Modern mühendislik disiplinlerinde, veri işleme hızı, sonlu elemanlar analizinde kritik bir belirleyicidir ve bu hıza uygun olarak sabit olmayan bir faktöre sahip olmak için sürekli olarak kontrol sistemleridir.Sistem (OS) için gerçek zamanlı kontrol sistemleri, yüksek frekanslı veri satın alma sistemleri, uzaysal testlerde veya donanıma sahip olmak, veya büyük ölçekli simülasyonlar, sonlu görevlerde -kontucu geçiş, sistem aramaları, kontrol edilemez ve hafızayı optimize etmek için temel bilgileri ve karmaşıklığınızı en aza indirmek için.

İşletim Sistemi Başlıyor mu?

İşletim sistemi, yazılımların kullanım süresini ve hafıza kaynaklarını, donanımı, çalışan uygulamaları yönetmek ve güvenlik sınırlarını sağlamak amacıyla OS rutinlerini doğrudan kullanışlı bir şekilde yerine getirmek için uygulama açısından önemlidir.Bu bağlamda, uygulama perspektifinden çoğaltılan milyonlarca işlemden kaynaklanabilir.Her seferinde bir program, bir ağ üzerinden bellek talep eder veya veri gönderir, sistem aramaları yoluyla gönderilir - kullanıcı uzayından uzaya geçiş.Bu bağlamdan yalnızca binlerce CPU döngüsüne kadar değişebilir.

OS Overhead'in Anahtarları

Etkisi takdir etmek için, büyük kaynakları bozmalıyız:

  • [[Dönetici:0)Context Switching:[Dönetici:[Dönetici:0)Context Switching:[Dönetici:0)[Dönemli:[Dönemli:0))Etkinlik:[Dönemli) Bu, kayıtlar, program sayacı ve hafıza haritaları içerir. Modern CPU'larda, bir bağlamda, mikrosaniyede sonları olan 1-10 mikrosaniyeye mal olabilir.
  • [FONT=0) Sistem Çağrısı:[Döneticileri:[Döneticileri değiştir] Kullanıcı-uzay uygulamaları, bir sistem tarafından kullanılabilir gecikmeli gecikmeli bir yük için çağrılar.(e.g., read(), write(), ioctl()). kullanıcıdan çekirdek modlarına geçiş, kırılış düzeyi değişiklikleri, yığın geçiş ve bazen veri kopyalamaları arasında bir measurable latency yükü.
  • [FONT:0)Strupt İşletim: [Dönetici: [Döntme: 0,3] Donanım kesintileri (örneğin, ağ kartları, disk kontrolörleri, zamanlayıcılar) mevcut görevi durdurmayı, devleti kurtarmak ve kesintiye uğratmak için CPU'yu zorlayabilir ve kesintiye uğratabilir (ISR). Yüksek kesinti oranları canlı veya kesintiye yol açabilir, CPU'nun çoğu zaman işleme mühendisliği verilerinin işlenmesinden ziyade zamanlarını kesintiye uğratabilir.
  • [FONT:0)Memory Yönetimi: [DDD][3][/FONT=FONT=0) OS, sanal hafızayı sayfa masaları aracılığıyla yönetmektedir, Tercüme Bakaside Buffers (TLBs), ve sayfa hataları. büyük veri kümeleri mühendislik işlemede ortaktır (örneğin, 3D ağ geçidi, sensör kütükleri) her biri bir bağlamı değiştirebilir ve I/O işlemleri gerektirir.
  • [FONT:0]Scheduler Kararları: [Dönetici: [Dönetici:0] OS programır, hangi süreci veya iplikleri bir sonraki çalıştırdığı karar verir. tamamen Fair Scheduler (CFS) Linux'ta, örneğin, CPU zamanını dağıtmaya çalışır, ancak bu adalet, jitter ve kontrol edilemez mühendislik görevleri için gecikebilir.
  • [FONT:0)I/O Scheduling ve Buffering:[Dönetici: [Döneticiler disk veya ağdan okuduklarında, OS tekrar sipariş talepleri (örneğin, disk asansör algoritmaları için) ve bu disk veriyi geliştirirken, bu ortalama tahmin edilemezliği bireysel I/O operasyonlarına ekler.

Mühendislik Data Processing Hıza Etkisi

Mühendislik verileri işleme iş yükleri, onları özellikle OS'ye duyarlı kılan özellikleri gösterir: Sık sık akış verilerini, sınırlı infaz pencerelerini ve büyük çalışma setlerini içerir. Birkaç ölçülebilir şekilde ortaya çıkan sonuçlar ortaya çıkmaktadır.

Latency

Latency – veri gelişi ve işleme tamamlanma zamanı – gerçek zamanlı kontrol döngüleri için kritik. Bir robot kol kontrolöründe, 10 mikrosaniye yerine OS'ye bağlı 100 mikrosaniyeyi kullanan bir sensör, aşırı derecede gecikmeli servis kalitesi için aşırı derecede fazla gecikmeli kesintiye neden olabilir.

