基于電壓島的多核實時系統中同步任務節(jié)能調度策略研究.pdf

1、目前，為了滿足實時應用在高性能和低能耗等方面日益增長的需求，多核處理器已經被廣泛地應用到現代實時系統中。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，已被多核系統的設計所采用。
　　在多核實時系統中，任務通常需要訪問全局共享的資源（如共享的數據對象和I/O通道等），因此，任務的運行要考慮同步，以及由此產生的同步開銷?，F有的關于多核節(jié)能調度策略的研究往往未考慮

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

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

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

5、。SA-WFD算法考慮了每個任務訪問資源的同步開銷，并將其納入到任務的悲觀預估利用率（pessimistic estimated utilization，PEU）中，然后對任務按PEU的非增順序逐個映射。映射任務時，SA-WFD根據當前動態(tài)的映射狀態(tài)，結合任務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映射到相同的計算核，以減少任務同步的開銷，并提高可調度性。
　　由SA-WFD映射算法得到任務-計算核映射之后，研究各計算核

6、上的任務實時可調度的條件，并提出實時任務集可調度的判定公式。進而，針對可調度的映射方案，研究任務的靜態(tài)頻率設置方法，提出全局統一頻率設置、高低雙頻率設置，以及基于每VFI設置不同的頻率的靜態(tài)頻率設置策略，在確保任務的實時可調度性的前提下，降低系統的能耗。
　　在系統運行期間，任務的實際執(zhí)行時間通常小于其最壞情況運行時間，因而任務運行時將產生動態(tài)空閑時間。為了利用動態(tài)空閑時間節(jié)能，提出一個基于任務同步的實時任務動態(tài)節(jié)能調度框架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，以降低任務運行的速度，并滿足任務的實時性要求以及相同VFI運行于相同頻率的限制。動態(tài)調度SA-DVFS考慮到任務訪問資源的同步開銷，不僅將空閑時間分配給任務的非臨界區(qū)，還在保證任務實時可

8、調度性的前提下，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，基于任務同步的靜態(tài)任務映射算法SA-WFD可以明顯地提高實時任務的可調度性，而基于SA-WFD映射，每VFI設置獨立靜態(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，將現有的一些基于任務同步的針對單處