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                                         關鍵詞:機器人；乒乓效應；Cache中數(shù)據(jù)一致；互斥鎖機制

    唐俊奇（1967—）
男，工學學士，湄洲灣職業(yè)技術學院副教授、高級工程師，研究方向為計算機系統(tǒng)結構、計算機網(wǎng)絡。

    由于人工智能、計算機科學、傳感器技術及其它相關學科的長足進步，使得機器人的研究在高水平上進行，同時也為機器人控制器的性能提出更高的要求。由于機器人控制算法的復雜性以及機器人控制性能的亟待提高，許多學者從建模、算法等多方面進行了減少計算量的努力，但仍難以在串行結構控制器上滿足實時計算的要求。因此，必須從控制器本身 尋求解決辦法。其中最有效的方法就是采用多處理器作并行計算，提高 控制器的計算能力。如：有腿的步行機器人，其控制器采用多CPU(多處理機)結構(多處理機結構)控制方式[1]即：上、下位機二級分布式結構，上位機負責整個系統(tǒng)管理以及運動學計算、軌跡 規(guī)劃等。下位機由多個CPU(處理機)組成，每個CPU控制一個關節(jié)運動，這些CPU和主控機聯(lián)系是通過總線形式的緊耦合。這種結構的控制器工作速度和控制性能明顯提高。在該控制器中多處理機系統(tǒng)的性能則成為機器人運動的瓶頸。

    在下位機的多處理機系統(tǒng)中，每個處理機中都引入一獨立的Cache，由于Cache的引入縮短了訪存時間，減少互連網(wǎng)絡、存儲器的帶寬壓力和沖突，可以有效地克服了因多處理機系統(tǒng)性能所導致的瓶頸問題，但同時也產(chǎn)生了Cache中共享數(shù)據(jù)的一致性問題。為此本文著重闡述解決Cache中共享數(shù)據(jù)的一致性問題的方法。
　　
1 由CACHE數(shù)據(jù)導致機器人控制器性能降低的原因分析[2-6]

    有腿的步行機器人，其控制器采用多個CPU結構(多處理機結構)控制方式，在下位機的多個CPU(處理機)中，每個處理機控制一個關節(jié)運動。為了使高速緩存起到更大的作用，我們對現(xiàn)有協(xié)議中的并行算法要做一定的改動。比如，在數(shù)據(jù)項被訪問前就將一組數(shù)據(jù)項預先放入高速緩存的算法可以產(chǎn)生更高的性能。高速緩存的關鍵特性是以連續(xù)單元的塊的形式組成的。當處理器首次引用某個塊的一個或幾個字節(jié)后，這個塊的所有數(shù)據(jù)就會被傳送到高速緩存中。因此，如果引用這個塊中的其他數(shù)據(jù)時，該主存已在高速緩存中而不必從主存中調(diào)用它。如果高速緩存所使用的塊的大小和編譯器存儲數(shù)據(jù)的方法已知的話，并行算法就可以利用高速緩存的這一特性。當然，這種方法將大大地依賴于執(zhí)行這個程序所使用的實際系統(tǒng)的情況。

圖 2  在互斥鎖機制中同時使用sum和global_index共享存儲單元

    在本代碼中，使用了互斥鎖機制，而沒有使用條件變量。使用該方法的程序如下：
　　
    # include < stdio.h>
　　# include < pthread.h>
　　# include arrau_size 1000
　　# include no_threads 10    /* shared data */
　int a[array_size];  /* array of numbers to sum */
　int global_index =0;  /* global index */
　int sum =0;  /* final result,also used by slaves */
　pthread_mutex_t mutex1;
　void * slave(void * ignored){ /* slave threads */
　　int local_index,partial_sum =0;
do ｛   /* get next index into the array */
　　　　　pthread_mutex_lock(&mutex1);
　　　　　/* read current index & save locally */
　　　　　local_index = clobal_index;
　　　　　global_index ++;        
　　　　　/* increment clobal index */
　　　　pthread_mutex_unlock(& mutexl);
　　　　if (local_index<array_size)
　　　　　partial_sum += * (a+local_index);
　　｝while(local_index<array_size);
　　pthread_mutex_lock(&mutexl); 
　　/* add partial sum global sum */
　　　　sum += partial_sum;
　　pthread_mutex_unlock (& mutexl);
　　return( ); }      /* Thread exits */
　　main ( ) ｛
　　　int i;
pthread_t thread[no_threads];    /* threads */
　　　pthread_mutex_init(& mutexl,NULL);   
　　　 /* initialize mutex */
for ( i=0; i<array_size; i++) / * initialize []  */
　　　　a[i]=i+1;
　　　for (i=0;i<no_threads; i++)       
　　　/* initialize a[] */
 if(pthread_create(&thread [i],NULL,slave ,NULL) !=0)
  perror(“pthread_create fails”);
　for (i=0;i<no_threads; i++)  /* join threads */
  if (pthread__join(thread [i],NULL !=0)
　perror(“pthread_join fails”);
　printf(“The sum of 1 to *i is &d\n”,array_size,sum);｝        /* end of main */
　　　SAMPLE OUTPUT
　　The sum of 1 to 1000 is  500500

