近年來,隨著嵌入式系統(tǒng)對計算能力需求的不斷增長,多核處理器架構變得日益普遍,它是一種高效的并行體系結構,其性能相對單核架構明顯提升,已成為嵌入式系統(tǒng)的主流芯片解決方案。芯片制造商陸續(xù)推出了多核處理器系統(tǒng)芯片,越來越多的復雜實時系統(tǒng)也已經采用多核處理器平臺。與此同時,設計者卻面臨新的研究需求和挑戰(zhàn),其中包括因系統(tǒng)的高復雜度所帶來嚴重的能耗問題,以及包括制造工藝的進步所帶來的因系統(tǒng)故障發(fā)生率攀升引起可靠性問題。此外,隨著應用領域的不斷深入和芯片集成度的不斷提高,傳統(tǒng)的單純追求性能的調度優(yōu)化方法已不再適用于考慮對實時性、低能耗和可靠性保證等綜合性能協(xié)同優(yōu)化的場景,迫切需要探索新的調度策略和優(yōu)化算法。因此,在實時應用程序運行在多核處理器系統(tǒng)上時,如何調度以降低系統(tǒng)總能耗,并使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行且滿足任務截止時間期限約束,仍是多核系統(tǒng)級調度研究的一個亟待解決的問題。本文著眼于多核處理器實時系統(tǒng)的能量消耗和可靠性問題,從不同角度對現(xiàn)有的能耗優(yōu)化和考慮系統(tǒng)可靠性感知的節(jié)能調度技術進行調查和研究,探索從應用程序內部任務的執(zhí)行特點出發(fā)進行節(jié)能調度的策略并設計相應的算法,研究現(xiàn)有能耗管理技術對系統(tǒng)總能耗和可靠性的影響,并就如何充分合理利用能耗和可靠性管理技術對系統(tǒng)總能耗和可靠性進行綜合設計,以及探索如何在保證系統(tǒng)實時性和高可靠性的同時最小化系統(tǒng)能耗的完整的任務映射和調度算法。本文的研究內容包含以下三個方面:·多核處理器系統(tǒng)節(jié)能實時調度技術研究。針對運行于該系統(tǒng)上的安全關鍵實時時間觸發(fā)應用程序的節(jié)能調度問題,本文首次提出根據應用內具體任務啟動執(zhí)行的嚴格和非嚴格周期性特點來進行有效地系統(tǒng)能耗優(yōu)化。為表征任務周期啟動的嚴格與非嚴格的特點,本文給出一個新穎且實際的任務模型�；诖巳蝿漳Ｐ秃蛯嶋H的硬件模型,功耗和能耗模型,本文提出一個整數線性規(guī)劃模型并通過求解該模型以得到該節(jié)能實時調度問題的最優(yōu)解。此外,為解決整數線性規(guī)劃問題帶來的復雜度過高問題,本文還提出一個啟發(fā)式算法來降低求解復雜度,以在可接受的時間內可以有效地得到高質量的可行解�！ざ嗪颂幚砥飨到y(tǒng)保證可靠性需求的節(jié)能實時調度技術研究。針對系統(tǒng)的可靠性需維持在高水平,即系統(tǒng)要求至少滿足原始可靠性水平約束的應用場景,本文在保證系統(tǒng)高可靠性和能耗最小化調度方面設計了兩種調度機制。一是ORGSEM機制。該機制不采用DVFS使得可靠性水平不再受降壓/降頻影響,始終維持在原始可靠性水平,系統(tǒng)能耗則通過采用其他能耗管理技術來降低。二是針對現(xiàn)有的可靠性感知節(jié)能調度機制大都直接采用DVFS,而DVFS的使用對系統(tǒng)可靠性有負面影響,本文首次提出能效容錯調度機制(EFS)機制。在該機制中,PMM技術的引入可以削弱或抵消DVFS的負面影響,以使得系統(tǒng)可靠性需求和系統(tǒng)總能耗之間達到最佳權衡�；谝陨蟽蓚�策略,本文還構建了一套保證系統(tǒng)高可靠性和最小化系統(tǒng)總能耗的整數線性規(guī)劃模型。通過求解這個模型可以得到滿足系統(tǒng)原始可靠性需求的最優(yōu)節(jié)能任務執(zhí)行電壓/頻率分配和調度方案�！せ诋悩嫸嗪颂幚砥飨到y(tǒng)的考慮容錯的實時應用程序映射和調度能耗優(yōu)化研究。針對任務映射對系統(tǒng)的能耗和可靠性都有影響,且任務映射和任務調度是相互依賴的“NP-難”問題。本文提出解決整個問題的能效容錯映射和調度(EFMS)框架。在該框架中,整個問題分解為任務映射階段和任務調度階段,并通過兩階段的迭代改進方法加以解決。任務映射方案由一個基于列表啟發(fā)式的二進制粒子群算法來給出,任務調度方案由能效容錯調度機制和相關算法實現(xiàn)。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TP332
【部分圖文】：

