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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zeitsynchronisation von mindestens
zwei einem Multiprozessorsystem enthaltenen Uhren.
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In
einem Multiprozessorsystem, wie es beispielsweise zur Verarbeitung
von großen
Datenmengen und/oder verschiedenen Aufgaben in Echtzeit verwendet
wird, besteht eine Schwierigkeit darin, die Uhren der einzelnen
Prozessoren so zu synchronisieren, dass sie gleich laufen, d.h.,
dass deren zeitliche Abweichung einen bestimmten vorgegebenen Toleranzwert
nicht überschreitet.
Als „Uhr" soll hierbei ein
Zeitgeber oder Taktgeber in Form von beispielsweise einem „Counter" oder einem „Timer"verstanden werden,
welcher eine, zunächst
relative, Zeitangabe in Form eines Zeitstempels erzeugt, die jedoch
auf die aktuelle Zeit nach Art einer Absolutzeituhr umgerechnet
werden kann. Ein „Counter" wird meist durch
einen präzisen
Schwingquarz realisiert, der mit einer bestimmten Frequenz schwingt, welche
abhängig
von Güte
und Art des Quarzes mehr oder weniger präzise ist. Mit dem Quarz verbunden
ist meist ein Zählregister,
welches nach jeder Periodendauer P oder einem Bruchteil davon um
1 inkrementiert wird. Ähnlich
dem „Counter" ist auch der „Timer", der demgegenüber ein
zusätrliches
Register in Form eines sogenannten Halteregisters aufweist. Nach
jeder Periodendauer T des Quarzes oder eines Vielfachen davon wird
das Zählregister
dekrementiert. Sobald dieses auf Null dekrementiert ist, wird ein
Interrupt generiert und das Zählregister
auf den Wert im Halteregister gesetzt.
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Ein
Problem ist einerseits eine grundsätzliche Abweichung der Schwingung
des Quarzes, indem dieser zu schnell oder zu langsam „geht", und andererseits
ein „Wegdriften" in Abhängigkeit
der Temperatur. In 2a) ist die Gangabweichung
eines Quarzes bei konstanter Temperatur dargestellt, in 2b) das Wegdriften zunächst bei Temperaturänderung,
beispielsweise beim Anlaufen des Prozessors, und dann eine konstante
Gangabweichung bei konstanter Temperatur.
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Aus
der
EP 1 294 116 A2 ist
ein Verfahren zur Synchronisation von Uhren in einem Netzwerk bekannt,
bei denen Zeitstempel verwendet werden.
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Aus
der
US 6 125 368 ist
ein Verfahren zur Synchronisation verschiedener Uhren im einem komplexen
Netzwerk bekannt, wobei jedem Knoten des Netzwerks eine logische
Uhr zugeordnet ist.
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Weiterhin
sind Verfahren zur Synchronisation von Prozessoren aus den Aufsätzen „Time Synchronization
on SP1 and SP2 Parallel Systems"von ABALI
et al (In: 9th International Parallel Processing Symposium, Proceedings,
1995, S. 666-672), „Event Composition
in Time-dependent Distributed Systems" von LIEBIG et al (In: International
Conference on Cooperative Information Systems, CooplS'99, Proceedings,
1999, S, 70-78), der
US 5 875
320 und der
US 6 011
823 bekannt.
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Zeitsynchronisation von
mindestens zwei in einem Multiprozessorsystem enthaltenen Uhren,
bei dem eine erste Uhr mit einer vorgegebenen Taktrate aufeinanderfolgende
jeweilige die Zeit anzeigende Zeitstempel erzeugt und mindestens
eine zweite Uhr, die eine einstellbare Taktrate aufweist, in bestimmten Zeitabständen mit
der ersten Uhr synchronisiert wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren dieser Art so zu schaffen,
dass ein Bus, durch welchen die Prozessoren des Multiprozessorsystems miteinander
verbunden sind, durch die Zeitsynchronisation möglichst wenig belastet wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das
im Anspruch 1 angegebene Verfahren zur Zeitsynchronisation gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den
Unteransprüchen angegeben.
