【摘要】：由于單個(gè)處理器芯片上的晶體管數(shù)目隨著集成電路制造工藝的提升不斷增長(zhǎng)，處理器的功耗、散熱以及設(shè)計(jì)復(fù)雜度問(wèn)題越來(lái)越顯著，變得不可忽視。在撰寫(xiě)本論文時(shí)，單個(gè)處理器上的晶體管集成度已經(jīng)達(dá)到十億級(jí)的高度。傳統(tǒng)的通過(guò)挖掘處理器的時(shí)鐘頻率提高處理器性能的方法已經(jīng)走到了盡頭。微體系結(jié)構(gòu)研究人員一直在尋找提高處理器性能而不會(huì)帶來(lái)過(guò)多功耗以及設(shè)計(jì)復(fù)雜度的方法。最終，多核處理器（又稱單芯片多處理器）微體系結(jié)構(gòu)由于具有高性能、低功耗的優(yōu)點(diǎn)被當(dāng)作傳統(tǒng)單核處理器的替代品而提出。 然而，多核處理器這種微體系結(jié)構(gòu)也并非完美無(wú)缺。它在解決硬件功耗和復(fù)雜度問(wèn)題的同時(shí)，也給相關(guān)的軟硬件研究領(lǐng)域帶來(lái)了一系列的挑戰(zhàn)。在所有的這些挑戰(zhàn)當(dāng)中，針對(duì)多核處理器微體系結(jié)構(gòu)如何進(jìn)行操作系統(tǒng)調(diào)度設(shè)計(jì)無(wú)疑是非常關(guān)鍵的問(wèn)題之一，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)調(diào)度是決定這些多核處理器如何被充分有效利用的一個(gè)十分重要的因素。因此，針對(duì)多核處理器的調(diào)度設(shè)計(jì)已經(jīng)受到越來(lái)越多的關(guān)注，成為產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的熱門課題。 面向多核處理器的調(diào)度這一領(lǐng)域當(dāng)中需要解決的課題非常多，在本文中作者僅對(duì)其中的一些問(wèn)題著重進(jìn)行了研究和探討。具體來(lái)說(shuō)，本文主要探討了性能異構(gòu)多核微體系架構(gòu)和典型同構(gòu)多核微體系架構(gòu)這兩種體系結(jié)構(gòu)上的調(diào)度問(wèn)題，，并且分別針對(duì)提高吞吐量的服務(wù)器計(jì)算領(lǐng)域以及提高實(shí)時(shí)性的實(shí)時(shí)領(lǐng)域進(jìn)行了研究。所取得的主要研究成果主要有以下幾個(gè)方面。 首先，針對(duì)性能異構(gòu)多核系統(tǒng)提出一個(gè)新的性能衡量機(jī)制，稱之為ASTPI（average stall time per instruction，單指令平均停駐時(shí)間）。性能異構(gòu)多核處理器由于相對(duì)同構(gòu)處理器具有更高的能效比而為業(yè)界所熟知。但是，性能異構(gòu)多核處理器的高能效比是建立在準(zhǔn)確高效的調(diào)度之上的。只有結(jié)合任務(wù)的需求和處理器核的性能進(jìn)行調(diào)度才能實(shí)現(xiàn)性能異構(gòu)處理器的充分利用。現(xiàn)有的方法根據(jù)任務(wù)在不同核上取得的IPC （instructions per cycle，每周期指令數(shù)）之比衡量任務(wù)的計(jì)算特性。這意味著為了衡量任務(wù)的計(jì)算特性，待調(diào)度任務(wù)需要在每一種處理器核類型上試運(yùn)行一段時(shí)間以獲取其執(zhí)行速率。而本文提出的這種方法并不需要待調(diào)度任務(wù)在所有的處理器核上執(zhí)行，在任意一個(gè)處理器核上執(zhí)行就可以獲得該任務(wù)的單指令平均停駐時(shí)間。 其次，本文形式化地證明了任務(wù)的ASTPI值與它的性能特性成反比。也就是說(shuō)，一個(gè)任務(wù)的ASTPI值越大那么這個(gè)任務(wù)的計(jì)算需求越小，反過(guò)來(lái)它的ASTPI值越小則它的計(jì)算需求越大。 再次，本文還為性能異構(gòu)多核處理器提出一個(gè)異構(gòu)高速緩存共享模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)于超過(guò)一個(gè)LLC（last level cache，最后一級(jí)緩存）的性能異構(gòu)多核處理器，性能異構(gòu)的核共享LLC的模式要比性能同構(gòu)的核共享LLC的模式能帶來(lái)更大的性能提升。 另外，為了解決現(xiàn)有的性能異構(gòu)多核處理器調(diào)度算法在調(diào)度之前都需要同步所有任務(wù)的限制，本文提出了一個(gè)自適應(yīng)調(diào)度算法（稱之為AS4HMS）。為了給性能最高的處理器核上分配最合適的任務(wù)，所有的任務(wù)都需要先獲取它們的計(jì)算特性，然后比較它們的計(jì)算特性得出計(jì)算特性最高的任務(wù)。現(xiàn)有的算法采用一種全局方法，很容易成為性能瓶頸，并且要求任務(wù)必須同步并且同時(shí)到達(dá)。與現(xiàn)有方法不同的是，AS4HMS采用一種局部機(jī)制比較任務(wù)的計(jì)算需求，克服了現(xiàn)有方法的不足。 最后，提出了一個(gè)輕量多核實(shí)時(shí)調(diào)度算法（稱之為PSEKG）。PSEKG在現(xiàn)有EKG算法的基礎(chǔ)上引入一個(gè)周期敏感機(jī)制。與EKG相比, PSEKG在不降低利用率界限的基礎(chǔ)上,大大減少了調(diào)度次數(shù)、任務(wù)的切換次數(shù)和遷移次數(shù)。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TP332

【共引文獻(xiàn)】

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1 賓雪蓮;楊玉海;金士堯;;一種基于分組與適當(dāng)選取策略的實(shí)時(shí)多處理器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法[J];計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào);2006年01期

2 石林勇;晏立;;多處理器全局單調(diào)比率的可調(diào)度性分析[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用;2010年10期

3 張凱;金甌;賀建飚;;一種基于μClinux的嵌入式紙幣識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J];計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制;2008年04期

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1 殷進(jìn)勇;可重構(gòu)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度算法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

2 盛偉;考慮緩存預(yù)熱時(shí)間的多核實(shí)時(shí)調(diào)度算法和分析[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

3 賓雪蓮;實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2004年

4 朱響斌;開(kāi)放式實(shí)時(shí)Linux的研究與設(shè)計(jì)[D];復(fù)旦大學(xué);2005年

5 吳彤;弱硬實(shí)時(shí)調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

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1 蔣習(xí)旺;嵌入式Linux的實(shí)時(shí)性研究與改進(jìn)[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

2 梁浩;多處理器系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)度EDZL算法的研究[D];江蘇大學(xué);2010年

3 石林勇;多處理器全局FP調(diào)度算法的研究[D];江蘇大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2544421