多核处理器共享资源管理技术研究

现代多核处理器结构的设计使得集成在同一块芯片上的多个执行核共享各种硬件资源,如片上最后一级Cache、内存控制器、前端总线以及硬件预取单元等,而多线程的并行执行导致核与核之间其享资源的争用,造成系统整体性能的下降,如何有效地解决多核共享资源冲突来提升系统的整体性能以及应用程序的服务质量成为当今研究的热点.文章首先概要介...     

面向WCET分析的实时多核体系结构研究

随着工艺技术的发展以及嵌入式实时应用范围的不断扩大和需求的不断提升,多核处理器必将凭其高性能和低功耗特性应用到嵌入式实时领域中。但是,多核处理器体系结构很难甚至无法满足实时系统的实时限制和对WCET的可预测性要求。从多核中的共享资源入手,分析多核中的片上共享资源（共享Cache、片上互连）和片外共享资源（片外存储）对WCET分析的影响,探讨了各种干扰下的WCET分析方法。介绍了两种多核WCET分析模型：多核静态WCET分析模型和多核混合WCET分析模型;同时,针对嵌入式实时应用提出了多核设计原则。     

基于WCET的多核共享资源冲突分析与约束研究

随着片上多核处理器在嵌入式实时系统中的应用,片上共享资源给任务的WCET分析带来诸多挑战,使得对多核共享资源冲突问题的研究变得非常重要。依据研究的目标,可以把目前已有的研究分为面向共享资源冲突分析和面向共享资源冲突约束两大类。对于面向共享资源冲突分析问题,探讨了不同共享资源冲突产生的原因,概括和比较了典型的冲突分析方法的优势和局限性;对于面向共享资源冲突约束问题,给出了其主要的研究内容,并评述和分析了几种主流的冲突约束方法。最后针对目前的研究状况指出了一些研究方向。     

多核系统中基于Global EDF 的在线节能实时调度算法

随着多核系统能耗问题日益突出,在满足时间约束条件下降低系统能耗成为多核实时节能调度研究中亟待解决的问题之一.现有研究成果基于事先已知实时任务属性的假设,而实际应用中,只有当任务到达之后才能够获得其属性.为此,针对一般任务模型,不基于任何先验知识提出一种多核系统中基于Global EDF在线节能硬实时任务调度算法,通过引入速度调节因子,利用松弛时间,结合动态功耗管理和动态电压/频率调节技术,降低多核系统中任务的执行速度,达到实时约束与能耗节余之间的合理折衷.所提出的算法仅在上下文切换和任务完成时进行动态电压/频率调节,计算复杂度小,易于在实时操作系统中实现.实验结果表明,该算法适用于不同类型的片上动态电压/频率调节技术,节能效果始终优于Global EDF算法,最多可节能15％～20％,最少可节能5％～10％.     

云计算环境下多DAG调度的资源分配进化算法

现有多DAG调度研究主要在多个DAG共享资源调度的时间最小化、公平性最大化、吞吐量最大化等问题方面提出了相关的解决方案,然而,现有的方法还不能很好地解决云计算环境下多DAG共享资源调度的资源分配优化问题.为此,首先分析讨论了一组多DAG共享云计算资源调度中的多DAG数量、属性结构分布特点与资源需求量之间的关系,并在此基础上提出了基于资源需求强度预测变异方法的进化算法EFRD,有效地解决了云计算环境下多DAG共享资源调度的资源分配优化问题,既保证了多DAG的调度执行时间最小化,也避免了资源的浪费.实验表明,EFRD算法能够有效地收敛到最优解.     

多核系统共享内存资源分配和管理研究

对于共享内存资源的多核系统来说,分配和管理有限的内存资源是一个非常重要且具有挑战性的问题.随着处理器核数的快速增长,不同线程间的访存请求对系统中共享内存的竞争也愈发激烈,由此导致的对系统性能和系统公平性的影响也更加显著.为了缓解这一问题,除了增加可用共享资源外,公平高效地管理和利用共享内存资源至关重要.在各类共享资源中,对系统性能影响最大的是共享Cache和DRAM.文中将这两级共享内存资源的分配和管理研究归结为三个重要方面,包括共享缓存分区、访存请求调度以及地址映射优化,并从优化系统吞吐率和公平性方面分析总结了一系列共享缓存分区策略,从缓解多线程对DRAM的竞争和相互干扰方面分析概括了一系列访存调度算法和地址映射策略.最后对共享内存资源未来的研究和发展做了总结和展望.     

实时多核嵌入式系统研究综述

随着计算机系统与物理世界的结合越来越紧密,实时系统需要承担越来越复杂的运算任务.多核处理器的兴起为同时满足实时性约束和高性能这两方面的需求提供了可能.基于多核处理器的实时嵌入式系统的研究已成为近几年研究的热点.对现有的面向实时多核嵌入式系统的研究工作进行了综述,介绍了实时多核嵌入式系统的关键设计问题,从多核共享资源干扰及管理、多核实时调度、多核实时程序并行化、多核虚拟化技术、多核能耗管理和优化等几个方面对现有研究工作进行了分析和总结,并展望了实时多核系统领域进一步的研究方向.     

