Métricas bare-metal multicore

Em um sistema bare-metal, não existe um escalonador para informar quanto tempo cada tarefa utilizou da CPU. Por isso, o firmware deve ser instrumentalizado para que seu comportamento temporal possa ser observado.

Em sistemas multicore, as métricas devem ser calculadas separadamente para cada núcleo. Isso permite verificar não apenas se o sistema atende aos requisitos temporais, mas também se o trabalho está bem distribuído entre os cores.

Neste guia serão utilizadas três métricas:

• utilização por core
• Worst Case Execution Time (WCET)
• desbalanceamento de carga

Instrumentação com GPIO

Uma forma simples de realizar as medições é reservar um GPIO para cada core:

1. Coloque o GPIO em nível lógico 1 antes de iniciar o trabalho que será medido.
2. Coloque o GPIO em nível lógico 0 ao finalizar esse trabalho.
3. Observe o sinal com um osciloscópio ou analisador lógico.

gpio_put(METRIC_PIN, 1);

// Trecho de código que será medido

gpio_put(METRIC_PIN, 0);

A largura de cada pulso representa o tempo de uma execução. A proporção de tempo em nível alto representa a utilização do core durante o intervalo observado.

WARNING

Antes de medir, defina claramente o que será considerado trabalho útil. Esperas por comandos, pelo próximo período ou por novos dados devem manter o GPIO em nível baixo. Utilize o mesmo critério e o mesmo intervalo de observação para os dois cores.

Utilização por core

A utilização por core indica qual fração do tempo cada núcleo permaneceu executando o trabalho definido para ele.

Considere:

• $T_{ocupado}$: soma dos intervalos em que o core realizou trabalho útil
• $T_{observacao}$: duração total da medição

A utilização de um core é calculada por:

$U=\frac{T_{ocupado}}{T_{observacao}}\times 100\mathrm{\%}$

Exemplo

Durante uma observação de 100 ms, o GPIO de instrumentação do core 0 permaneceu em nível alto por um total de 35 ms:

$U_0=\frac{35}{100}\times 100\mathrm{\%}=35\mathrm{\%}$

No mesmo intervalo, o GPIO do core 1 permaneceu em nível alto por 60 ms:

$U_1=\frac{60}{100}\times 100\mathrm{\%}=60\mathrm{\%}$

Uma utilização elevada não representa necessariamente um erro. Entretanto, quanto mais próximo de 100%, menor é a margem disponível para lidar com variações no tempo de execução ou adicionar novas funcionalidades.

Worst Case Execution Time (WCET)

O WCET representa o maior tempo que um trecho de código leva para executar. Em uma medição empírica, ele corresponde à maior duração observada entre todos os pulsos do GPIO de instrumentação.

$WCE{T}_{observado}=max(t_1,t_2,\dots ,t_n)$

Exemplo

Considere os tempos medidos para uma operação executada pelo core 1:

Execução	Tempo medido
1	5,8 ms
2	6,1 ms
3	5,9 ms
4	6,7 ms
5	6,0 ms

O maior valor observado foi:

$WCE{T}_{observado}=6,7\text{ms}$

Para que o resultado seja representativo, realize muitas execuções e teste condições diferentes, incluindo entradas válidas, erros, timeouts e diferentes frequências de operação.

WARNING

Uma medição experimental encontra o pior tempo observado durante os testes, mas não prova que esse seja o pior tempo possível do sistema.

Desbalanceamento de carga

O desbalanceamento de carga compara a utilização dos cores. Para um sistema com dois núcleos, ele pode ser calculado pela diferença absoluta entre as utilizações:

$D=|U_0-U_1|$

Exemplo

Utilizando os valores do exemplo anterior:

• utilização do core 0: $U_0=35\mathrm{\%}$
• utilização do core 1: $U_1=60\mathrm{\%}$

$D=|35-60|=25\text{pontos percentuais}$

Quanto maior o valor, maior é a diferença de carga entre os cores. Um desbalanceamento alto pode indicar que um núcleo está próximo do seu limite enquanto o outro possui capacidade disponível.

O objetivo não é obrigatoriamente obter utilizações iguais. Alguns sistemas distribuem responsabilidades naturalmente diferentes entre os cores. A métrica deve ser analisada junto com o WCET e os requisitos temporais de cada operação.

Resumo

Métrica	Como obter	O que observar
Utilização por core	Percentual de tempo em nível alto	Margem disponível em cada core
WCET observado	Maior largura de pulso	Pior tempo encontrado nos testes
Desbalanceamento	$	U_0 - U_1