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Durch
die Erfindung wird ein Verfahren zur Zeitsynchronisation von mindestens
zwei in einem Multiprozessorsystem enthaltenen Uhren geschaffen,
bei dem eine erste Uhr mit einer vorgegebenen Taktrate aufeinanderfolgende
jeweilige die Zeit anzeigende Zeitstempel erzeugt und mindestens
eine zweite Uhr, die eine einstellbare Taktrate aufweist, in bestimmten
Zeitabständen
mit der ersten Uhr synchronisiert wird. Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, dass a) in vorgegebenen Zeitabständen die gegenseitige zeitliche
Lage von den Übergang
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitstempeln repräsentierenden
Flanken der ersten Uhr und der zweiten Uhr erfasst wird, dass b)
aus der Änderung
der gegenseitigen zeitlichen Lage der Übergangsflanken der ersten
Uhr und der zweiten Uhr ein die Zeitabweichung zwischen der ersten
Uhr und der zweiten Uhr repräsentierender
Korrekturfaktor bestimmt wird, dass c) mittels des die Zeltabweichung
zwischen der ersten Uhr und der zweiten Uhr repräsentierenden Korrekturfaktor
die Taktrate der zweiten Uhr im Sinne einer Verminderung der Zeitabweichung
zwischen der ersten Uhr und der zweiten Uhr neu eingestellt wird,
und dass d) die Schritte a) bis c) wiederholt werden.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung kann die zeitliche Lage der Übergangsflanken
der ersten Uhr und/oder der zweiten Uhr durch Polling erfasst werden,
indem der Zeitstempel der betreffenden Uhr mindestens zweimal hintereinander
ausgelesen und die dabei erhaltenen Zeitstempel miteinander verglichen
werden und das Auslesen des Zeitstempels solange wiederholt wird
bis sich der zuletzt erhaltene Zeitstempel von dem vorherigen Zeitstempel
unterscheidet.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung kann die Änderung der zeitlichen Lage
der Übergangsflanken
der ersten Uhr und der zweiten Uhr durch eine zweistufige Flankensuche
erfasst werden, indem der Zeitstempel der betreffenden Uhr einmal vor
einer angenommenen Übergangsflanke
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitstempeln und einmal nach
einer angenommenen Übergangsflanke zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Zeitstempeln ausgelesen und jeweils der
erhaltene Zeitstempel mit dem für
den Zeitpunkt des Auslesens erwarteten Zeitstempel verglichen wird
und dieser Vorgang fortgesetzt wird, wobei i) eine Übereinstimmung
sowohl des beim Auslesen vor der angenommenen Übergangsflanke erhaltenen Zeitstempels
mit dem erwarteten Zeitstempel als auch des beim Auslesen nach der
angenommenen Übergangsflanke
erhaltenen Zeitstempels mit dem erwarteten Zeitstempel im Sinne
einer korrekten Lage der angenommenen Übergangsflanke gewertet wird,
ii) eine Übereinstimmung des
beim Auslesen vor der angenommenen Übergangsflanke erhaltenen Zeitstempels
mit dem erwarteten Zeitstempel und eine Übereinstimmung des beim Auslesen
nach der angenommenen Übergangsflanke
erhaltenen Zeitstempels jedoch mit einem früheren als den erwarteten Zeitstempel
im Sinne einer verspäteten
Lage der angenommenen Übergangsflanke
bzw. im Sinne eines zu frühen,
Zeitpunkts des Auslesens gewertet wird, und iii) eine Überein stimmung
des beim Auslesen nach der angenommenen Übergangsflanke erhaltenen Zeitstempels
mit dem erwarteten Zeitstempel und eine Übereinstimmung des beim Auslesen
vor der angenommenen Übergangsflanke
erhaltenen Zeitstempels jedoch mit einem späteren als dem erwarteten Zeitstempel
im Sinne einer verfrühten
Lage der angenommenen Übergangsflanke
bzw. im Sinne eines zu späten
Zeitpunkts des Auslesens gewertet wird.
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Das
Auslesen der Zeitstempel kann jeweils vor und nach derselben angenommenen Übergangsflanke
zwischen denselben zwei aufeinanderfolgenden Zeitstempeln erfolgen.
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Vorzugsweise
jedoch erfolgt das Lesen der Zeitstempel jeweils vor und nach verschiedenen
angenommenen Übergangsflanken
zwischen jeweiligen verschiedenen zwei aufeinanderfolgenden Zeitstempeln,
insbesondere abwechselnd.
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Insbesondere
vorteilhaft ist es, das Lesen der Zeitstempel jeweils abwechselnd
vor und nach verschiedenen angenommenen Übergangsflanken vorzunehmen,
die in gleichen Zeitabständen
aufeinanderfolgen.