相比于ＳＨＲＥＥＲＭ和Ｌ－ＥＦＭＳ，本文所提方法在滿足系統(tǒng)容錯基礎上，可??以平均實現(xiàn)２２．４３％和１７．３９％的節(jié)能。??圖１．２總結了本文的研究問題和思路。本文從系統(tǒng)層面研究實時多核處理器的節(jié)能和??可靠性問題，研究涵蓋了多核處理器的調度問題，能耗優(yōu)化問題，和考慮可靠性和能耗??協(xié)同設計的優(yōu)化問題，本文提出的考慮應用程序執(zhí)行特征的節(jié)能調度機制、保證系統(tǒng)原??始可靠性的節(jié)能調度機制和考慮系統(tǒng)容錯的能效映射和調度框架與算法可為不同應用和??多核處理器系統(tǒng)環(huán)境提供高效的方法。??１．３本文主要聿節(jié)安排??本文共六章，各章具體內容安排如下：??第一章緒論，筒述了本文的研究背景和意義，接著就多核處理器、實時系統(tǒng)、能耗??問題、可靠性問題和任務調度問題進行簡單介紹。然后闡述了本文的的主要研究內容和??創(chuàng)新點。最后給出本文的主要章節(jié)安排。??第二章從基于實時多核處理器系統(tǒng)的任務調度、考慮節(jié)能的調度、可靠性感知的調??度和考慮節(jié)能和可靠性協(xié)同優(yōu)化的調度四個方面介紹了國內外研究現(xiàn)狀。??第三章對實時多核處理器節(jié)能調度技術進行研究。針對運行在實時多核處理器上的??１２??

２．１多核處理器調度算法研究??調度是提升多核處理器系統(tǒng)性能和保證系統(tǒng)實時性的關鍵。從算法角度看，如??圖２．１所示，調度算法可大致分為以下幾類：??調度算法??基于數學規(guī)劃方法?基于啟發(fā)式方法?基于隨機搜索方法??、火算％ｙ１?Ｊ??（＾＾／ＭＩＬＰ／ＧＰ／ＣＬＰａＴ＾）?Ｃ＾＾＾ｉ＾ＰＯＰ／ＤＬＳ／ＣＭ＼ＶＳＬ＾＾＾＞?＜＾＾ｉ＾Ａ／ＡＣＯ／ＰＳＯ／ＰＳＯ＾Ｉ＾＾＞??圖２．１多核處理器調度算法分類??基于數學規(guī)劃方法中最常用的方法是整數線性規(guī)劃（ＩＬＰ）或混合整數線性規(guī)劃??（ＭＩＬＰ）方法。例如文獻［４６］建立了?一個丨ＬＰ模型，以解決異構多核處理器系統(tǒng)中的任務??分配問題，能在給定時間約束下最小化系統(tǒng)的執(zhí)行總開銷。Ｈｕａｎｇ等［４７】提出－于任務、??線程、處理器三層架構的任務分配和調度模型，并采用ＩＬＰ方法求得系統(tǒng)最佳性能的任??務分配和調度解。Ｗａｌｌａ等ｌ４Ｓ］針對汽車電子自動化領域的功能劃分問題，提出一個考慮??計算和通信功耗開銷的ＭＩＬＰ模型，以找到最優(yōu)的功能劃分方案。Ｖｅｍｊｇｏｐａｌａｎ等１４９）針對??多核處理器系統(tǒng)的最小化執(zhí)行時間問題，提出了基于ＩＬ?Ｐ方法的考慮通信延時的調度模??型。Ｙａｎｇ等提出了?一種系統(tǒng)化的方法來描述任務調度，通信架構和任務執(zhí)行之間的??１５??

被證明是ＮＰ－難問題。注意，任務－處理器的分配問題可由文獻［１３，５３，１２１】中提供的算法得??到。本章假設任務－處理器分配是已知的，聚焦于能效調度問題。??如圖３．３所示，給定一個ＤＶＦＳ和ＰＭＭ使能的ＭＰＳｏＣ，多個包含嚴格和非嚴格周??期的應用程序，任務－處理器分配和ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ信息作為輸入，目標是設計一個時間觸發(fā)能??效調度器，它能夠找到一組靜態(tài)最優(yōu)非搶占調度和任務電壓／頻率分配方案，使得系統(tǒng)在??超周期內的總能耗（私。最小，且滿足時間約束。??＾?ｃｏｒｅ?１〇〇〇〇?ｃｏｒｅ２魯魯馨魯籲??０＾－＾?，〇〇Ｓｅ?Ｋ?‘任務映射?丨。ｒｅＭ〇〇〇－，??一？時間觸發(fā)能效調＾＞■＜?＿２??Ｊｆ］?ｒ＾１?▲）??Ｔ?ｕ?－?〇?豐?＼調度＆電壓／頻率分配?乂??ｉ，?ｃｒＳ???ｅｘａｃｔ?Ｐｒｏｆｉｌｎｇ??ｖ?多應用程序?＾?信息池????—??圖３．３時間觸發(fā)多核實時系統(tǒng)的能效調度問題??３．３研究動機示例??為了便于理解，本節(jié)給出一個研究動機示例，以說明當前最先進的能效調度方法不??能很好的解決此問題。假設某一?ＭＰＳｏＣ系統(tǒng)，有兩個處理器核ＣＯＲＥ１和Ｃ０ＲＥ２。每個??處理器核都支持兩個頻率等級
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本文編號：2849384