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国际电气、电子与仪器工程高级研究杂志

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基于快速入场控制的异构多核系统最优任务调度

S.Rajeswari1, R.Sajitha2
  1. 印度泰米尔纳德邦Thirunelveli, PSN工程技术学院ECE系助理教授
  2. PSN工程与技术学院，印度泰米尔纳德邦Thirunelveli, ECE系，研究生[EST]
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摘要

异构多核片上系统的在线任务调度是一个复杂的问题，由于优先级的限制和任务在协同处理器核心中的非抢占性执行。为了在日益增加的复杂性中实现高性能，采用了多核单片系统。本研究首先提出了一个在线异构双核调度框架，用于具有实时约束的动态工作负载。通用处理器内核和协同处理器内核分别使用具有不同分配属性的调度器，并处理两个调度器之间的交互过程中不同任务之间的优先级约束。该框架可配置为低优先级反转和高系统利用率。这个框架还可以扩展到具有众所周知的调度程序模式的异构多核系统。本文介绍了所提出的方法的实用性，并进行了一系列广泛的模拟，以获得使用不同工作负载和调度算法的比较研究。

关键字
实时系统，任务调度，异构多核系统。

介绍
在现代实时系统中，使用嵌入式系统的应用变得越来越复杂。为了保持对复杂性水平的评估，业界广泛使用了基于异构多核单片系统的调度算法，该算法由一个通用处理器核心和一个或多个协同处理器核心(协处理器)[1]构建而成。时序约束用于改进性能评估和高效供电。因此，在线调度算法的一个重要系统规范必须是快速和可预测的。然而，由于任务的优先级限制和协处理器中没有任务的抢先执行，使得调度问题变得复杂。
为了克服异构多核系统中的任务调度问题，现有系统中许多实例都采用了同步协议机制。通过管理协处理器而不将抢占任务作为一种资源，会产生较差的系统利用率[2]。
当处理器处于空闲状态时，管理优先级反转导致执行优先级较低的任务。通过利用信号处理协处理器[3]，由于与系统和时间约束相关的现有协议的扩展，系统消耗得到了改善。在计算机图形协处理器[4]中采用了基于优先级约束的资源管理算法。
在前人研究的基础上，研究了基于同构多核单片系统的调度算法，采用[6]来减少优先级反转管理带来的问题。处理器和协处理器之间的原理是不同的，因为协处理器的抢占任务开销很大，不适合执行抢占任务。开销的原因来自于可用的寄存器、管道中的各个阶段和缓存内存[7]。
针对不同的多核系统，设计了在线调度程序，实现了优先级反转管理和提高系统消耗之间的比例。首先，本研究聚焦于一个具有高速控制入学的调度模块，以实现不同双核系统中在线变更任务的管理。在此基础上，提出了大系统消耗和小优先级反转之间的可配置性。在现有系统的基础上，根据处理器和协处理器的不同功能，采用了两种不同的调度策略。该框架使用合适的调度算法扩展了不同的多核系统。
组织:本文的其余部分组织如下。第2节叙述了评估中的系统框架术语。第3节给出了异构双核调度算法下的在线任务调度规则。第4节描述了拟议调度模块的可调度性测试和配置。第5节介绍了异构多核调度算法的设计与实现。在第6节中，对算法的性能进行了评估，并展示了其能力。第七部分，本文工作的结束语。

系统模型
对于异构多核单片系统处理器是由以下功能激活的，如信号处理。处理器的假设由通用处理器分配，协处理器由协同处理器核心分配。我们进一步假设处理器和协处理器之间的通信是通过使用专用的共享内存和邮箱实现的。最坏情况下的通信时间分析可以作为最坏情况[6]执行时间的一部分进行分析。
所有异构多核系统都包括适于控制信号管理的处理器和适于计算数据的协处理器。因此，在该系统上执行的任务是一组以部分方式排序的子任务。每个子任务ti, j中的每个任务在一个信号控制管理上进行分析和执行，最坏情况下计算时间ti, j优先称为ci,j。在信号控制管理和数据计算任务中执行的子任务称为管理控制信号子任务和数据计算子任务
该模型解决了以下问题:1)基于优先级约束，如何评估每个任务的响应时间的推导和边界;
2)在没有抢占任务的协处理器中，应确定最小化紧急任务阻塞时间。
3)以较少的时间和空间成本为不断变化的工作负载执行可调度性测试。

异构双核调度(hds)算法
主从关系在处理器和协处理器的不同多核系统中实现。最初的目的是一个模块用于不同的双核使用一个处理器和协处理器。
在线任务调度，每个新任务都通过准入控制进行验证。它增强了新任务的调度能力，保证了新任务和其他已有任务的可调度性。如果新任务没有达到通过结果，任务将被拒绝。子任务的到达时间是不可预测的，它取决于前一个子任务的完成时间。计算每个协处理器中子任务的响应时间，可以得到任意两个处理器的子任务之间的分区以及每个任务的分区时间。协处理器调度抢占点以避免不可抢占协处理器中不可接受的任务阻塞时间。
算法:
一、分配期限:
分配一个处理器密度Si，是通过每个任务ti和一个带宽服务器大小Ui来实现的。
处理器和协处理器子任务的最后期限分配是通过相对任务的密度和服务器大小来实现的。
-基于带宽的概念为服务器分配每个任务的截止日期。
二、调度规则:
-当每个任务通过可调度性测试时，则每个任务被接受，其相关子任务正在分配截止日期对齐。
子任务按其本地截止日期调度是由基于抢占的截止日期驱动调度实现的。
子任务是由协处理器根据与其服务器相关的带宽与抢占点对应分配的。

