【摘要】：微處理器設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了芯片上更大密度的晶體管數(shù)量以及更高的性能,處理器的功耗也隨著晶體管密度的增加而增大,但日益增加的功耗和不斷積累的芯片熱量也造成越來(lái)越嚴(yán)重的散熱問(wèn)題。芯片上的高溫不僅降低了處理器的可用性,縮短了處理器的生命周期,還增加了冷卻處理器的成本,近些年來(lái)隨著單芯片多處理器(CMP),多線程處理器(SMT)以及對(duì)稱多處理器(SMP)的出現(xiàn),使得單個(gè)芯片上晶體管的密度更大,功耗問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。多種多樣的用來(lái)運(yùn)行時(shí)熱量控制的動(dòng)態(tài)熱量管理(DTM)技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。然而,這些技術(shù)只單純考慮了處理器的溫度卻沒(méi)有考慮到運(yùn)行在處理器上的各種各樣的任務(wù)的熱量特征。 基于硬件架構(gòu)級(jí)的熱量控制技術(shù)通過(guò)在處理器上增加溫度控制單元來(lái)監(jiān)控處理器溫度,在處理器溫度超過(guò)閾值是降低處理器速度來(lái)對(duì)處理器降溫,但同時(shí)也降低了處理器的性能。另外,基于操作系統(tǒng)層面的溫度控制方法也越來(lái)越多,而且比架構(gòu)級(jí)溫度控制更加的靈活,本人在前人的工作基礎(chǔ)上提出了在操作系統(tǒng)級(jí)別通過(guò)對(duì)任務(wù)調(diào)度器的優(yōu)化來(lái)進(jìn)行熱量控制。 本文在基于Linux內(nèi)核中的默認(rèn)輪詢調(diào)度器的基礎(chǔ)上,增加了任務(wù)溫度特征的在線采集模塊,并以所采集數(shù)據(jù)為元數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)面向任務(wù)的基于溫度感知的任務(wù)調(diào)度器,這個(gè)調(diào)度器綜合任務(wù)本身的動(dòng)態(tài)溫度特征、運(yùn)行時(shí)負(fù)載的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及芯片上的實(shí)時(shí)溫度統(tǒng)計(jì)來(lái)決定處理器上的哪一個(gè)應(yīng)用會(huì)被調(diào)度以及是否需要進(jìn)行時(shí)間片動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。 本文以IntelCoreSolo處理器作為硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了此調(diào)度器,并從Mibench和SPEC2000測(cè)試應(yīng)用集合中挑了16個(gè)具有代表性的應(yīng)用來(lái)評(píng)估此調(diào)度器。與Linux默認(rèn)的調(diào)度器相比,傳統(tǒng)的基于溫度感知的調(diào)度器對(duì)于芯片的平均溫度和峰值溫度改進(jìn)非常有限,但本文所提出的面向應(yīng)用的溫度感知的調(diào)度器將平均溫度平均減少了2℃,為正常溫度的5%(最多到3℃,為正常溫度的10%),并將峰值溫度平均減少了1℃(最多到2℃),而所付出的代價(jià)幾乎可以忽略,很好的降低了處理器的功耗以及芯片上的溫度。 本文的主要工作包括: 1.總結(jié)了現(xiàn)代處理器的發(fā)展歷程,并闡述了在處理器的頻率遵循摩爾定律飛速發(fā)展的同時(shí),處理器所產(chǎn)生的熱量也越來(lái)越大,并逐漸成為一個(gè)影響處理器性能的主要原因,對(duì)現(xiàn)代處理器的發(fā)展提出了嚴(yán)重挑戰(zhàn),如何在不損失處理器性能的情況下減少處理器的所產(chǎn)生的熱量的必要性。并介紹了相關(guān)領(lǐng)域所研究的成果,分析了當(dāng)前的研究成果的優(yōu)勢(shì)以及不足,介紹了從操作系統(tǒng)的層面對(duì)任務(wù)調(diào)度器的改進(jìn)來(lái)降低處理器的功耗是一個(gè)非常靈活有效的方案。 2．介紹現(xiàn)代處理器中的一種特殊的硬件監(jiān)測(cè)電路PMU（PerformanceMonitoring Unit，硬件監(jiān)測(cè)單元），利用PMU來(lái)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)處理器中的底層硬件操作相關(guān)的事件，以及如何通過(guò)所統(tǒng)計(jì)出來(lái)的數(shù)據(jù)來(lái)估算每個(gè)任務(wù)的溫度特征，在Linux操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了在線統(tǒng)計(jì)PMU中不同事件的數(shù)據(jù)模塊，利用所統(tǒng)計(jì)出來(lái)的數(shù)據(jù)可以用來(lái)指導(dǎo)任務(wù)調(diào)度器制定調(diào)度策略。 3．提出了一種面向任務(wù)的基于溫度感知的任務(wù)調(diào)度算法和時(shí)間片動(dòng)態(tài)調(diào)整算法，在Linux操作系統(tǒng)默認(rèn)的任務(wù)調(diào)度器的基礎(chǔ)上，本文實(shí)現(xiàn)了該溫度感知的任務(wù)調(diào)度算法以及時(shí)間片動(dòng)態(tài)調(diào)整算法，并在真實(shí)環(huán)境中測(cè)試了該調(diào)度器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了該調(diào)度器在不降低系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上降低了5%-10%的熱量的產(chǎn)生。 4．在單核面向任務(wù)的基于溫度感知的任務(wù)調(diào)度器的基礎(chǔ)上，又提出了多核多處理器的任務(wù)調(diào)度算法，并對(duì)該算法進(jìn)行模擬，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明該面向多核多處理器的溫度感知調(diào)度器能將整體片上熱量降低3%-5%。
【圖文】：

