面向動(dòng)態(tài)異構(gòu)眾核處理器的任務(wù)調(diào)度研究.pdf

1、片上高效能計(jì)算的需求和芯片制造工藝偏差的增大共同驅(qū)動(dòng)著多核處理器進(jìn)入異構(gòu)時(shí)代。性能異構(gòu)多核處理器結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)思想是在芯片上放置不同粒度的處理器核，在使用亂序超標(biāo)量大核開(kāi)發(fā)串行代碼性能的同時(shí)，使用大量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的小核開(kāi)發(fā)線程級(jí)并行性。本質(zhì)上，性能異構(gòu)多核處理器只有當(dāng)芯片上處理器核的配置與任務(wù)負(fù)載的并行特征匹配時(shí)，才能有效提高計(jì)算效率。但是，任務(wù)負(fù)載的并行特征和資源需求是動(dòng)態(tài)變化的，這就要求異構(gòu)處理器結(jié)構(gòu)必須具備根據(jù)負(fù)載特征動(dòng)態(tài)調(diào)整片上計(jì)算

2、資源配置的能力。為此，近年來(lái)學(xué)術(shù)界進(jìn)一步提出了動(dòng)態(tài)異構(gòu)眾核處理器(Dynamic Heterogeneous Chip Multiprocessor，DHCMP)結(jié)構(gòu):它在芯片上放置大量同構(gòu)的基本核，同時(shí)在微結(jié)構(gòu)上支持將若干個(gè)基本核組合成單個(gè)邏輯處理器核(簡(jiǎn)稱邏輯核)，從而允許系統(tǒng)軟件在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地將片上計(jì)算資源(即基本核)按需配置成多個(gè)性能異構(gòu)的邏輯核。
　　 但是，動(dòng)態(tài)異構(gòu)處理器本身只提供邏輯核重配置的能力，是否能夠準(zhǔn)確判斷

3、系統(tǒng)負(fù)載的并行特征和資源需求、并合理地配置DHCMP計(jì)算資源以達(dá)到高效能計(jì)算，任務(wù)調(diào)度程序則扮演著決定性的角色。然而，面向動(dòng)態(tài)異構(gòu)眾核處理器的相關(guān)任務(wù)調(diào)度研究還遠(yuǎn)未展開(kāi)。本文的研究旨在搭建一個(gè)能夠有效支持DHCMP邏輯核快速調(diào)整的任務(wù)調(diào)度框架，同時(shí)研究能夠有效使用DHCMP動(dòng)態(tài)異構(gòu)特性開(kāi)發(fā)高效能計(jì)算的邏輯核資源分配算法、以及能夠在DHCMP上提供基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)公平性的進(jìn)程調(diào)度算法。本文的研究工作和成果主要包括以下四個(gè)方面:
　　

4、 1.研究了面向動(dòng)態(tài)異構(gòu)處理器的硬件/操作系統(tǒng)接口，向操作系統(tǒng)呈現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)潔通用的邏輯核抽象;將動(dòng)態(tài)異構(gòu)處理器的邏輯核重配置操作歸納為六個(gè)功能完備的原語(yǔ)，操作系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用這些原語(yǔ)的組合可以完成對(duì)邏輯核的任何重配置。同時(shí)，研究了在動(dòng)態(tài)異構(gòu)處理器上進(jìn)程調(diào)度觸發(fā)粒度和計(jì)算資源調(diào)整觸發(fā)粒度之間的關(guān)系，進(jìn)而得出使用進(jìn)程調(diào)度時(shí)鐘即可滿足程序階段行為采樣和片上計(jì)算資源調(diào)整的頻率需求。
　　 2.設(shè)計(jì)了面向動(dòng)態(tài)異構(gòu)處理器的任務(wù)調(diào)度框架，該調(diào)度框

5、架基于集中式任務(wù)隊(duì)列，能夠高效支持邏輯核數(shù)目和粒度的快速調(diào)整。當(dāng)發(fā)生邏輯核的釋放/創(chuàng)建時(shí)，任務(wù)調(diào)度程序只需要進(jìn)行出隊(duì)/入隊(duì)操作即可完成相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的更新。同時(shí)，提出了類(lèi)流水線調(diào)度機(jī)制以優(yōu)化調(diào)度程序在集中式隊(duì)列上較大的決策時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，從而使得基于集中式隊(duì)列的調(diào)度框架具備了可用性。
　　 3.研究了程序階段行為和能夠反映程序計(jì)算訪存特征的常用微結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，提出了一個(gè)基于IPC的程序階段動(dòng)態(tài)識(shí)別算法。進(jìn)而，設(shè)計(jì)了邏輯核資源分配算

6、法PERA:該算法能夠動(dòng)態(tài)檢測(cè)程序所處的執(zhí)行階段，并根據(jù)程序的執(zhí)行效率準(zhǔn)確地判斷出該階段內(nèi)程序?qū)τ?jì)算資源的需求。通過(guò)將PERA算法設(shè)計(jì)為一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)、每次算法觸發(fā)運(yùn)行時(shí)只進(jìn)行一次狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而使得算法具備O(1)的時(shí)間復(fù)雜度。
　　 4.設(shè)計(jì)了面向動(dòng)態(tài)異構(gòu)處理器的公平性調(diào)度算法EDP，該算法不僅可以保證每個(gè)進(jìn)程獲得和其優(yōu)先級(jí)成比例的性能，而且能夠保證多進(jìn)程的并行執(zhí)行對(duì)相同優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的性能影響相同。同時(shí)，得益于對(duì)邏輯核動(dòng)態(tài)異構(gòu)特

7、性的有效使用，在EDP調(diào)度下動(dòng)態(tài)異構(gòu)處理器執(zhí)行負(fù)載的性能也得到了提高。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在片上計(jì)算資源總數(shù)相等的情況下，使用EDP調(diào)度的DHCMP在任務(wù)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間上比對(duì)稱多核處理器和靜態(tài)異構(gòu)多核處理器分別勝出26.2％和11.8％;在系統(tǒng)吞吐率上分別勝出33.6％和12.5％.
　　 本文設(shè)計(jì)的任務(wù)調(diào)度框架能夠?yàn)楹罄m(xù)面向動(dòng)態(tài)異構(gòu)眾核處理器的調(diào)度算法研究提供一個(gè)通用的支撐平臺(tái)。本文提出的邏輯核資源分配算法PERA、公平性調(diào)度算