多核多线程结构线程调度策略研究

片上多核多线程（CMT）结构兼具了片上多处理（CMP）和同时多线程（sMT）结构的优势，支持片上所有处于执行状态的线程每周期并行执行，导致核内与核间硬件资源共享和争用问题。该文在阐述CMT结构的资源共享特征并简要介绍SMT线程调度发展状况的基础上，主要围绕以减少资源争用为目标的线程调度策略和资源划分机制等热点，分析其研究现状，论述已有策略在处理这些问题上的优缺点，并探讨了可能的研究发展方向。     

一个支持访存带宽敏感调度的跨执行优化方法

片外访存带宽是共享存储多核系统的主要性能瓶颈.访存带宽敏感的任务调度可以有效缓解并发程序间的访存竞争,提高系统吞吐率.然而调度策略的实施需要关于程序执行的先验知识,给系统用户增加了额外负担;另一方面,并发程序间的带宽竞争使得运行时收集的程序带宽需求信息不精确,影响了调度效果.在该文中,作者提出了一个低开销、对用户透明的跨执行优化方法解决上述问题.它在运行时识别程序的阶段性(phase)行为,并估算每个phase的独占执行性能;上述信息被存储到数据库中,在程序未来的执行中指导调度,并且信息精度随着程序的多次执行持续增加.上述过程使得带宽敏感调度策略的进行不再需要任何用户信息制导,并且优化了调度效果.作者在基于Intel Xeon处理器的8核系统上实现并评估了该系统,测试结果表明:相对于Linux操作系统(OS)默认的调度策略,该文的方法能平均提高系统吞吐率3.7%,对于某些特定程序组达8.5%.     

一种面向非对称多核处理器的虚拟机集成调度算法

在计算机体系结构领域,非对称多核处理器将成为未来的主流.对于非对称多核处理器上的虚拟处理器调度问题,现有研究缺乏理论分析,且没有考虑虚拟处理器的同步特性.针对该问题,文中首先建立非线性规划模型,分析得出全面考虑虚拟处理器同步特性、核心非对称性以及核心负载的调度原则.然后,基于调度原则提出一个集成调度算法,该算法定义了效用因子、比例系数、比例资源的概念,结合虚拟处理器的同步特性和核心的非对称性对资源和负载进行全面度量;同时通过运行队列分解降低调度开销.提出的算法是第一个在非对称多核处理器上利用虚拟处理器同步特性的调度算法.实际平台上的实验表明:该算法实现了公平调度,并且性能比其他同类算法提高19%~48%.     

片上多核Cache资源管理机制研究

随着片上多核成为处理器发展的主流和片上Cache资源的持续增长,Cache资源的管理已成为片上多核的关键问题。介绍了片上多核Cache资源管理的研究进展,依据研究内容将Cache资源的管理分为Cache划分和Cache共享两类。对Cache划分,探讨了其主要组成部分和一般形式,分析和比较了典型的片上多核Cache划分机制。对Cache共享,给出了其主要研究内容,并介绍和比较了几种主流的片上多核Cache共享机制。通过分析,认为软硬件协同管理的页划分应是未来片上多核Cache划分机制的研究重点;而片上多核Cache共享机制的研究则应从目标应用的Cache行为特征着手。     

混合关键性多核系统调度综述

混合关键性多核系统调度主要考虑划分任务到每个核和任务在核上的调度两个大方面,以满足嵌入式系统安全性和可靠性的需求.由于嵌入式系统在硬件等多方面的约束,混合关键性得到了学术界和企业界的广泛关注,在提高任务调度率和多核系统资源利用率方面展开了许多研究.而不同的任务调度方法和划分方法对提高利用率方面有不同的结果,为此从改善低关键任务的调度、提高每个核的资源利用率、任务执行时的干扰、多核的划分策略等方面,对近年来的混合关键性任务调度进行了详细的分析和总结,并指出了当前研究的不足和未来的研究方向.     

