軟件引起的硬件過時：重大修復(fù)

軍事應(yīng)用中的嵌入式系統(tǒng)由于其較長的使用壽命和使用過程中經(jīng)歷的要求變化，特別容易出現(xiàn)軟件老化，這可能導(dǎo)致性能下降。反過來，這可能會導(dǎo)致昂貴的計(jì)劃外硬件升級。避免這些升級的一種方法是對過時的軟件應(yīng)用優(yōu)化。

與其他關(guān)鍵的實(shí)時嵌入式系統(tǒng)不同，軍用航空電子系統(tǒng)的使用壽命長達(dá)數(shù)十年，在此期間，它們會定期更新。這些定期更新產(chǎn)生于計(jì)劃中的變革，也產(chǎn)生于為滿足不斷變化的軍事需求而對業(yè)務(wù)要求的改變。

變化（在初始設(shè)計(jì)中無法預(yù)測）與多年來發(fā)生的升級相結(jié)合，不可避免地導(dǎo)致軟件對底層計(jì)算平臺的需求增加。這種需求的增加可能導(dǎo)致性能下降和由于時序超支而導(dǎo)致的間歇性故障。避免這種情況的一種方法是頻繁、昂貴的硬件升級。

另一種方法依賴于自動檢測舊軟件中的“時序優(yōu)化機(jī)會”。這種時序優(yōu)化方法也可以在舊版軟件環(huán)境中工作。

軟件老化：神話還是事實(shí)？

最初，軟件老化似乎是一種矛盾：一旦編寫了代碼，它就不會物理降級 - 不像硬件，硬件受隨機(jī)物理過程的影響，導(dǎo)致組件的性能隨著時間的推移而下降。

當(dāng)然，前者是基于軟件不會改變的假設(shè)。在長期存在的軍事系統(tǒng)中，這可能是一個不真實(shí)的假設(shè)：作戰(zhàn)需求將發(fā)生變化，而這些變化將不可避免地導(dǎo)致軟件老化。

軟件老化影響冗長的項(xiàng)目主要有四個原因：

在很長的項(xiàng)目過程中，建筑設(shè)計(jì)決策背后的基本原理將消失在時間的迷霧中。

隨著越來越多的決策與原始架構(gòu)不一致，軟件的原始“形狀”就會丟失。

軟件開發(fā)中不斷變化的時尚將把架構(gòu)拉向不同的方向。

即使使用最好的架構(gòu)，也不可能提前預(yù)測可能需要的所有可能的更改。

這種軟件老化的凈效應(yīng)是軟件性能會隨著時間的推移而下降。

軟件引起的硬件過時

在過去的四十年中，一個默認(rèn)的假設(shè)是電子/計(jì)算性能不可避免地會隨著時間的推移而提高。這種“現(xiàn)實(shí)”導(dǎo)致定期硬件升級被內(nèi)置到軍事系統(tǒng)等長期運(yùn)行的程序中，目的是利用性能改進(jìn)。

與這些周期性的性能改進(jìn)相抵觸的是軟件老化問題：功能要求增加，功能增益很少。當(dāng)軟件老化導(dǎo)致除了計(jì)劃的升級之外還需要額外的硬件升級時，就會發(fā)生軟件引起的硬件過時。

推回時間的蹂躪

計(jì)劃外升級的替代方法是提高軟件性能，這是通過仔細(xì)優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)時系統(tǒng)的情況下，這通常側(cè)重于最壞情況下的性能，或軟件執(zhí)行給定功能所需的最長時間。

在理想情況下，優(yōu)化可以通過采用現(xiàn)有架構(gòu)并根據(jù)新需求將其重構(gòu)為更高效的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。鑒于軟件老化導(dǎo)致軟件架構(gòu)不可避免的退化，這需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行廣泛的重新開發(fā)不太可能是一個可接受的選擇。相反，優(yōu)化必須是一種更“機(jī)會主義”的活動——在沒有對底層架構(gòu)有深刻理解的情況下識別改進(jìn)并應(yīng)用它們。

優(yōu)化遵循三個主要步驟：

確定貢獻(xiàn)（確定代碼庫中的哪個位置可以集中優(yōu)化工作）。

優(yōu)化（確定現(xiàn)有代碼的替代方案）。

沖洗并重復(fù)（測量改進(jìn)，如果有的話，并繼續(xù)直到工作完成）。

確定貢獻(xiàn)

