[发明专利]一种多核实时系统任务间加速因子的定义和测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多核实时系统中任务间加速因子的定义及测量方法，属于计算机任务调度领域。

背景技术

随着航空、箭载、星载技术的发展，与这些领域相关的嵌入式实时系统对计算能力的需求不断提高，实时计算系统日趋复杂，而系统需要同时处理的任务数、任务复杂度也大幅增长。多核处理器以其并行处理能力、高效率、高性能、相对低功耗等特性，已经逐渐被用于取代单核处理器、提高实时性能，成为处理这种复杂应用的有效解决手段。但由于多核处理器的结构更加复杂，随之引发了一系列基础性和一般性的问题亟待解决，其中一个很重要的就是在现有系统中面向单处理器的实时调度算法如何映射到多处理器环境中，即在多核环境中应采取怎样的实时调度算法，以保证计算的正确性和实时性的同时提高性能。

目前比较成熟的实时调度模型大多针对单核环境，比较经典的如RMS、DMS、EDF、LST等，其中RMS为固定优先级的静态实时调度算法，该算法将可达处理器利用率作为算法可调度的判定条件，然而，这个判定条件是充分不必要的；Buttazzo等人在RM算法的基础上提出了的弹簧调度算法，算法将任务序列类比为一串相联的弹簧，通过反复迭代不断地压缩任务执行时间，从而降低部分任务的CPU利用率，提高任务集的可调度性。但是弹簧调度算法并未提出一个可量化的弹性系数确定方法，因此难以实施。

近些年来针对多处理器的实时调度研究也得到了广泛的重视，成为学术界研究的热点问题之一。但是为固定优先级调度算法找到一个最优任务分配方案却是一个NP hard问题，在实践上需要利用一些启发条件来构造启发式调度算法，从而给出收敛较快的判定算法。目前多处理器任务调度目前主要有两种策略:划分方案和全局方案。在全局调度方案策略中，实时任务的每一次出现都在不同的处理器上执行，所有处理器上只运行同一种调度算法。任务在未执行完之前可以被抢占并且可以在不同的处理器间迁移。在划分调度方案中，一个任务的所有出现都在同一处理器上执行，全部任务由任务分配算法预先划分到处理器;每一个处理器可以运行不同或者相同的单处理器任务调度算法。

我们的实验证明，运行于同一计算系统的相关任务集中，任意两个任务之间存在不同程度的计算加速效应，这种加速效应在实际系统中可以是加速和减速，定量的加速效果可以通过具体的加速因子数值给出。针对一组确定的任务集，如果可以找到判断这种相关性的通用判定方法，进而根据加速因子的数值比较将任务划分到不同处理器核上，增加正加速因子比例，减少负加速因子比例，对于提高任务调度效率将很有帮助。

发明内容

本发明针对基于加速效应多核的实时调度模型，给出了实时任务集中并行任务间加速因子的定义，并提出了加速因子分析模型及测量方法。

首先说明加速效应。在多核计算环境下，非常容易出现“高速缓存竞争”现象。而多核处理器一般会采用高速缓存一致性协议来保证不同核心上缓存的同步。这种一致性的维护是以缓存行（Cache Line）为单位的，缓存行内的任何一个字节的修改都会导致整个缓存行在其它核上的备份失效（因为它们保存着该部分数据的旧值）。如果多个处理器核心频繁地对同一缓存行进行修改，带来的缓存同步的代价会非常大。而如果将具有数据共享的若干任务调度同一个处理器核上或共享Cache的处理器组上运行，就可以有效地减少Cache替换频率，提高Cache命中率，减少任务执行时间。即运行在同一计算系统中的相关任务集中，任意两个或多个任务在同一处理器或共享Cache的处理器组上上顺序执行时，彼此之间会由于数据的相关性而带来不同程度的加速效果，这种加速效果在实际系统中既可是加速也可以是减速，加速效果是由于任务之间数据相关性好，先执行的任务已经把后续任务所需的数据调入到高速缓存，从而减少了Cache不命中和替换的次数，使得执行速度加快；而减速效果可能是由于先后执行的任务之间数据相关性差，顺序执行时需要频繁地对Cache行写回、替换操作，从而使执行速度降低。对于如上所述的加速效果我们可以通过具体加速因子数值定量给出。

本发明中定义的加速因子并不局限于描述两个任务之间的加速效果，而是用于表述n个任务（n≥2）之间的加速效应，定量描述这n个任务按一定顺序执行时的加速效果，称之为复杂加速因子。

复杂加速因子的定义为：