近年來,隨著嵌入式系統(tǒng)對(duì)計(jì)算能力需求的不斷增長,多核處理器架構(gòu)變得日益普遍,它是一種高效的并行體系結(jié)構(gòu),其性能相對(duì)單核架構(gòu)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(fù)雜實(shí)時(shí)系統(tǒng)也已經(jīng)采用多核處理器平臺(tái)。與此同時(shí),設(shè)計(jì)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(fù)雜度所帶來嚴(yán)重的能耗問題,以及包括制造工藝的進(jìn)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(yīng)用領(lǐng)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(diào)度優(yōu)化方法已不再適用于考慮對(duì)實(shí)時(shí)性、低能耗和可靠性保證等綜合性能協(xié)同優(yōu)化的場(chǎng)景,迫切需要探索新的調(diào)度策略和優(yōu)化算法。因此,在實(shí)時(shí)應(yīng)用程序運(yùn)行在多核處理器系統(tǒng)上時(shí),如何調(diào)度以降低系統(tǒng)總能耗,并使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行且滿足任務(wù)截止時(shí)間期限約束,仍是多核系統(tǒng)級(jí)調(diào)度研究的一個(gè)亟待解決的問題。本文著眼于多核處理器實(shí)時(shí)系統(tǒng)的能量消耗和可靠性問題,從不同角度對(duì)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(diào)度技術(shù)進(jìn)行調(diào)查和研究,探索從應(yīng)用程序內(nèi)部任務(wù)的執(zhí)行特點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行節(jié)能調(diào)度的策略并設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法,研究現(xiàn)有能耗管理技術(shù)對(duì)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(shù)對(duì)系統(tǒng)總能耗和可靠性進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),以及探索如何在保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和高可靠性的同時(shí)最小化系統(tǒng)能耗的完整的任務(wù)映射和調(diào)度算法。本文的研究內(nèi)容包含以下三個(gè)方面:·多核處理器系統(tǒng)節(jié)能實(shí)時(shí)調(diào)度技術(shù)研究。針對(duì)運(yùn)行于該系統(tǒng)上的安全關(guān)鍵實(shí)時(shí)時(shí)間觸發(fā)應(yīng)用程序的節(jié)能調(diào)度問題,本文首次提出根據(jù)應(yīng)用內(nèi)具體任務(wù)啟動(dòng)執(zhí)行的嚴(yán)格和非嚴(yán)格周期性特點(diǎn)來進(jìn)行有效地系統(tǒng)能耗優(yōu)化。為表征任務(wù)周期啟動(dòng)的嚴(yán)格與非嚴(yán)格的特點(diǎn),本文給出一個(gè)新穎且實(shí)際的任務(wù)模型�；诖巳蝿�(wù)模型和實(shí)際的硬件模型,功耗和能耗模型,本文提出一個(gè)整數(shù)線性規(guī)劃模型并通過求解該模型以得到該節(jié)能實(shí)時(shí)調(diào)度問題的最優(yōu)解。此外,為解決整數(shù)線性規(guī)劃問題帶來的復(fù)雜度過高問題,本文還提出一個(gè)啟發(fā)式算法來降低求解復(fù)雜度,以在可接受的時(shí)間內(nèi)可以有效地得到高質(zhì)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(shí)時(shí)調(diào)度技術(shù)研究。針對(duì)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(yīng)用場(chǎng)景,本文在保證系統(tǒng)高可靠性和能耗最小化調(diào)度方面設(shè)計(jì)了兩種調(diào)度機(jī)制。一是ORGSEM機(jī)制。該機(jī)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(shù)來降低。二是針對(duì)現(xiàn)有的可靠性感知節(jié)能調(diào)度機(jī)制大都直接采用DVFS,而DVFS的使用對(duì)系統(tǒng)可靠性有負(fù)面影響,本文首次提出能效容錯(cuò)調(diào)度機(jī)制(EFS)機(jī)制。在該機(jī)制中,PMM技術(shù)的引入可以削弱或抵消DVFS的負(fù)面影響,以使得系統(tǒng)可靠性需求和系統(tǒng)總能耗之間達(dá)到最佳權(quán)衡�；谝陨蟽蓚�(gè)策略,本文還構(gòu)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(shù)線性規(guī)劃模型。