基于電壓島的多核實時系統(tǒng)中同步任務(wù)節(jié)能調(diào)度策略研究.pdf

1、目前，為了滿足實時應(yīng)用在高性能和低能耗等方面日益增長的需求，多核處理器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到現(xiàn)代實時系統(tǒng)中。近來，電壓/頻率島（voltage and frequency island, VFI）模式作為一種有效的能耗管理技術(shù)，已被多核系統(tǒng)的設(shè)計所采用。
　　在多核實時系統(tǒng)中，任務(wù)通常需要訪問全局共享的資源（如共享的數(shù)據(jù)對象和I/O通道等），因此，任務(wù)的運行要考慮同步，以及由此產(chǎn)生的同步開銷。現(xiàn)有的關(guān)于多核節(jié)能調(diào)度策略的研究往往未考慮

2、任務(wù)的同步因素，若將這些策略直接應(yīng)用于基于同步的應(yīng)用系統(tǒng)中，可導(dǎo)致任務(wù)的運行錯過其截止時間。針對基于VFI且支持動態(tài)電壓/頻率調(diào)節(jié)（dynamic voltage and frequency scaling,DVFS）功能的多核系統(tǒng)，對于給定的周期性實時任務(wù)集，在任務(wù)競爭訪問共享資源的限制下，研究基于同步的實時任務(wù)靜態(tài)與動態(tài)節(jié)能調(diào)度算法，具有理論意義與實用價值。
　　現(xiàn)有的面向多處理器系統(tǒng)的針對資源共享訪問的協(xié)議MSRP（mult

3、iprocessor stack resource policy）規(guī)定，在任務(wù)請求訪問共享資源時，如果當前有其它任務(wù)正在訪問此資源，則讓申請資源的任務(wù)處于忙等（spin lock或busy wait）狀態(tài)，直到資源被釋放并允許此任務(wù)訪問。在任務(wù)同步代價較大的情況下，這種基于spin lock的資源訪問規(guī)則將導(dǎo)致任務(wù)較長的資源等待時間，并使處理器經(jīng)常處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，降低了其效率。因此，對 MSRP進行擴展與修改，規(guī)定在任務(wù)請求訪問資源失敗時

4、，允許調(diào)度器在保證滿足任務(wù)的截止時間要求的前提下，先將當前任務(wù)掛起，并讓計算核運行任務(wù)隊列中的其它就緒任務(wù)，以提高處理器的運行效率。
　　基于擴展后的MSRP資源訪問協(xié)議，提出考慮資源同步的啟發(fā)式實時任務(wù)映射算法SA-WFD（Synchronization Aware Worst-Fit Decreasing），以減少任務(wù)在EDF（earliest deadline first）調(diào)度下的系統(tǒng)能耗為目標，將實時任務(wù)分配到各個計算核上

5、。SA-WFD算法考慮了每個任務(wù)訪問資源的同步開銷，并將其納入到任務(wù)的悲觀預(yù)估利用率（pessimistic estimated utilization，PEU）中，然后對任務(wù)按PEU的非增順序逐個映射。映射任務(wù)時，SA-WFD根據(jù)當前動態(tài)的映射狀態(tài)，結(jié)合任務(wù)之間訪問資源的相似度，優(yōu)先考慮將訪問相似資源的任務(wù)映射到相同的計算核，以減少任務(wù)同步的開銷，并提高可調(diào)度性。
　　由SA-WFD映射算法得到任務(wù)-計算核映射之后，研究各計算核

6、上的任務(wù)實時可調(diào)度的條件，并提出實時任務(wù)集可調(diào)度的判定公式。進而，針對可調(diào)度的映射方案，研究任務(wù)的靜態(tài)頻率設(shè)置方法，提出全局統(tǒng)一頻率設(shè)置、高低雙頻率設(shè)置，以及基于每VFI設(shè)置不同的頻率的靜態(tài)頻率設(shè)置策略，在確保任務(wù)的實時可調(diào)度性的前提下，降低系統(tǒng)的能耗。
　　在系統(tǒng)運行期間，任務(wù)的實際執(zhí)行時間通常小于其最壞情況運行時間，因而任務(wù)運行時將產(chǎn)生動態(tài)空閑時間。為了利用動態(tài)空閑時間節(jié)能，提出一個基于任務(wù)同步的實時任務(wù)動態(tài)節(jié)能調(diào)度框架SA-

7、DVFS（Synchronization Aware DVFS）。SA-DVFS采用基于wrapper-job的模式來管理空閑時間，包括空閑時間的回收、保留、釋放以及空閑的盜取等策略。在系統(tǒng)的運行過程中，SA-DVFS動態(tài)地對空閑時間進行管理、回收利用，以降低任務(wù)運行的速度，并滿足任務(wù)的實時性要求以及相同VFI運行于相同頻率的限制。動態(tài)調(diào)度SA-DVFS考慮到任務(wù)訪問資源的同步開銷，不僅將空閑時間分配給任務(wù)的非臨界區(qū)，還在保證任務(wù)實時可

8、調(diào)度性的前提下，綜合考慮其全局資源等待時間與局部阻塞時間，為臨界區(qū)內(nèi)的運行分配空閑時間，以獲取更好的節(jié)能效果。
　　仿真實驗表明，基于任務(wù)同步的靜態(tài)任務(wù)映射算法SA-WFD可以明顯地提高實時任務(wù)的可調(diào)度性，而基于SA-WFD映射，每VFI設(shè)置獨立靜態(tài)頻率的策略在節(jié)能性能方面接近于最優(yōu)的INLP（Integer Non-Linear Programming）映射方案。進而，在對動態(tài)算法的評估實驗中，將現(xiàn)有的一些基于任務(wù)同步的針對單處