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Gemäß einem
besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist es vorgesehen, dass am Anfang des Synchronisierungsvorgangs
die Lage der Übergangsflanken
durch Polling erfasst wird, indem der Zeitstempel der betreffenden
Uhr mindestens zweimal hintereinander ausgelesen und die dabei erhaltenen
Zeitstempel miteinander verglichen werden und das Auslesen des Zeitstempels
solange wiederholt wird bis sich der zuletzt erhaltene Zeitstempel
von dem vorherigen Zeitstempel unterscheidet, und dass dann die Änderung
der zeitlichen Lage durch eine zweistufige Flankensuche erfasst wird,
indem der Zeistempel der betreffenden Uhr einmal vor einer angenommenen Übergangsflanke
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitstempeln und einmal nach
einer angenommenen Übergangsflanke zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Zeitstempeln ausgelesen und jeweils der
erhaltene Zeitstempel mit dem für
den Zeitpunkt des Auslesens erwarteten Zeitstempel verglichen wird
und dieser Vorgang fortgesetzt wird, wobei i) eine Übereinstimmung
sowohl des beim Auslesen vor der angenommenen Übergangsflanke erhaltenen Zeitstempels
mit dem erwarteten Zeitstempel als auch des beim Auslesen nach der
angenommenen Übergangsflanke
erhaltenen Zeitstempels mit dem erwarteten Zeitstempel im Sinne
einer korrekten Lage der angenommenen Übergangsflanke gewertet wird,
ii) eine Übereinstimmung des
beim Auslesen vor der angenommenen Übergangsflanke erhaltenen Zeitstempels
mit dem erwarteten Zeitstempel und eine Übereinstimmung des beim Auslesen
nach der angenommenen Übergangsflanke
erhaltenen Zeitstempels jedoch mit einem früheren als den erwarteten Zeitstempel
im Sinne einer verspäteten
Lage der angenommenen Übergangsflanke
bzw. im Sinne eines zu frühen
Zeitpunkts des Auslesens gewertet wird, und iii) eine Übereinstimmung
des beim Auslesen nach der angenommenen Übergangsflanke erhaltenen Zeitstempels
mit dem erwarteten Zeitstempel und eine Übereinstimmung des beim Auslesen
vor der angenommenen Übergangsflanke
erhaltenen Zeitstempels jedoch mit einem späteren als dem erwarteten Zeitstempel
im Sinne einer verfrühten
Lage der angenommenen Über gangsflanke
bzw. im Sinne eines zu späten
Zeitpunkts des Auslesens gewertet wird.
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Vorzugsweise
ist es vorgesehen, dass der die Zeitabweichung zwischen der ersten
Uhr und der zweiten Uhr repräsentierende
Korrekturfaktor bestimmt wird durch Vergleich des zeitlichen Abstandes zwischen
jeweils zwei einander entsprechenden Übergangsflanken der ersten
und der zweiten Uhr.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es vorgesehen, dass die Taktrate der zweiten Uhr im Sinne einer
Verminderung der Zeitabweichung zwischen der ersten Uhr und der
zweiten Uhr dann neu eingestellt wird (Schritt c)), wenn mindestens
zwei aufeinanderfolgende Auslesevorgänge eine Zeitabweichung in
der gleichen Richtung im Sinne entweder einer verspäteten Lage
der angenommenen Übergangsflanken
bzw. im Sinne eines zu frühen Zeitpunkts
des Auslesens oder im Sinne einer verfrühten Lage der angenommenen Übergangsflanken bzw.
im Sinne eines zu späten
Zeitpunkts des Auslesens ergeben hat.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
die erste Uhr eine zentrale ganggenaue Uhr.
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Vorzugsweise
ist die mindestens eine zweite Uhr eine interne Uhr eines in dem
Multiprozessorsystem enthaltenen Prozessors.
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Vorzugsweise
ist die zweite, interne Uhr eine virtuelle Uhr, die durch Software
erzeugt wird.
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Vorzugsweise
enthält
das Multiprozessorsystem mehrere Prozessoren mit mehreren diesen zugeordneten
zweiten Uhren, die mit der ersten Uhr bzw. mittels dieser synchronisiert
werden.
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Hierbei
ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die mehreren zweiten Uhren
jeweils zu verschiedenen nacheinander folgenden Zeitpunkten mit der
ersten Uhr synchronisiert werden.
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele des
erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand der Zeichnung erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematisierte Darstellung eines Multiprozessorsystems, bei dem
mehrere Prozessoren mittels einer zentralen Uhr synchronisiert werden;
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2a) und b) Diagramme zur Erläuterung des
Wegdriftens der mittels eines Schwingquarzes gemessenen Zeit;
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3 ein
Diagramm zur Erläuterung
einer stetigen Synchronisation einer virtuellen Uhr in Bezug auf
eine zentrale, ganggenaue Uhr;
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4 ein
Diagramm zur Erläuterung
einer unstetigen Synchronisation einer virtuellen Uhr in Bezug auf
eine zentrale, ganggenaue Uhr;
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5 ein
Diagramm zur Erläuterung
der Problematik des Lesezugriffs bei der Synchronisation zweier
Uhren;
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6 eine
Diagramm zur Erläuterung
einer sogenannten zweistufigen Flankensuche bei der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
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7 ein
Diagramm zur Erläuterung
des maximalen Lesefehlers bei zweistufiger Flankensuche;
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8 ein
Diagramm zur Erläuterung
einer Synchronisation, bei der eine interne Uhr eines Prozessors
ideal mit einer zentralen, ganggenauen Uhr synchronisiert ist;
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9 ein
Diagramm zur Erläuterung
einer Synchronisation, bei der eine interne Uhr eines Prozessors
zu langsam läuft
gegenüber
einer zentralen, ganggenauen Uhr;
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10 ein
Diagramm zur Erläuterung
einer Synchronisation, bei der eine interne Uhr Prozessors zu schnell
läuft gegenüber einer
zentralen, ganggenanuen Uhr.