通過求解這個(gè)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(wù)執(zhí)行電壓/頻率分配和調(diào)度方案�！せ诋悩�(gòu)多核處理器系統(tǒng)的考慮容錯(cuò)的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序映射和調(diào)度能耗優(yōu)化研究。針對(duì)任務(wù)映射對(duì)系統(tǒng)的能耗和可靠性都有影響,且任務(wù)映射和任務(wù)調(diào)度是相互依賴的“NP-難”問題。本文提出解決整個(gè)問題的能效容錯(cuò)映射和調(diào)度(EFMS)框架。在該框架中,整個(gè)問題分解為任務(wù)映射階段和任務(wù)調(diào)度階段,并通過兩階段的迭代改進(jìn)方法加以解決。任務(wù)映射方案由一個(gè)基于列表啟發(fā)式的二進(jìn)制粒子群算法來給出,任務(wù)調(diào)度方案由能效容錯(cuò)調(diào)度機(jī)制和相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)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(cuò)基礎(chǔ)上，可??以平均實(shí)現(xiàn)２２．４３％和１７．３９％的節(jié)能。??圖１．２總結(jié)了本文的研究問題和思路。本文從系統(tǒng)層面研究實(shí)時(shí)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(diào)度問題，能耗優(yōu)化問題，和考慮可靠性和能耗??協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)化問題，本文提出的考慮應(yīng)用程序執(zhí)行特征的節(jié)能調(diào)度機(jī)制、保證系統(tǒng)原??始可靠性的節(jié)能調(diào)度機(jī)制和考慮系統(tǒng)容錯(cuò)的能效映射和調(diào)度框架與算法可為不同應(yīng)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(nèi)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(shí)時(shí)系統(tǒng)、能耗??問題、可靠性問題和任務(wù)調(diào)度問題進(jìn)行簡單介紹。然后闡述了本文的的主要研究內(nèi)容和??創(chuàng)新點(diǎn)。最后給出本文的主要章節(jié)安排。??第二章從基于實(shí)時(shí)多核處理器系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、考慮節(jié)能的調(diào)度、可靠性感知的調(diào)??度和考慮節(jié)能和可靠性協(xié)同優(yōu)化的調(diào)度四個(gè)方面介紹了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。??第三章對(duì)實(shí)時(shí)多核處理器節(jié)能調(diào)度技術(shù)進(jìn)行研究。針對(duì)運(yùn)行在實(shí)時(shí)多核處理器上的??１２??

２．１多核處理器調(diào)度算法研究??調(diào)度是提升多核處理器系統(tǒng)性能和保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵。從算法角度看，如??圖２．１所示，調(diào)度算法可大致分為以下幾類：??調(diào)度算法??基于數(shù)學(xué)規(guī)劃方法?基于啟發(fā)式方法?基于隨機(jī)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(diào)度算法分類??基于數(shù)學(xué)規(guī)劃方法中最常用的方法是整數(shù)線性規(guī)劃（ＩＬＰ）或混合整數(shù)線性規(guī)劃??（ＭＩＬＰ）方法。例如文獻(xiàn)［４６］建立了?一個(gè)丨ＬＰ模型，以解決異構(gòu)多核處理器系統(tǒng)中的任務(wù)??分配問題，能在給定時(shí)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(wù)、??線程、處理器三層架構(gòu)的任務(wù)分配和調(diào)度模型，并采用ＩＬＰ方法求得系統(tǒng)最佳性能的任??務(wù)分配和調(diào)度解。Ｗａｌｌａ等ｌ４Ｓ］針對(duì)汽車電子自動(dòng)化領(lǐng)域的功能劃分問題，提出一個(gè)考慮??計(jì)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(duì)??多核處理器系統(tǒng)的最小化執(zhí)行時(shí)間問題，提出了基于ＩＬ?Ｐ方法的考慮通信延時(shí)的調(diào)度模??型。Ｙａｎｇ等提出了?一種系統(tǒng)化的方法來描述任務(wù)調(diào)度，通信架構(gòu)和任務(wù)執(zhí)行之間的??１５??

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