面向动态异构多核处理器的公平调度算法

动态异构多核处理器的处理器核可动态调整的特征给操作系统调度算法带来了新的机遇和挑战.利用处理器核动态可调整的特征能更好地适应不同任务的运行需求,带来巨大的性能优化空间.然而也带来新的代价和更复杂的公平性的计算.为了解决面向动态异构多核处理器结构上的公平性调度问题,提出了一个基于集中式运行队列的调度模型,以降低调度算法在动态处理器核变化所带来的维护开销.并重新思考在动态异构处理器结构下公平性的定义,基于原有CFS调度算法提出新的HFS调度算法.HFS调度算法不仅能简单而有效地利用动态异构多核处理器的性能优势,而且能提供在动态异构多核处理器上的公平性调度.通过模拟SCMP,ACMP,DHCMP平台,证明了提出的HFS调度算法能够很好地发挥DHCMP结构的性能特征,比运行目前主流调度算法的SCMP和ACMP结构提升10.55%的用户级性能(ANTT),14.24%的系统吞吐率(WSU).     

混合粒子群算法的异构多核处理器间任务调度

针对异构多核处理器间的任务调度问题,为了更好地发挥异构多核处理器间的平台优势,提出一种基于将有关联的且不在同一处理器上的任务进行复制的思想,从而使每个异构多核的处理器能独立执行任务,来减少不同处理器之间的通信开销,并且通过混合粒子群算法(HPSO)来调度异构多核处理器中的任务,避免由于当任意一个异构多核处理器由于任务分配过多而导致计算机不能及时且准确地得出结果.最后实验证明,对比传统的启发式分配方案和常见的遗传算法(GA),基于任务复制思想分配方案和混合粒子群算法(HPSO)具有更好的求解能力,并且可以提供执行时间更少的调度分配方案,具有较好的应用价值.     

基于机器学习的异构感知多核调度方法

异构多核处理器已成为现代嵌入式系统的主流解决方案,而好的在线映射或调度方法对其充分发挥高性能和低功耗的优势起着至关重要的作用。针对异构多核处理系统上的应用程序动态映射和调度问题,提出一种基于机器学习、能快速准确评估程序性能和程序行为阶段变化的检测技术来有效确定重映射时机从而最大化系统性能的映射和调度解决方案。该方案一方面通过合理选择处理核和程序运行时的静态和动态特征来有效感知异构处理所带来的计算能力和工作负载运行行为的差异,从而能够构建更加准确的预测模型;另一方面通过引入阶段检测来尽可能减少在线映射计算的次数,从而能够提供更加高效的调度方案。最后,在SPLASH-2数据集上验证了所提出调度方案的有效性。实验结果表明,与Linux默认的完全公平调度（CFS）方法相比,所提出的方法在系统计算性能方面提高了52%,在CPU资源利用率上提高了9.4%。这表明所提方法在系统计算性能和CPU资源利用率方面具备优良的性能,可以有效提升异构多核系统的应用动态映射和调度效果。     

基于机器学习的异构感知多核调度方法

异构多核处理器已成为现代嵌入式系统的主流解决方案，而好的在线映射或调度方法对其充分发挥高性能和低功耗的优势起着至关重要的作用。针对异构多核处理系统上的应用程序动态映射和调度问题，提出一种基于机器学习、能快速准确评估程序性能和程序行为阶段变化的检测技术来有效确定重映射时机从而最大化系统性能的映射和调度解决方案。该方案一方面通过合理选择处理核和程序运行时的静态和动态特征来有效感知异构处理所带来的计算能力和工作负载运行行为的差异，从而能够构建更加准确的预测模型；另一方面通过引入阶段检测来尽可能减少在线映射计算的次数，从而能够提供更加高效的调度方案。最后，在SPLASH-2数据集上验证了所提出调度方案的有效性。实验结果表明，与Linux默认的完全公平调度（CFS）方法相比，所提出的方法在系统计算性能方面提高了52%，在CPU资源利用率上提高了9.4%。这表明所提方法在系统计算性能和CPU资源利用率方面具备优良的性能，可以有效提升异构多核系统的应用动态映射和调度效果。     

性能非对称多核处理器下异构感知调度技术

为了满足应用程序的多样化需求,异构多核处理器出现并逐渐进入市场,其中的处理核心（core）具有不同的微架构或者指令集架构（ISA）,为应用提供多样化特性支持,比如指令级并行（ILP）、内存级并行（MLP）,这些核心协同工作满足整个计算系统的优化目标,比如高性能、低功耗或者良好的能效.然而,目前主流的调度技术主要是针对传统同构处理器架构设计,没有考虑异构硬件能力的差异性.在异构多核处理器环境下,调度技术如何感知硬件的异构特性,为不同类型的应用程序提供更加合适和匹配的硬件资源,这是值得探索的问题.对近年来在该研究领域的成果进行了综述研究,特别是在性能非对称多核处理器架构下,异构调度技术面临的优化目标、分析模型、调度决策和算法评估等主要问题进行了分析和描述,并依次对相关技术进行了系统的总结,最后从软硬件融合的角度对今后的研究工作进行了展望.     