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11a) und b) jeweils ein Diagramm zur Erläuterung
der Bildung eines Korrekturfaktors bei einer zu schnell bzw. zu
langsam laufenden internen Uhr eines Prozessors;
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12 ein
Diagramm zur Erläuterung
der Durchführung
einer Startkorrektur am Anfang der Durchführung des erfindungsgemäßen Synchronisationsverfahrens
gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
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13 ein
Diagramm zur Erläuterung
der Bestimmung eines Korrekturfaktors bei einer zu langsam laufenden
internen Uhr eines Prozessors;
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14 ein
Diagramm zur Erläuterung
der Bestimmung eines Korrekturfaktors bei einer zu schnell laufenden
internen Uhr eines Prozessors;
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15 ein
Diagramm zur Erläuterung
des Problems des „Schaukelns", wie es bei einer
zu direkten Änderung
des Korrekturfaktors entstehen kann;
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16 und 17 Diagramme
zur Erläuterung
der Änderung
des Korrekturfaktors bei zu langsam bzw. zu schnell laufender interner
Uhr eines Prozessors gemäß einem
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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18 ein
Diagramm zur Erläuterung
des Prinzips einer Verteilung von Zugriffen auf einen gemeinsamen
Bus des Multiprozessorsystems;
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19 ein
Diagramm zur Erläuterung
unterschiedlicher Zeitbereiche, während derer verschiedene Prozessoren
Zugriff auf den gemeinsamen Bus haben; und
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20 ein
Diagramm, welches einen Gesamtüberblick über ein
Synchronisationsverfahren gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellt.
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1 zeigt
in einer schematisierten Darstellung ein Multiprozessorsystem, bei
dem mehrere Prozessoren CPU 1 bis CPU 16 über eine Busverbindung in Form
eines VME-Bus miteinander verbunden sind. Zur Synchronisation von
diesem Multiprozessorsystem ist eine erste Uhr vorgesehen, die als Mem
Clock bezeichnet ist. Diese soll durch einen schwingenden Quarz
realisiert sein, mit welchem ein Zählregister gekoppelt ist, das
nach jeder Periodendauer T des Quarzes um 1 inkrementiert wird.
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Jeder
der Prozessoren CPU 1 bis CPU 16 verfügt über eine interne, virtuelle
Uhr, die eine von mehreren zweiten Uhren im Sinne der Erfindung
ist, die mit der ersten Uhr synchronisiert werden sollen. Diese
virtuellen Uhren sind durch Software realisiert, nicht durch Hardware.
Ziel bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
soll es sein eine gewünschte Maximalabweichung
jeder der zweiten, virtuellen Uhren zu der ersten Uhr, der Mem Clock
einzuhalten. Diese Abweichung kann beispielsweise auf weniger als ± 5 μs vorgesehen
sein. Dies bedeutet, dass zwei verschiedene der Prozessoren CPU
1 bis CPU 16 nicht mehr als 10 μs
voneinander abweichen dürfen.
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Ohne
besondere Maßnahmen
zur Synchronisation der ersten und zweiten Uhren würde es ein „Wegdriften" ergeben, wie es
bereits eingangs unter Bezugnahme auf die 2a)und
b) beschrieben worden ist.
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Zur
Synchronisation der zweiten, virtuellen Uhren mit der ersten Uhr
gibt es im wesentlichen zwei Möglichkeiten,
durch Korrektur das Gangverhalten jeder zweiten Uhr an die erste
Uhr anzupassen. Die erste, in 3 dargestellte
Möglichkeit
ist es, die zweite Uhr stetig der ersten Uhr nachzuführen, das heißt, zu jeweiligen
Synchronisationszeitpunkten S die Ganggeschwindigkeit der zweiten
Uhr so zu korrigieren, dass sie um den Gang der ersten Uhr herum pendelt.
Die virtuelle Uhr läuft
somit kontinuierlich weiter, sie wird nur jeweils schneller oder
langsamer eingestellt, um sie der ersten Uhr nachzuführen.