Az önce ortadan kayboldu

OS (data birim zamanlı olarak işlendi), sensör verileriyle ilgili olarak, bu verimsizleştirmeler için başka türlü kullanılabilir.If the OS uses% 30 of CPU time managing context keys and system calls, the effective processing capacity of an Engineering application is mitigate by almost that amount. For big data analysis with petabays of sensör data, this in responses to more toplu işleme times.

Jitter ve Unpredictability

Jitter, operasyonların geç saatlerindeki varyasyonu ifade eder. Sert gerçek zamanlı sistemlerde, en kötü durumda infaz süresi (WCET) bağlı olmalıdır. OS Express, sınırsız belirsizlik sunar, çünkü kesintiler, AG aktivitesi tarafından başlatılan ön boşluklar ve önbelleklemeler öngörülemez. Bu mühendisler, gerçek zamanlı işletim sistemleri için standart OSes'leri iki katına çıkarır.

Uygulamalar arasında kaynak içeriği

Modern mühendislik iş istasyonları birden çok işlem yürütüyor: bir veri satın alma sürücüsü, görselleştirme aracı, bir giriş servisi ve OS arka plan görevleri. Bu, CPU önbellekleri, bellek bantları ve bus erişim için rekabet eder. OS Express hesaplama ve bağlam geçişten ek olarak, önbellek ve hafıza otobüsünü takmaya yol açar. Bu görevlerin performansı arasında defalarca geçiş yapan bir OS altyapısı.

Mühendislikte OS Overhead'in Gerçek Dünya Örnekleri

Gerçek Zamanlı Kontrol Sistemleri

Bir Linux tabanlı kontrol sistemi çalışan bir endüstriyel CNC makinesi düşünün. Kontrol döngüsü, her 1 milisaniyeyi kodlayan ve hesaplı motor komutlarını her bir mikrosaniye olarak değerlendirmelidir.Incurs 200 mikrosaniyelik üst düzeye kadar işlem yapan ve kesintiye uğramak için, sadece 800 mikrosaniye gerçek hesaplama ve iletişim için kalır.

Yüksek-Throughput Data Acquisition

Uzay testlerinde, sensörler dizileri ikinci başına veri depolama sistemlerinden gelen veri yedeklerini genellikle bir ağ sürücüsü ile standart Linux'ta çalıştırıyor.Her paket varış noktası, kesme fırtınasına yol açıyor. OS sonra DPDK ile büyük bir kesintiler geçirir ve CPU zaman işleme paketlerini kullanıcı-uzağa hafızaya kopyalayabilir.Bu ek olarak maksimum sürdürülebilir veri oranını sınırlar.

C ⁇ Akışkanlar Dinamik (CFD) Simülasyonlar

Set düğümleri üzerinde çalışan kripto simülasyonları genellikle MPI'yi işlemsel iletişim için kullanır.Her MPI mesajı, bir taraflı MPI iletişimini kullanarak sistem çağrılarını içerir ve geçiş yükünü azaltmak için kodlanır.In Simülasyonlar binlerce çekirdek üzerinde çalışırken, OS toplam simülasyon süresinden 10-20'e kadar hesap verebilir.

Ölçümü OS Overhead

Yüksek konsantrasyondan önce, mühendisler bunu ölçmek zorundadır. Çeşitli araçlar ve metodolojiler bilgi sağlar:

  • [FONT:0)Perf/Linux perf events:[Dönetici:0) Cihazın vs. kullanıcı modunda harcanan ölçümler, bağlam geçişleri, önbellekleri ve şube yanlış tahminler.Bir mühendislik iş yükü ve perf istatistiki çıktısını çalıştırarak, biri OS aktivitesi tarafından tüketilen döngülerin oranını tahmin edebilir.
  • [FONT:0]Ftrace ve LTTng: Bu kartlama çerçeveleri kayıt fonksiyonu çağrıları, kesme eller ve iyi granularite ile zamanlama olayları.Onlar zaman harcandığını tespit etmeye yardımcı olur - sistem çağrıları, kesme eller, veya programcı.
  • [FONT=0)Benchmarks:[Dönetici:[Dönetici:0)[FONT=0)[FONT=[FONT=0)Ichmarks:[[FONTT:0)[FONT=0)Ichmarks:[FONT=0) Microbenchmarks like lmbench measure context switch latency, sistem call overhead, and memory.Geting these values to an Engineering application's operation profili, kaba tahminlerin en kötü dosyanın sabit tahminine izin verir.
  • [FONT:0)OS Gürültü Ölçümü:[Dönetici:0)) [FONTNT:0)))|Dönergeler:[Döneticiler: 0 3 ) veya [[Döneticiler için kullanılan gürültü aracı [FLT: 5)

Ölçüm sonuçlarını anlamak, mühendislere belirli iş yükleri için hangi ek kaynakların en zararlı olduğuna ve en etkili mitigation stratejilerine hedef almasına yardımcı olur.