器 和 P m C on t r o l （ IA 32 _P ER FE V T S EL x ） 寄 存 器 成 對(duì) 組 成 的 。 這 些 性 能 計(jì) 數(shù) 器所具 備 的 性質(zhì) 如 下 ： 1． P m C ou nt e r （ IA 3 2_ P M C x ） 寄存 器的 物 理地 址 是 將 0C 1H 作 為自 己的 物 理起 始 地 址的 并 占據(jù) 了 從 起始 地 址之 后 的 一段 連 續(xù) 物理 地 址 空間 。 2． P m Co nt ro l （ IA 3 2_ P ER FE V T S EL x ）寄 存 器 的物 理 地址 是 將 01 86 H 作為 自己 的 物 理起 始 地 址的 并 占 據(jù) 了從 起 始 地址 之 后 的 一段 連 續(xù) 物理 地 址 空間 ， 每 一 個(gè) 硬 件 選 擇 寄 存 器 從 IA 32 _P M C x 寄 存 器 的 物 理 起 始 地 址 開(kāi) 始 所 相 應(yīng) 的 硬 件事件 寄存 器 進(jìn)行 配 對(duì) 。 3． P m Co u n t er （ IA 3 2_ P M C x ） 寄 存 器 可 以 通 過(guò) 上 文 介 紹 的 C P UI D 機(jī) 制 來(lái)獲 得 寄 存 器 的 位 寬 ， 超 過(guò) IA 3 2_ P M C x 寄 存 器 位 寬 的 位 都 是 未 定 義 的 ， 寫(xiě) 入 這些未 定 義 的位 是 所 寫(xiě)入 的 數(shù) 據(jù) 是不 起 作 用的 ， 將 被 忽略 ， 讀 這些 未 定 義的 位 的 值 得 時(shí) 候 將 會(huì) 讀 出 0 ，， IA 32 _P M C x 寄 存 器 的 低 31 為 可 以 被 寫(xiě) 入 任 何 值 ， 而 其第 32 位作 為符 號(hào) 擴(kuò)展 。 圖 2. 2 展示 了 IA 32 _ P ER FE V T S EL x 寄 存器 的 每 一 位的 含 義 [ 16 ]：

圖2 . 3 a r c h it e c tu ra l 事 件列 表2. 2 . 4 任務(wù) 熱量 特 征 刻畫(huà) 標(biāo) 準(zhǔn) 文獻(xiàn) [ 1 8] 提 出 了 任務(wù) 對(duì) 處 理器 溫 度 貢獻(xiàn) 的 概 念 ，本文 提 出了 三 種 新 的任 務(wù) 熱 量特 征 刻 畫(huà)標(biāo) 準(zhǔn) ， 所刻 畫(huà) 出 來(lái) 的特 征 值 是面 向 任 務(wù) 的溫 度 感 知的 任 務(wù) 調(diào)度 算 法 的基 礎(chǔ) 。 本文 將 通 過(guò)實(shí) 驗(yàn) 驗(yàn) 證 本文 所 提 出的 三 種 熱 量刻 畫(huà) 標(biāo) 準(zhǔn)確 實(shí) 能 夠反 映 任 務(wù)本 身 的 熱量 特 征 。 標(biāo) 準(zhǔn) 1 ： 片 下 指 令 比 例 （ Of f - C h i p In s t ru c t i on P ro po r t i o n ）， 即 OC IP ， OC IP 主要 反 映 了一 個(gè) 任 務(wù)所 執(zhí) 行 的 所有 指 令 中， 片 下 指 令所 占 比 例， 片 下 指令 一 般 就是 指 裝 載內(nèi) 存 指 令， 寫(xiě) 入 內(nèi) 存指 令 和 數(shù)據(jù) 傳 輸 指 令， 這 些 指令 都 引 起了 數(shù) 據(jù) 在片 上 與 片下 之 間 的傳 輸 。 此 統(tǒng)計(jì) 標(biāo) 準(zhǔn) 之所 以 能 夠 反映 任 務(wù) 本身 的 熱 量特 征 是 因?yàn)?， 一 個(gè)內(nèi) 存 訪 問(wèn)指 令 的 執(zhí) 行時(shí) 間 是 普通 運(yùn) 算 指 令執(zhí) 行 時(shí) 間的 幾 十 甚至 上 百 倍， 在 執(zhí) 行內(nèi) 存 訪 問(wèn)指 令 的 時(shí) 候， 處 理 器處 于 空 閑 狀態(tài) ， 所 以如 果 一 個(gè)任 務(wù) 所 執(zhí)行 的 所 有指 令 中 ，片 下 指 令 占據(jù) 的 比 例不 高 ， 則 說(shuō)明 此 任 務(wù)的 處 理 器利 用 率
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TP332

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本文編號(hào)：2617409