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Bei
der in 4 dargestellten unstetigen Synchronisation wird
zu jeweiligen Synchronisierungszeitpunkten S die zweite, virtuelle
Uhr auf den Wert der ersten, zentralen Uhr zurückgesetzt und von dort aus
neu gestartet. Die virtuelle Uhr „springt" also auf einen anderen Zeitpunkt und,
je nachdem, ob die virtuelle Uhr zu schnell oder zu langsam war,
entsteht in der Zeitlinie eine Lücke
(um die „verlorene" Zeit aufzuholen)
bzw. es wird ein Zeitraum wiederholt (um die „überschüssige" Zeit zu überschreiben).
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Ein
stetiges Zeitverhalten, wie es in 3 dargestellt
ist, ist meistens vorzuziehen, sind die Sprünge bei einem System mit unstetigem
Zeitverhalten gemäß 4 jedoch
klein genug, sind auch Lösungen
mit unstetigem Zeitverhalten praktikabel.
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Eine
Problematik liegt im Auflösungsvermögen der
ersten Uhr, der Mem Clock. Beträgt
dieses beispielsweise 10 μs,
d.h. das Zählregister
wird alle 10 μs
inkrementiert, so kann dies beim instantanen Auslesen des Zeitstempels
der Mem Clock einen Fehler von bis zu 10 μs bedeuten, wie es in 5 gezeigt
ist. Für
den Zeitstempel 150 μs
kann beispielsweise beim Lesen kurz nach der letzten Flanke der Wert
150 μs ausgegeben
werden, der reale Wert wäre
etwa 151 μs.
Bei einem anderen Lesezugriff kurz vor der nächsten Flanke würde wiederum
ein Wert von 150 μs
ausgegeben werden, der reale Wert wäre jedoch 159 μs. Dies entspricht
einem absoluten Fehler von 9 μs,
was zuviel für
eine sinnvolle Synchronisierung ist. Als Flanke wird die Schwelle
zwischen zwei Zeitstempeln verstanden, also beispielsweise zwischen
dem Zeitstempel 140 μs
und 150 μs oder
zwischen dem Zeitstempel 150 μs
und 160 μs. Es
ist also nicht so einfach möglich,
den Zeitstempel-Wert der Mem Clock zu holen, ohne dabei einen größeren Lesefehler
auszuschließen.
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Eine
einfache Möglichkeit
ist es, die Flanke per Polling zu suchen, d.h. der jeweilige Prozessor CPU
1 ... 16 liest den Zeitstempel der Mem Clock mindestens zweimal
hintereinander und vergleicht die beiden Zeitstempel. Sind diese
gleich, liest die CPU noch einen Zeitstempel von der Mem Clock. Dies
wird solange wiederholt, bis sich der zuletzt gelesene Zeitstempel
von dem vorherigen unterscheidet. Ist dies der Fall, so ist die
Flanke der Mem Clock gefunden. Dieses Prinzip ist recht einfach
zu implementieren, hat jedoch den Nachteil einer großen Busbelastung.
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Eine
bessere, mit einer geringeren Busbelastung verbundene Möglichkeit
besteht in einem Vorgehen, welches hier als "zweistufige Flankensuche" bezeichnet werden
soll. Die Idee hierbei ist es, mittels lediglich zwei verschiedenen
Lesevorgängen möglichst
nahe bei der angenommenen Flanke der Mem Clock deren Flanke zu finden
und dadurch die Driftrate der internen Uhr der jeweiligen CPU festzustellen
und diese auf die Geschwindigkeit der Mem Clock zu synchronisieren.
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In 6 sind
mit den dicken und dünnen
langen Balken Flanken zwischen jeweiligen Zeitstempeln dargestellt.
Hier sollen als Beispiel die Flanken bei 100 μs 1100 μs und 2100 μs, also jeweils alle 1000 μs erfasst
werden. Bei 100 μs erfolgt
ein Lesen kurz vor der erwarteten Flanke, es wird als SBF (SyncBeforeFlank)
bezeichnet. Bei 1100 μs
wird kurz nach der erwarteten Flanke gelesen, was als SAF (SyncAfterFlank)
bezeichnet wird. Bei 2100 μs
erfolgt wieder ein Lesen SBF. Diese beiden Lese- bzw. Synchronisierungsvorgänge werden
abwechselnd ausgeführt.
Der Abstand zwischen zwei Synchronisationsvorgängen, d.h. das Synchronisationsintervall tsyncIntervall
ist konstant und soll möglichst
groß sein,
um eine geringe Busbelastung zu verursachen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
wurde in der Graphik ein Synchronisationsintervall tsyncIntervall
= 1 ms verwendet, in der Realität
würde man
jedoch ein größeres verwenden.
