根據業務的需求,提供更多外圍組件,感謝廣大合作伙伴對科銀京成的支持。


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