    2.3 用Java監(jiān)控程序的方法避免假共享產(chǎn)生[4]

    在Java中有監(jiān)控程序的概念。Java中的關鍵詞Synchronized可以使方法中的一段代碼成為線程安全的，它可防止多個線程間的沖突。

    仍以對數(shù)組a[1000]求和為例，在編程時采用動態(tài)平衡的方法來負責任務的分配，下面是利用JAVA監(jiān)控程序以避免共享存儲器sum的乒乓效應用于Java的監(jiān)控程序方法(利用該Java監(jiān)控程序實現(xiàn)：一個線程承擔所有的工作)。

　　　public class Adder  ｛
　　　public int[] array;
　　　　private int sum =0;
　　　　private int index =0;
　　　　private int number_of_threads =10;
　　　　private int threads_quit;
　　　　
　　　　public Adder( ) ｛
　　　　　threads_quit =0;
array =new  int [1000];
initializeArray ( );
startThreads ( ); ｝
public synchronized  int  getNextIndex ()｛
if (index<1000)  return(index++);
else
 return(-1); ｝
public synchronized void addpartialsum(int partial_sum) ｛
sum=sum + partial_sum;
if(++ threads_quit = = number_of_threads)
System.out.println(“The sum of numbers is ”+sum);  ｝
private void initializeArray () ｛
int i;
for(i=0; i<1000, i++) array (i) =i; ｝
public void startThreads ( )  ｛
int i=0;
for (i=0;i<10;i++)  ｛
AdderThread  at = new AdderThread(this,i); ｝｝
public static void main (String arge[ ]) ｛
Adder a= new  Adder ( ); ｝｝
class AdderThead  extends  Thread
          ｛
　　　　　　int partial_sum =0;
　　　　　　Adder  parent;
　　　　　　Int  number;
public AdderThread(Adder parent,  int  number)
｛ this.parent=parmet;
　this.number=number; ｝
public void  run ( ) ｝
int index=0;
while (index !=-1)｛
partial_sum=partial_sum + parent.array[index];
index=parent.getNextIndex( ); ｝
system.out.println(“partial sum from thread”+ number +”is”
+ partial_sum);
parent.addpartialSum(partial_sum);}}
　　　
3 結束語

    仿真實驗表明：有腿的步行機器人，在其下位機的多處理機系統(tǒng)中，由于采用了編譯時設置用基于訪存時標、互斥鎖機制、Java監(jiān)控程序這些方法使Cache中數(shù)據(jù)保持一致，充分發(fā)揮了Cache的優(yōu)點縮短了訪存時間，減少互連網(wǎng)絡、存儲器的帶寬壓力和沖突，有效地克服了因多處理機系統(tǒng)性能所導致的瓶頸問題，從而提高了機器人多處理器計算機系統(tǒng)的性能。
　　
參考文獻：

    [1]普杰信，嚴學高.機器人分布式計算機控制系統(tǒng)結構的性能分析[J].機器人,1994,16(3)144-149.

    [2]唐俊奇.多處理機系統(tǒng)Cache共享數(shù)據(jù)乒乓效應的研究[J].莆田學院學報，2006，13（2）51-54.

    [3]孫強南，孫昱東等編著.計算機系統(tǒng)結構[M].北京：科學出版社，2000.

    [4]殷兆麟.Java語言程序設計[M].北京：高等教育出版社，2002.

    [5]TMASEVIC M., AND V.MILUTINOVIC(1993),The Cache CoherenceProblem in Shard-Memory Multiprocessor:Hardware Solutions, IEEE CS Press,Los Alamitos,California.

    [6]薛燕,樊曉椏,李瑛. 多處理機系統(tǒng)中數(shù)據(jù)Cache的一種優(yōu)化設計[J].微電子學與計算機，2004，21（12），191-194.