Für das
Auslesen SBF bei 100 μs
wird der Zeitstempel 90 μs
erwartet. Wird dieser tatsächlich
ausgelesen, so hat tatsächlich
ein Lesevorgang vor der Flanke stattgefunden. Bei der Flanke 1100 μs wird für das Auslesen
SAF ein Zeitstempel 1100 μs
erwartet. Wird dieser tatsächlich
ausgelesen, so hat tatsächlich
ein Auslesen nach der Flanke stattgefunden. Für die Flanke 2100 μs wird wiederum
für ein
Auslesen SBF der Zeitstempel 2080 μs erwartet. Wird dieser tatsächlich ausgelesen,
so hat das Auslesen tatsächlich
vor der Flanke stattgefunden.
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Würde jedoch
bei 100 μs
anstelle den Zeitstempel 90 μs
bereits der Zeitstempel 100 μs
gelesen, so wäre
die Flanke 100 μs
der Mem Clock zu früh,
was gleichbedeutend damit ist, dass die interne Uhr der CPU zu spät gelesen
hat, also zu langsam läuft.
Sinngemäß das gleiche
gilt für
das Auslesen SBF an der Flanke 1100 μs. Wird jedoch beim Auslesen
SAF an der Flanke 1100 μs
anstelle des erwarteten Zeitstempels 1100 μs nur der Zeitstempel 1090 μs gelesen,
so wäre
die Flanke 1100 μs
der Mem Clock zu langsam, was gleichbedeutend damit ist, dass die
interne Uhr der CPU demgegenüber
zu schnell gelaufen ist.
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Diese
zweistufige Flankensuche ist in 7 nochmals
in der Weise dargestellt, dass die beiden Lese- bzw. Synchronisationsvorgänge vor
der Flanke SBF bzw. nach der Flanke SAF für ein und dieselbe Flanke zu
einem Vorgang zusammengefasst sind. Das Intervall zwischen SBF und
SAF entspricht gleichzeitig dem maximalen Lesefehler.
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Damit
die zweistufige Flankensuche in dieser Weise erfolgreich durchgeführt werden
kann, ist es vorteilhaft, wenn am Anfang eine Flanke durch Polling
in der eingangs beschriebenen Weise gefunden und dann die zweistufige
Flankensuche gestartet wird.
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8 die
Synchronisation einer internen CPU-Uhr, die ideal synchroni siert
mit der Mem Clock lauft. Die Synchronisationen SAF kurz nach der
angenommenen Flanke bzw. SBF kurz vor der angenommenen Flanke liegen
jeweils im korrekten Zeitstempel, es muss also keine Korrektur durchgeführt werden.
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In 9 ist
ein Fall gezeigt, wo die interne CPU-Uhr gegenüber der Mem Clock zu langsam läuft. Bei
1, 2 und 3 liegen die Synchronisationen SAF, SBF und SAF noch in
den gültigen,
erwarteten Zeitstempel, die Gangabweichung wird noch nicht erkannt.
Bei 4 jedoch liefert der Auslesevorgang SBF den Zeitstempel der
Mem Clock, der bereits nach der Flanke liegt, erwartet wird jedoch
der Zeitstempel vor der Flanke. Hier wird die Drift erkannt, die
Flanke bei der Mem Clock hat bereits stattgefunden, die interne CPU-Uhr
war also zu langsam. Wird nun die interne CPU-Uhr korrigiert, so
liefert bei 6 ein Auslesen SBF tatsächlich wieder den erwarteten
Wert vor der Flanke. Bei 5 wird ohnehin beim Auslesen SAF der Wert nach
der Flanke geliefert.
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Bei
dem in 10 gezeigten Fall läuft die
interne CPU-Uhr zu schnell gegenüber
der Mem Clock. Während
bei 1 und 2 das Auslesen SAF nach der Flanke und SBF vor der Flanke
den jeweils erwarteten korrekten Wert für den Zeitstempel liefert,
wird bei 3 beim Auslesen SAF der Wert des Zeitstempels nach der
Flanke erwartet, tatsächlich
aber der Wert des Zeitstempels vor der Flanke geliefert. Das bedeutet,
dass die Flanke bei 3 später
liegt als erwartet bzw. dass die interne CPU-Uhr zu schnell gelaufen ist.
Mit Verringerung der Taktrate wird bei 5 dann wieder der korrekte
Wert des Zeitstempels nach der Flanke geliefert, wie für das Auslesen
SAF erwartet. Bei 4 wird ohnehin für das Auslesen SBF vor der Flanke
der korrekte Zeitstempel geliefert.
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Die 11a) und b) zeigen Beispiele des Korrekturfaktors
für eine
zu schnelle Uhr bzw. für
eine zu langsame Uhr.
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In 11a) läuft
die interne Uhr zu schnell, für
das tatsächliche
Zeitintervall tDistanz = 1 Sekunde der Mem Clock benötigt die
interne Uhr auf ihrer Zeitachse ein korrigiertes Intervall tKorrDistanz=1,00000655
s.