允许控制
我们基于到达的任务，叙述了接纳控制对每个任务集的可调度性测试的性能。分配每个任务的处理器密度和服务器大小是一个np完全问题，它应该被解决为一个装箱问题。在如上所述的每个核心的消耗之前，首先定义处理器中可用子任务消耗的数量与协处理器中子任务消耗的数量之比。
异构双核调度算法通常用于时间约束和最坏情况下的计算时间。我们计算了计算时间，前人的研究成果很多，协处理器的服务器大小可以通过反馈控制方案和概率排队机制进行不同的调整。在可用的适应服务器规模下，异构双核调度算法和准入控制也可以扩展到不确定的计算时间。双核调度算法的可调度性测试分为三大类。它们是处理器消耗测试、协处理器消耗测试和基于任务的截止日期测试。同构多核算法的调度问题是作为完成调度的无抢占问题。使用分离模块，一个特定任务的所有作业都在同构协处理器上执行。全局模式描述了在协处理器中提出的子任务模块，并由其相关的服务器接收。每个子任务与实例一起就绪，相关服务器设置deadline的固定值，并以全局方式将其推送到队列中。分区模式说明服务器被表示为协处理器。与此协处理器相关的实例与零星活动的实例一起插入队列。Hybrid schema is assumed as various server and are separated to that particular coprocessor among the processor. The details of the separated schematic rule are not illustrated in this figure. The corresponding coprocessor and the remaining servers between coprocessors, subtasks might be split.

绩效评估
在图1中，处理器的利用率用于控制事件输入任务和输出任务，协处理器用于解码计算。处理器和协处理器之间的通信是通过服务质量和邮箱来实现的。输入和输出的缓冲区大小为16 KB。每个任务集有三个子任务。第一个和第二个任务分别执行输入和输出控制，两者都在处理器上执行。子任务中的第二任务执行解码计算，并在协处理器上执行。通过穷举分析估计每个子任务的计算时间。在本实验中，处理器上执行的输入和输出控制函数分别耗时9.9 ms和1.5 ms。解码功能在协处理器上执行，时间为18ms。在解码函数中插入了两个抢占点。 Decoding process based on JPEG is not an application based on hard real time, but it is the constraint based on the real time process due to quality of service. Utilizing various quality-of-service, arranging the decoding processes through Motion JPEG, for evaluating algorithmic performance. More frames per second(FPS) indicates a good quality of service, and the assumption of dropped frames are not critical. Given a task set with frame rates of 35, 25, 15, and 4 FPS, the task set is not schedulable using SRP and PCP, and the performances of the schedulers (HDS, EDF, and RM) are similar. With frame rates 11, 8, 5, and 5 FPS, using the task set is executed heterogeneous dual-core scheduling algorithm. The experiment results reveal that when the coprocessor is assumed to be fully pre-emptive, HDS improves the frame rate of this task set from 4 to 8 FPS as compared to the scheduler implementations (RM and EDF). Compared to the protocol implementations,HDS improves the frame rate from 4 to 25 FPS.3 Assumption of our frames which are all dropped are not critical. Given a task set with frame rates of 25, 10, 5, and 4 FPS, the task set is not schedulable using SRP and PCP, and the performances of the schedulers (HDS, EDF, and RM) are similar.
在图2中，帧率为25,10,8和5fps时，任务集只能使用HDS进行调度。实验结果表明，在假设协处理器完全抢占的情况下，HDS将子任务集的增强帧率从4帧/秒提高到8帧/秒，而进程不是硬实时应用，其实时性约束是由于系统对服务质量的要求。基于性能评估，我们的所有帧都被丢弃的假设并不重要。给定一个帧率为25fps、10fps、5fps和4fps的任务集，使用SRP和PCP，以及调度器的性能，该任务集是不可调度的。系统采用一个处理器和多个协处理器，因为大多数异构多核系统都配备了多个协处理器来加速任务的执行。我们在一个有一个处理器和三个协处理器的系统上实现了基于first fit、worst fit、Global和Hybrid调度器的异构双核调度算法，然后first fit和worst fit调度器根据最大需要的服务器对任务进行分区。全局调度程序总是将异构双核调度算法分配的工期最短的任务分配到协处理器。混合调度程序首先根据第一个匹配将任务分配给特定的处理器。

结论
本文的贡献工作解释了不同协处理器中的实时任务、调度错误，并在不抢占执行任务的情况下处理了时间和优先级约束。初步提出了通过接受改变每个作业的值来进行可调度性测试。提出了一种基于反转抢占点的方案，即在协处理器中配置开销机制和边界能力，利用自适应调度器实现不同协处理器的扩展机制。
通过评估不同作业和任务下的调度规则来观察各种实验结果。未来的工作将涉及不同协处理器的在线效率机制以及不同协处理器的消耗边界和阻塞时间。加强各种先发制人的机制，将有利于移动系统利用设计的发展。

数字一览
数字 数字
图1 图2

参考文献







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