網(wǎng)格中比較CPU計(jì)算能力的一種方法

引 言

在網(wǎng)格計(jì)算中，常常需要使用多臺計(jì)算機(jī)協(xié)同工作完成一臺超級計(jì)算機(jī)才能完成的計(jì)算任務(wù)，為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，首先應(yīng)通過網(wǎng)格信息服務(wù)獲得網(wǎng)格中各臺主機(jī)CPU計(jì)算能力的指標(biāo)，然后進(jìn)行判斷選擇，決定由哪些主機(jī)參與計(jì)算。

當(dāng)前，已有的網(wǎng)格信息服務(wù)模塊、網(wǎng)格監(jiān)控模塊，如MDS2將系統(tǒng)平均負(fù)載作為反映CPU狀態(tài)的動態(tài)指標(biāo)提供給用戶；另外，通過系統(tǒng)命令或系統(tǒng)調(diào)用也可以獲得 CPU使用率這個(gè)動態(tài)指標(biāo)。系統(tǒng)平均負(fù)載是在特定時(shí)間間隔內(nèi)運(yùn)行隊(duì)列中的平均進(jìn)程數(shù)，CPU使用率表示CPU使用程度的指標(biāo)，能夠反映出CPU的工作狀態(tài)，但由于網(wǎng)格中CPU型號性能的差異，因此，無法用它們直接比較網(wǎng)格中CPU的計(jì)算能力。

為直接比較網(wǎng)格中主機(jī) CPU的計(jì)算能力，獲得具有可比性的反映CPU計(jì)算能力的指標(biāo)，我們采用計(jì)算量動態(tài)選擇算法，在各臺主機(jī)上周期性地瞬間執(zhí)行計(jì)算量適中的Whestone 基準(zhǔn)計(jì)算，通過PAPI接口編程對CPU所完成的浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算進(jìn)行精確計(jì)數(shù)，用得到的每秒百萬浮點(diǎn)數(shù)MFLOPS作為比較主機(jī)CPU計(jì)算能力的指標(biāo)，定義為 WMFLOPS。得到WMFLOPS后，通過Globus提供的監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)服務(wù)（Monitoring and Discovery Service，MDS），將該指標(biāo)作為資源信息進(jìn)行發(fā)布，作為比較網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)CPU計(jì)算能力的依據(jù)，為用戶選擇計(jì)算節(jié)點(diǎn)提供參考。我們編寫了程序 WfpSensor用于上述方法的實(shí)現(xiàn)。WfpSensor作為傳感器工作于網(wǎng)格中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，周期性地對CPU進(jìn)行計(jì)算測試，獲得WMFLOPS的返回值，同時(shí)，WfpSensor也是MDS服務(wù)中的本地信息提供者，定時(shí)將最新的WMFLOPS值傳遞給MDS系統(tǒng)，供用戶查閱。

計(jì)算測試子程序

CPU 的計(jì)算能力主要體現(xiàn)在浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算能力、定點(diǎn)數(shù)計(jì)算能力和矩陣計(jì)算能力等方面，其中某一類程序在CPU上運(yùn)行的效果并不能全面地反映CPU的計(jì)算能力，所以許多國際基準(zhǔn)組織開發(fā)了測試CPU計(jì)算能力的基準(zhǔn)測試程序，在這類程序中進(jìn)行的操作和運(yùn)算可以相對全面客觀地考察CPU的計(jì)算能力。本文方法采用綜合型基準(zhǔn)測試程序Whestone作為WfpSensor的計(jì)算測試子程序，Whestone程序中主要包括浮點(diǎn)運(yùn)算、整數(shù)運(yùn)算、涉及到數(shù)組下標(biāo)索引、子程序調(diào)用、參數(shù)傳遞、條件轉(zhuǎn)移和三角/超越函數(shù)等，可以綜合考察CPU提供的計(jì)算能力。

返回指標(biāo)WM FLOPS

WfpSensor 進(jìn)程對CPU進(jìn)行計(jì)算測試后，取出CPU在測試過程中的指標(biāo)來反映CPU的計(jì)算能力。絕大多數(shù)網(wǎng)格計(jì)算都是科學(xué)計(jì)算，而浮點(diǎn)計(jì)算是科學(xué)計(jì)算程序中最主要的計(jì)算，所以選用每秒百萬浮點(diǎn)數(shù)MFLOPS作為反映CPU計(jì)算能力的指標(biāo)。MFLOPS反映了CPU的浮點(diǎn)計(jì)算能力，并且MFLOPS是基于操作而非指令的，可以用它來比較兩種不同CPU的計(jì)算能力。由于是調(diào)用Whestone程序進(jìn)行測試所得的結(jié)果，因此定義該指標(biāo)為WMFLOPS。

指標(biāo)精確計(jì)數(shù)