Windows操作系统多核CPU内核线程管理方法

Windows是采用CPU时间片轮转多任务分配机制的非实时操作系统,无法满足实时性要求比较高的任务需要。而随着CPU技术的快速发展,当前市场上双核甚至多核CPU已成为主流,这使得在Windows平台上用多核CPU的某些核独立执行任务,从而有效地提高软件的实时性成为可能。本文介绍一种在Windows内核模式下编写Windows驱动程序,有效分配多核CPU资源从而提高软件实时性的方法。     

基于线程流水线的多核线程调度策略

针对多核环境中操作系统的线程调度问题,提出一种基于线程流水线的线程调度策略。基于片上多线程处理器,借鉴流水线技术的并行优势,引入线程流水线的概念。通过确定线程特征指标,计算线程流水线的聚合度及对应线程的吻合度,从而完成线程调度,并在此基础上对其进行嵌入式方向的优化。模拟真实环境的实验结果表明,与基于静态优先级的调度策略相比,该策略消耗时间较少。     

基于混合粒子群优化的CMP线程调度方法

为提高片上多核处理器(CMP)架构中线程调度的执行效率,发挥CMP的并行性能,提出一种基于混合粒子群优化算法的线程调度方法.根据设计的线程调度模型,利用有向无环图表述线程及线程间的相互依赖关系,并采用改进的混合粒子群算法对其进行合理调度.实验结果表明,该方法的执行效率优于现有的遗传算法,能有效地降低任务的执行时间,充分发挥多核架构的优势.     

片上多核处理器共享资源分配与调度策略研究综述

对于片上多核处理器,如何在多线程间公平有效地分配调度有限的共享资源是一个很重要的问题.随着处理器核规模的增长,多线程对于系统中有限的共享资源的争夺将愈发激烈,由此导致的对于系统性能的影响也将更加显著.为了缓解乃至解决这一问题,除了增加可用共享资源外,一个能够公平有效地在多线程间分配共享资源的调度算法也至关重要.在各类共享资源中,对于系统性能有着最大影响的是共享缓存和动态随机存储器(dynamic random-access memory,DRAM)系统.对于共享缓存,可以通过缓存分区来降低由于线程间的争夺所带来的影响;对于DRAM系统,可以采取适当的调度算法来调节各个线程发出的访存请求的服务优先级,从而改善系统性能.首先分别以系统吞吐量和公平性为优化目标介绍了一系列对共享缓存的分区调度算法,并针对缓存分区粒度过大的问题给出了相关解决方案.然后从利用线程的访存行为特征和借鉴网络路由算法等多个角度介绍了DRAM的调度算法.研究了从全局出发的联合调度算法,以解决针对不同共享资源的调度算法间相互矛盾的问题,最后从不同角度对于今后的研究进行了展望.     

基于多核的多线程程序优化研究

随着主流芯片厂商的大力推广,多核处理器已经变得越来越普及.以往串行化的程序设计方法在多核环境下已经不能充分利用多核CPU的资源.怎样高效地利用多核处理器的计算性能,已经成为软件开发者面临的新的课题.文中在传统的多线程编程基础上,根据Intel处理器的微架构(Microarchitecture)特点,以及Linux内核提供的CPU绑定技术,通过采用Cache优化和CPU亲和力(CPU affinity)优化,消除了多核环境下局部多线程Cache行竞争和伪共享,减少了线程的调度开销,提高了多线程程序的运行效率.     

一种用于异构环境中并行任务调度的弹性节能算法

节能调度算法设计是高性能计算领域中的一个研究热点。本文通过软件方法设计异构多核计算机的调度算法,实现系统的弹性节能,达到降低能耗并提升系统性能的目的。本文的调度策略建立在基于处理器异构的并行任务调度的环境中,构建了节能模型,提出了EAPS（Energy-aware parallel scheduling）算法模型,该算法在每一任务完成之后重新计算优先级以使优先级符合任务的实时情况,并对复制的前驱任务是否冗余任务进行判断从而避免资源的浪费,并通过调节节点电压选择能耗最少的节点进行调度,在节能与期望完成时间之间取得平衡。     

基于π网的片上多核系统任务调度算法研究

为提高片上多核系统在任务调度方面的效率,基于先进的pai网来研究其任务调度算法。在简单介绍π网之后,利用π网对片上多核系统的任务调度进行建模,并对模型进行动态演化、复杂度和子网划分等的分析,然后对模型进行实验和仿真。通过实验和仿真,得到本文的模型在调度成功率、平均调度时长和处理器核利用率等方面优于其他算法。     

一种共享资源敏感的实时任务分配算法

为提高多核实时系统分组固定优先级调度策略下的任务分配效率,该文对FIFO(First In First Out)自旋机制下任务阻塞时间,以及自旋等待造成的可调度性损失进行了定量分析,提出了一种新的任务相关度评价方法以衡量核间任务的相关性,并基于该方法提出了共享资源敏感的任务分配算法.该算法包含任务分组策略和任务组拆分策略.任务分组策略将存在共享资源冲突的任务划分为相关任务子集,尽可能将相关任务子集分配到同一核上,以避免核间任务相互阻塞造成可调度性损失;任务组拆分策略则根据任务相关度评价结果,对无法分配到同一核上的相关任务子集进行拆分,并将拆分出的任务分配到当前负载最轻的核上,以减小自旋造成的可调度性损失.实验结果表明,该算法任务集合接受率高于同类算法,而系统自旋损失低于同类算法.