在決定將優(yōu)化工作重點(diǎn)放在何處時，最重要的一個因素是了解每個軟件組件對整體系統(tǒng)性能的貢獻(xiàn)。

這里的“貢獻(xiàn)”用于表示執(zhí)行特定代碼段所花費(fèi)的時間百分比。它來自兩個值：代碼段的最長執(zhí)行時間和執(zhí)行次數(shù)。

查找特定模塊的貢獻(xiàn)依賴于首先通過代碼找到最壞情況的路徑，然后查看每個代碼子程序在該路徑上花費(fèi)的時間。（請參閱圖 1。

圖1：按子計(jì)劃劃分的最壞情況執(zhí)行時間（WCET）的貢獻(xiàn)。

如圖所示，有些代碼對最壞情況的路徑?jīng)]有貢獻(xiàn)，而有些代碼的貢獻(xiàn)很小;第三，還有一些代碼做出了重大貢獻(xiàn)。正是最后一個類別提供了優(yōu)化的最佳候選者。

不建議嘗試通過手動檢查代碼來確定優(yōu)化的候選對象，因?yàn)檫@會耗費(fèi)大量精力，并可能導(dǎo)致浪費(fèi)優(yōu)化工作;例如，通過嘗試優(yōu)化屬于“無貢獻(xiàn)”類別的代碼。最好的方法是通過測量代碼的執(zhí)行時間來識別優(yōu)化候選者。

優(yōu)化，確定替代方案

一旦確定了優(yōu)化候選對象，下一步就是優(yōu)化它們。這項(xiàng)活動是整個過程的核心，依賴于工程團(tuán)隊(duì)的技能和經(jīng)驗(yàn)。

優(yōu)化的一個重要來源是在最壞情況下多次執(zhí)行的模塊。每個可以刪除此類代碼的循環(huán)都受益于對整個路徑的乘數(shù)效應(yīng)。

沖洗并重復(fù)

進(jìn)行優(yōu)化后，有必要再次測量執(zhí)行時間。此步驟將確定系統(tǒng)現(xiàn)在是否滿足其性能目標(biāo)。

如果在此階段仍需要進(jìn)一步改進(jìn)，則重復(fù)識別優(yōu)化候選者的練習(xí)可能會出現(xiàn)新的位置來集中優(yōu)化工作。

上述三個步驟中的兩個需要測量代碼的最壞情況執(zhí)行時間。

通常，測量執(zhí)行時間涉及：

將測量點(diǎn)（也稱為檢測）添加到源代碼。

收集測量值。

分析測量值。

對于大型系統(tǒng)，這很快就會成為一項(xiàng)耗時的活動。通過內(nèi)部開發(fā)的工具支持或通過RapiTime等商業(yè)工具，可以大大減少上述三項(xiàng)活動所需的工作量。

將此類工具支持集成到構(gòu)建-測試過程中意味著可以在每個構(gòu)建-測試周期中自動進(jìn)行時序測量。這使設(shè)計(jì)人員能夠查看優(yōu)化活動在每一步中的進(jìn)展情況，而不是等待優(yōu)化活動結(jié)束。

遺留系統(tǒng)呢？

許多需要優(yōu)化的系統(tǒng)將屬于“遺留系統(tǒng)”類別：其年齡意味著在軟件工具和連接到它們的硬件方面對計(jì)算平臺的支持有限。

處理此類系統(tǒng)的一個關(guān)鍵方面是時序分析方法的靈活性。例如，可能無法使用新式調(diào)試接口或其他特定硬件接口。因此，進(jìn)行定時測量的方法必須能夠適應(yīng)可用的設(shè)施。同時，必須盡可能減少任何檢測代碼的影響，以避免在測量活動期間耗盡資源（例如，內(nèi)存或 CPU 容量）。

軍用航空電子系統(tǒng)軟件不可避免地會“老化”，這可能導(dǎo)致昂貴的計(jì)劃外硬件升級。另一種方法是優(yōu)化老化的軟件，這只能通過測量、優(yōu)化和審查程序來實(shí)際執(zhí)行。

自動測量軟件性能可最大程度地減少所涉及的工作量，并且還允許測量以展示軟件性能的增量改進(jìn)。

審核編輯：郭婷