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In 11b) läuft
die interne Uhr zu langsam, für
das tatsächliche
Zeitintervall tDistanz = 1 s benötigt
die interne Uhr auf ihrer Zeitachse lediglich ein korrigiertes Zeitintervall
tKorrDistanz = 0,99999345 s.
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Anhand
der Synchronisationsvorgänge
lässt sich
nun ein Korrekturfaktor in der folgenden Weise ermitteln. Zunächst wird
per Polling eine Flanke der Mem Clock, ein fester Zeitraum gewartet
und wieder die Flanke der Mem Clock mittels Polling ermittelt. Dabei
wird die Zeit der internen Uhr für
diesen Zeitraum vermessen. Ebenso wird die Zeit der Mem Clock für diesen
Zeitraum vermessen. Daraus lässt
sich ein erster Konekturfaktor berechnen kF = tintrnDifferenz/tMemClockDifferenz – 1 (1)vergleiche 12.
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Mit
diesem Startkorrekturfaktor kann die Synchronisation beginnen. Wird
während
der Synchronisation eine Fehlabweichung erkannt, muss der Korrekturfak-
tor angepasst werden.
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13 zeigt
die Korrekturfaktorberechnung für
eine zu langsam laufende interne Uhr auf der Zeitachse der Mem Clock.
Die Abstände
tsyncIntervall zwischen den Synchronisationsvorgängen SBF, SAF sind absichtlich
sehr kurz gewählt,
um das Prinzip der Korrekturfaktorberechnung sichtbar zu machen,
normalerweise liegen diese weiter auseinander. Bei 1 wurde für ein Auslesen
SBF der Wert des Zeitstempels kurz nach der Flanke der Mem Clock
gelesen, die interne Uhr war also zu langsam und musste korrigiert
werden. Bei 2 wurde für
ein Auslesen SBF wieder der Zeitstempel kurz nach der Flanke der
Mem Clock gelesen, anstelle des erwarteten Zeitstempels vor der
Flanke, die interne Uhr ist immer noch zu langsam und muss nochmals
korrigiert werden. Zwischen den beiden erkannten Fehlabweichungen
der internen Uhr von der Mem Clock liegen fünf Synchronisationsvorgänge bzw.
ein Zeitintervall von tgesIntervall = 6 · tsyncIntervall. Ferner ist
der bisherige Korrekturfaktor kF bekannt. Der neue Korrekturfaktor lässt sich
berechnen zu kF =
kF – tKorrZeit/tgesIntervall (2)Wobei tKorrZeit = tmaxFlankIntervalll2 (3)mit dem in 7 gezeigten
maximalen Lesefehler tmaxFlankIntenrvall. Der neue Fehler muss abgezogen
werden, weil die interne Uhr zu langsam ist. Diese Formel gilt folglich
nur für
das Auslesen SBF.
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Ist
die interne Uhr zu schnell, was während des Auslesens SAF erkannt
wird, muss der Korrekturfaktor geändert werden, dann gilt kF = kF + tKorrZeit/tgesIntervall (4)
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Die
Korrektur der zu schnellen internen Uhr ist in 14 gezeigt.
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Würde sofort
bei Erkennen eines zu schnellen oder zu langsamen Ganges der internen
Uhr verglichen mit der Mem Clock der Korrekturfaktor geändert werden,
so könnte
dies zu einem "Schaukeln" in der Weise führen, dass
bei jedem Synchronisationsvorgang SAF, bei dem anstelle des nach
der Flanke erwarteten Zeitstempels der vor der Flanke liegende Zeitstempel
ausgelesen wird, gleichbedeutend mit einem zu schnellen Gang der
internen Uhr, diese soweit verlangsamt wird, dass bei dem darauf
folgenden Auslesen SBF anstelle des erwarteten Zeitstempels vor
der Flanke bereits der Wert des der Flanke folgenden Zeitstempels
ausgelesen wird, worauf die interne Uhr wieder beschleunigt wird,
was wieder zu einem zu schnellen Lauf führt und so weiter und so fort.
Ein solcher übertriebener
Synchronisationsablauf ist in 15 gezeigt.
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Damit
dies verhindert wird, erfolgt eine Änderung des Korrekturfaktors
kF erst dann, wenn eine konstante Drift in der Weise erkannt wird,
dass auf ein erstmaliges Erfassen einer Gangabweichung in einer
bestimmten Richtung noch ein zweitmaliges Erfassen einer Gangabweichung
in der gleichen Richtung folgt, wie es in 16 für eine konstante
Drift einer zu langsam laufenden Uhr und in 17 für eine konstante
Drift einer zu schnell laufenden Uhr dargestellt ist.
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18 zeigt
das Prinzip der Verteilung der Buszugriffe mehrerer in dem Multiprozessorsystem enthaltener
Prozessoren CPU 0 bis CPU 15 mit dem Ziel, eine Kollision zu vermeiden.