指標(biāo)確定后，如何在WfpSensor中精確得到Whestone計(jì)算結(jié)束后的WMFLOPS值成為問題的關(guān)鍵。由美國田納西大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院創(chuàng)新計(jì)算實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用編程接口PAPI（ portable application programming interface）能夠滿足上述要求。該軟件通過CPU上的硬件計(jì)數(shù)器，對CPU運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的某些事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，并建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用編程接口方便用戶讀出計(jì)數(shù)器的值，通過這些值就可以了解當(dāng)前CPU的工作狀態(tài)。由于CPU生產(chǎn)廠商及型號的不同，CPU硬件計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)的硬件事件會有所不同，為標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)的名稱，使同一工具可以計(jì)數(shù)相似的可比較事件，促進(jìn)跨平臺調(diào)試程序的能力，PAPI開發(fā)者選擇了一套和調(diào)試應(yīng)用程序相關(guān)的硬件事件稱為預(yù)定義事件，作為反映CPU當(dāng)前工作狀態(tài)的指標(biāo)。這些指標(biāo)是跨平臺的通用事件，包括了大部分主流RISC類事件，并且盡可能把這些預(yù)定義事件映射到給定CPU的硬件計(jì)數(shù)器事件中。在本文方法中，使用了PAPI_FP_INS這個(gè)PAPI預(yù)定義事件，它表示進(jìn)程執(zhí)行過程中完成的浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算。PAPI提供了精確的計(jì)時(shí)器，精確到微秒，能夠準(zhǔn)確地對進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，如果經(jīng)計(jì)數(shù)，PAPI_FP_INS事件總數(shù)為n，計(jì)算執(zhí)行時(shí)間為t（單位：μs） ，那么WMFLOPS=n/t。

計(jì)算量動態(tài)選擇

采用計(jì)算測試CPU的計(jì)算能力，必須保證以下兩點(diǎn)：

（1） 測試進(jìn)程應(yīng)盡可能不影響CPU的正常工作，當(dāng)然由于測試進(jìn)程的引入必將影響到CPU正常運(yùn)行，應(yīng)設(shè)法讓這種影響降到一個(gè)可以接受的程度，并且使計(jì)算給系統(tǒng)帶來的開銷盡可能小。

（2） 測試進(jìn)程要有一定的計(jì)算量，如果計(jì)算量過小，會使初始化、函數(shù)調(diào)用等操作消耗的時(shí)間在進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間t中占有較大的比重，從而使WMFLOPS的值比真實(shí)值小，影響測試結(jié)果的精確性。

為同時(shí)保證（1）需要較小的計(jì)算量和（2）需要較大的計(jì)算量，選擇合適的測試計(jì)算量十分重要，為此，提出采用計(jì)算量動態(tài)選擇的算法確定計(jì)算量。

計(jì)算量的大小控制可以通過改變WfpSensor中調(diào)用Whestone程序的次數(shù)（NUM_LOOPS）實(shí)現(xiàn)。假定使計(jì)算執(zhí)行時(shí)間t（單位：s）在 0.5～1.5的計(jì)算量是合理值，計(jì)算量調(diào)節(jié)系數(shù)為xs。WfpSensor啟動時(shí)，NUM_LOOPS賦初值。調(diào)用Whestone計(jì)算結(jié)束后，如果：

（1） 0.5≤t≤1.5，在合理區(qū)間內(nèi)，NUM_LOOPS的值保持不變。

（2） t>1.5，計(jì)算量偏大，下次測試應(yīng)減小Whestone的調(diào)用次數(shù)，則NUM_LOOPS=NUM_LOOPS/xs。xs為t四舍五入后的整數(shù)值。

（3） t0.5，計(jì)算量偏小，下次測試應(yīng)增加Whestone的調(diào)用次數(shù)，則NUM_LOOPS=NUM_LOOPS3xs。xs為（1/t）四舍五入后的整數(shù)值。

具體算法如下：

start_usec=PAPI_get_real_usec（）；//通過PAPI函數(shù)獲得計(jì)算開始時(shí)的時(shí)刻

do_wst（NUM_LOOPS）；//Whestone寫成函數(shù)，對它進(jìn)行調(diào)用，NUM_LOOPS是調(diào)用次數(shù)

end_usec=PAPI_get_real_usec（）；//通過PAPI函數(shù)獲得計(jì)算結(jié)束時(shí)的時(shí)刻

t=（end_usec-start_usec）；//獲得計(jì)算執(zhí)行的時(shí)間

if（t>1.5）//根據(jù)本次計(jì)算執(zhí)行時(shí)間決定下次測試的調(diào)用次數(shù)

{

if（（t-floor（t））>0.5）//取最靠近t的整數(shù)

xs=floor（t）+1；

else

xs=floor（t）

NUM_LOOPS=NUM_LOOPS/xs；//修改調(diào)用次數(shù)

}

else

if（t0.5）

{

if（（1/t-floor（1/t））>0.5）//取最靠近1/t的整數(shù)

xs=floor（1/t）+1；

else

xs=floor（1/t）；

NUM_LOOPS =NUM_LOOPS3xs；//修改調(diào)用次數(shù)

}