异构多核下兼顾应用公平性和能耗的调度方法研究

异构多核处理器通常由高性能的大核和低能耗的小核组成,在其上进行合理的线程调度可以有效地提高资源利用率,节省能耗。之前论文提出的大小核上的公平性调度并没有考虑核上有不同频率/电压状态的情况,而现在支持DVFS调节的处理器越来越普遍,因此很有必要将线程间公平度的计算进行扩展和改进。提出在每个核有若干种不同的DVFS状态时异构多核处理器上线程公平度的计算方法,对已有的性能预测模型进行改进,采用自适应算法调整模型中的系数,并在此基础上提出了一种调度策略,维持各线程之间的公平度和处理器功率满足提前设定的阈值,同时选取能效最优化的配置,实现减小应用运行能耗的目的。实验结果表明,与所提出的调度策略相比,采用static、DVFS-only、swap-only三种调度方法时,在总的运行时间几乎相同的情况下,平均要多产生20%以上能耗,对于有些应用甚至达到了50%。     

一种异构多核处理器启发式综合任务调度算法

针对现有异构多核处理器(CMP)任务调度算法中存在的优先级排序机制不健全、任务调度效率不高的问题,提出一种基于启发式的综合任务调度算法。该算法以表调度为基础,面向平台异构性和依赖任务特性,给出一种按照加权优先级构造任务调度列表的方式。在此基础上,采用多任务复制技术减少核间依赖任务的通信时延,提早任务的最早开始时间,并在任务分配阶段采取区间插入的方式将任务分配到合适的处理器内核上执行,以提高处理器资源利用率。设计模拟实验对该算法性能和已有的2个较为高效的启发式任务调度算法进行对比实验,结果证明该算法能有效提升任务调度性能。     

一种异构多核处理器嵌入式实时操作系统构架设计

由于异构多核处理器和多处理器系统及同构多核处理器的构架存在很大差别,应用于多处理器系统的分布式结构以及应用于同构多核系统的主从式结构操作系统不能解决异构多核处理器的实时调度和效率问题。对异构多核处理器的特点及发展趋势进行了研究,提出了一种适用异构多核处理器的多主模式实时操作系统构架。这种构架将通信总线中的多主模式引入多核操作系统构架中,采用对称式结构及组件模式设计操作系统模型,使多核处理器中每个内核都可以作为主核实现对资源、任务的实时管理,提高系统性能,同时可以解决主从式操作系统存在的由于处理器核增多而带来的主内核不能满足系统性能要求的瓶颈问题。通过这种单一构架模型可以进行灵活配置,以适应不同结构及功能要求的处理器内核,降低操作系统开发难度。     

基于多目标遗传算法的单指令集异构多核系统静态任务调度

与同构多核处理器相比,单指令集异构多核处理器能够更好的匹配程序行为的多样性,从而具有更好的性能功耗比.异构多核处理器的能效优势依赖于操作系统合理而有效的调度,追求性能与功耗的统一,是典型的多目标优化问题.提出将多目标优化遗传算法应用于寻找异构多核环境下最优的静态任务调度方案,提出表征任务相对顺序的染色体编码结构,使种群初始化时的有效个体所占比例变为100%.提出使用先序关系矩阵来确定任务的执行顺序,克服了高度值方法存在的严重不足.仿真结果表明,先序关系矩阵方法能扩大搜索范围,在种群规模足够大时,可以找到高度值方法漏掉的部分最优解.     

Cell异构多核处理器上流水并行优化技术*

针对如何发挥异构多核处理器的优势从而提高程序执行效率的问题,提出了Cell异构多核处理器上实现线程同步流水并行和迭代同步流水并行两种优化技术,该优化技术可以有效地提高非规则写和控制结构非规则的执行速度。通过在Cell处理器上对NAS benchmarks中的IS、EP、LU以及SPEC2001中的MOLDYN进行测试,结果表明该流水并行方案有效地改善了临界区和flush操作的执行效率,明显地提高了程序的执行速度。     

S-Bridge:性能非对称多核处理器下负载均衡代理机制

近年来,在移动计算环境中,异构多核处理器已经逐渐成为主流.与传统同构的处理器设计相比,此类异构多核处理器以更低的功耗成本满足设备的计算需求.但是异构环境下CPU核之间的微架构差异,也为操作系统中的一些基本方法提出了新的挑战.面向性能非对称异构多核环境下调度的负载均衡问题,从系统层面提出了一种负载均衡机制S-Bridge,可以减少处理器微架构差异以及任务执行需求差异对传统负载均衡带来的影响.S-Bridge的主要贡献是从系统层提供了通用的、适配异构性的负载均衡相关接口,使任意调度器都能方便地与异构多核处理器系统进行适配.基于CFS和HMP调度器在ARM平台上进行实验,同时在X86平台上进行S-Bridge通用性的验证,结果表明：S-Bridge可以支持不同真实平台和内核版本的快速实现,平均性能提升超过15%,部分情况下可达65%.     