In der Initialisierungsphase am Anfang des Synchronisierungsvorgangs
holt sich jede CPU einen Zeitstempel der Mem Clock als Referenzwert,
mit dessen Hilfe sich der Startzeitpunkt der Synchronisation berechnen
lässt. Dazu
muss jede CPU eine eindeutige Kennzeichnung besitzen, um für jede CPU
einen unterschiedlichen Startzeitpunkt bereitstellen zu können. Jeder weiter
Synchronisationsvorgang bzw. Zugriff auf die Mem Clock darf dann
nur nach Vielfachen eines vorher definierten Mindestintervalls stattfinden.
Dadurch wird sichergestellt, dass sich die CPUs beim Lesezugriff
auf die Mem Clock nicht gegenseitig blockieren.
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In 19 sind
jeweilige durch einen ausreichenden Sicherheitsabstand getrennte
Zeitbereiche dargestellt, in welchen die einzelnen CPUs hier die CPU
1 und die CPU 2 den Zeitstempel der Mem Clock lesen können, dargestellt
auf der Zeitachse der Mem Clock.
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20;
zeigt nun im Gesamtüberblick
ein Synchronisationsmodell gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem die „interne
Zeit" mehrerer in
einem Multiprozessorsystem enthaltener Prozessoren auf eine von
einer Mem Clock gelieferte „echte
Zeit" synchronisiert
werden. Die einzelnen Prozessoren liefern dann zur Verwendung durch
ihre jeweilige Applikation eine „virtuelle Zeit", die höchstens
um eine vorgegebene Zeittoleranz von der „echten Zeit" abweicht. Hier wird
die Mem Clock rein passiv als Slave eingesetzt.
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In
der Initialisierungsphase müssen
die Bus-Lesezugriffe der verschiedenen CPUs auf die Mem Clock so
verteilt werden, dass sie sich untereinander nicht stören bzw.
so dass Verzögerungen beim
Zugriff auf die Mem Clock ausgeschlossen sind. Dazu wird während der
Initialisierung ein erster gültiger
Mem Clock-Zugriffszeitpunkt und der Startzeitpunkt für den ersten
Synchronisationsvorgang für jede
CPU berechnet, wie bereits vorher erläutert.
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Zur
Synchronisation wird die zweistufige Flankensuche eingesetzt, d.h.
es existieren zwei unterschiedliche Synchronisationsvorgänge, nämlich eine
Synchronisation kurz vor der nächsten
Flanke SBF und eine Synchronisation kurz nach der letzten Flanke
SAF. Diese werden abwechseln mit einem bestimmten Synchronisationsintervall
tsyncIntervall gestartet.
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Schließlich wird
die virtuelle Uhr zeitgesteuert und zyklisch korrigiert, d.h. nach
einem bestimmten Update-Intervall wird die aktuelle Uhrendifferenz zwischen
der internen und der virtuellen Uhr bestimmt. Dieser Vorgang wird
UpdateVirtualClock (UVC) genannt.
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Es
existieren somit zwei „Synchronisations-Algorithmen", nämlich „SyncBeforeFlank" bzw. „SyncAfterFlank" zur Berechnung bzw.
Aktualisierung des Korrekturfaktors aus der „echten Zeit" der Mem Clock und
der internen Zeit des Zeitbasisregisters CPU, und „UpdateVirtualClock" zur Berechnung bzw.
Aktualisierung der Uhrendifferenz der internen und der virtuellen
Uhr aus deren Referenzzeitwerten dem aktuellen Korrekturfaktor kF
und einer aktuellen internen Zeit des Zeitbasisregisters.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die zentrale,
ganggenaue Mem Clock als erste Uhr im Sinne der Erfindung angesehen,
deren Flanken mit Auslesevorgängen
SAF kurz nach der Flanke und SBF kurz vor der Flanke basierend auf
der Zeitbasis der jeweiligen internen CPU-Uhr als zweite Uhr gefunden
wurden wurden. Mit anderen Worten, die Auslesevorgänge SAF
bzw. SBF, die das Ziel haben, die angenommenen Flanken der Mem Clock
zu erhalten, sind „getriggert" durch die Flanken
der jeweiligen internen CPU-Uhr.
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Unter
entsprechender Modifikation des Synchronisationsalgorithmus kann
die zweistufige Flankensuche jedoch auch in der anderen Richtung
erfolgen, nämlich
dass die Auslesevorgänge
SAF bzw. SBF durch die Mem Clock „getriggert" werden, um die angenommenen
Flanken der jeweiligen internen CPU-Uhr zu finden. Dazu wären lediglich
in den 8 bis 17 „Mem Clock" und „interne CPU-Uhr" zu vertauschen und
in den Gleichungen (1) bis (4) entsprechende Änderungen vornehmen.