OS Overhead'i Minik Etme Stratejileri

Orijinal makale birkaç strateji listeledi; mühendislik sistemlerinde kullanılan modern yaklaşımlarla önemli ölçüde genişletiyoruz.

Gerçek zamanlı bir işletim sistemi (RTOS) veya Real-Time Linux kullanın

Sert gerçek zamanlı uygulamalar için, özel bir RTOS (örneğin, Linux çekirdeği gerçek zamanlı (PREEMPT:1) için bir araya gelir, VxWorks) Linux ekosistemini korurken, bu sistemler öngörülebilir bir programcı, minimum bağlam anahtarları ve genellikle devre dışı bırakılabilir.

Miniksiyon Sistemi Çağrıları

Uygulamalar, arama frekansını azaltmak için büyük bir tampon kullanmalı ve hafızaya sahip I/O (mmap) geleneksel okuma / yazma sistemi aramalarını büyük veri setleri için önemli ölçüde azaltım I/O (AIO veya io uring) ile çakışmadan dengelemek için büyük bir tampon kullanmalıdır. Son Linux çekirdeği özelliği io uring, bu da yüksek performanslı I/O/veya yüksek performanslı I/O (AIO veya io uring) için sistem çağrılarını önemli ölçüde azaltır.

Etkili Scheduling ve CPU Pinning

CPU pinning (affinity) belirli temellere kritik süreçleri bağlar, programcıları taklit etmekten ve önbellek kaçıranları kaçırır. OS kesimlerinden ve daemon proseslerinden (viaEND:0) Özel işlem ataları oluşturabilir. Bu özellikle de bir çekirdek I/O ile çalışır ve diğerleri arasındaki mühendislik algoritmasını çalıştırır.

Anahtarlama ve Zero-Copy Teknikleri

Data Plane Development Kit ([[DDDK) ve Solarflare'nin OpenOnload, kullanıcı alanı uygulamaları doğrudan ağ donanıma erişmeye izin verir, çekirdek ağ yığınlarını ve sayfa tablolarını ortadan kaldırır.

Overhead'i Yeniden İşlemeyi Azalt

Interrupt kömürleri (bir kesintiye birden fazla olay paketi) CPU yükünü azaltır. Linux pei mekanizması, yüksek yük altında devre dışı bırakmaktadır, depolama için, anket I/O arabirimleri (örneğin, NVMe sürücüsü kesintiler olmadan) daha da azaltılabilir.

Allocate Private Resources

Dedicate CPU çekirdeği, bellek ve hatta kritik mühendislik süreçleri ile önbellek bölümler.Kampruplar, konteyner runtimes ( CPU set sınırları ile Docker), veya hipervizör izolasyon ( sanallaştırılmış ortamlar) içeriklenmeyi önler ve OS zamanlamasını azaltır.

Tarifsiz Anahtarlar ve Adaptif Scheduling

Modern Linux çekirdeği, bazı üst düzeylere katılabilecek çalışma yüklerini azaltabilecek çalışma yüklerini, uyarlayıcı bir uyku ve etkinlik odaklı planlamaya da yardımcı olabilecek şekilde azaltır.

Unikernels veya Konteynerizasyon

Unikernels, uygulamayı yalnızca gerekli OS bileşenleri ile birlikte, doğrudan hipervizör veya donanım üzerinde çalışan tek bir makine görüntüsüne dönüştürür, genel amaçlı OS yükünü ortadan kaldırır. nişken, gömülü sistemlerde veri işleme için aşırı verimlilik sunarlar.

Future Yol Tarifi

Özel donanım ve mikrokernellere yönelik eğilim, manzarayı şekillendirmeye devam ediyor. Mikrokernels seL4 gibi sistemler çoğu servis kullanıcı alanına hareket ederek AG yükünü azaltır, müdahaleye neden olabilecek çekirdek kodu miniz.Onlar düşük yüksek dereceden elektriksel mühendislik sistemleri için caziptir.Ayrıca, sanallaştırma ve hafıza koruması için donanım desteği (örneğin, Intel VT-x, AMD-V, ARMSDR-V, Güvenilirlik yönetimi ve depolama sistemleri ile daha fazla entegrasyon bekleyebiliriz.)

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

İşletim sistemi yükü henüz mühendislik verileri işleme hızında kullanılabilir bir faktördür. OS bazı ek olmadan çalışabilirken, mühendisler, mikrosaniye ve megatransactions'ın ilk sınıf tasarımlarını seçmek için güçlü bir araçta bulunurlar ve çekirdekleri kullanarak, donanım kaynaklarını ve optimizasyon uygulama I/O modellerini kullanarak, her strateji daha hızlı, daha öngörülebilir bir işleme katkıda bulunur.En erken mühendislik uygulamalarının tüm mühendislik uygulamalarının tüm aşamalarından itibaren OS Master'i tedavi edebilir.