异构处理器多操作系统协同技术研究

随着嵌入式设备应用场景日趋复杂的变化,异构多核架构逐渐成为嵌入式处理器的主流架构.目前,多核处理器主要采用的单操作系统模式在实际应用中存在诸多局限性.为了充分发挥异构处理器的多核特性,针对异构处理器不同核部署相应的操作系统并实现多操作系统协同处理技术至关重要.本文对异构多核处理器（ARM+DSP）操作系统进行了研究,在异构多核平台上成功移植了嵌入式Linux和国产DSP实时操作系统ReWorks;为实现ReWorks与Linux操作系统协同处理,本文对核间通信的关键技术进行分析研究,并以TI公司的AM5718为例,设计了一系列多核异构通信组件.经测试,本文设计的异构通信组件实现了在ARM上对DSP核进行ReWorks操作系统和应用程序的动态加载、Linux与ReWorks核间消息收发、以及Linux与ReWorks的协同计算等功能.     

基于多核处理器并发计算软件构架设计与实现

目前在诸多IT应用领域中,对处理器芯片的实时并发处理能力的要求越来越高,促使多核处理器芯片以及以多核处理器为核心的高性能应用系统迅猛发展.本文提出的基于异构多核处理器系统在高性能并发处理应用中的三层软件构架,充分利用了异构处理器的多核结构,为并发处理应用进行加速;同时,该构架大大简化了异构多核平台的应用开发编程.该软件构架的有效性在基于Cell处理器平台的面向电信应用的语音会议原型系统中得到了初步试验验证.     

异构多核处理器体系结构设计研究

多核技术成为当今处理器发展的重要方向,异构多核处理器由于可将不同类型的计算任务分配到不同类型的处理器核上并行处理,从而为不同需求的应用提供更加灵活、高效的处理机制而成为当今研究的热点.本文从体系结构的角度探讨了异构多核处理器设计中的关键点,从内核结构、互连方式、存储系统、操作系统支持、测试与验证、动态电压调节等方面分析...     

异构多核处理器的任务调度算法

在研究Min-min、Max-min算法和Sufferage算法基础上,针对异构多核处理器的特点,提出一种任务静态调度算法——自适应分段Sufferage算法（Adaptive Segmented Sufferage,ASS）。该算法以最早完成时间和负载均衡为目标进行任务分配,先将任务分配分成两个阶段：在第一个阶段以最少完成时间作为分配原则进行分配,选择单位时间内节省时间最多的任务先分配;在第二个阶段以负载均衡为分配原则进行分配,选择执行时间大的任务先分配。然后选取不同调节参数,对任务进行多次重新分配,以最小的最大完成时间为最后分配结果,实现自适应调节。通过实验验证,该算法在实现最少完成时间的前提下能很好地达到负载均衡。     

Large Scaling Unstructured Peer-to-Peer Networks with Heterogeneity-Aware Topology and Routing

Peer-to-peer (P2P) file sharing systems such as Gnutella have been widely acknowledged as the fastest-growing Internet applications ever. The P2P model has many potential advantages, including high flexibility and serverless management. However, these systems suffer from the well-known performance mismatch between the randomly constructed overlay network topology and the underlying IP-layer topology. This paper proposes to structure the P2P overlay topology using a heterogeneity-aware multitier topology to better balance the load at peers with heterogeneous capacities and to prevent low-capability nodes from throttling the performance of the system. An analytical model is developed to enable the construction and maintenance of heterogeneity-aware overlay topologies with good node connectivity and better load balance. We also develop an efficient routing scheme, called probabilistic selective routing, that further utilizes heterogeneity-awareness to enhance the routing performance. We evaluate our design through simulations. The results show that our multitier topologies alone can provide eight to 10 times improvement in the messaging cost, two to three orders of magnitude improvement in terms of load balancing, and seven to eight times lower topology construction and maintenance costs when compared to Gnutella's random power-law topology. Moreover, our heterogeneity-aware routing scheme provides further improvements on all evaluation metrics, when used with our heterogeneity-aware overlay topologies     

龙芯3号处理器多核虚拟化技术

MIPS 处理器是精简指令集（RISC）处理器中的一个重要代表,通常应用于嵌入式系统中.近年来,随着MIPS处理器性能的大幅度提升,其应用渐渐扩展到了高性能服务器领域.龙芯3号处理器是MIPS架构的典型代表.在目前的服务器研究领域中,多核技术是一项重要的技术指标,而虚拟化技术是另一项重要的技术指标.当前,虽然虚拟化技术得到了快速发展,但是龙芯3号处理器上的虚拟化技术却鲜有成果.基于龙芯3号处理器的多核虚拟化技术面临许多问题,虚拟多核架构结构复杂、核间通信方式难以模拟等都会为龙芯3号处理器上的多核虚拟化带来困难.分析了多核龙芯3号处理器的硬件结构以及物理多核的核间中断通信方式,在此基础上介绍了龙芯3号处理器上多核虚拟化关键技术.主要在多核处理器虚拟化总体架构设计、虚拟多核结构设计以及虚拟多核的核间通信方式等方面进行了讨论.实验的结果表明,在龙芯3号处理器上,该多核虚拟化方法具有良好的效果.