多核系统下吞吐量与延迟敏感的并行流水调度能耗最小化问题研究

摘要

嵌入式系统功能越来越强大，性能也大幅度提高，系统能耗越来越高，系统散热问题越来越突出。能耗问题已经成为制约嵌入式系统发展的瓶颈。因此，嵌入式系统的节能调度已经成为嵌入式领域一个非常重要的研究课题。
　　在多核架构中，对流应用采取并行流水调度已越发有效并广泛流行于现有的各类系统中，如媒体和图像处理系统等。流应用通常计算密集，对能量要求很高，他们运行在能源有限的系统中时会引发很多问题，因此节能研究将显得尤为重要。
　　本文主要研究支持片内DVS(Dynamic Voltage Scaling)技术的多核处理器平台中的流应用的并行流水调度节能问题。流应用被建模为一个加权有向无环图结构的任务图。一个流应用通过静态的并行流水调度策略并以基于流应用的有向无环图的结构被分配到多核系统中。现有的DVS技术相关研究大多基于连续的频率调节模型，然而这并不适用于实际系统。因此，本文研究的能耗模型为离散频率调节模型。本文的目标是在保证吞吐量和延迟等服务质量要求下，确定最优化的频率分配使流应用的能耗最小化。
　　本文针对支持受限缩放技术的处理器模型，提出了2种不同的启发式频率设定算法:PPS算法和PPC算法。PPS算法使所有任务初始频率设定为最高值，然后逐渐寻找到任务降低频率时使单位时间内降低的能耗最多的任务，降低其频率即抻长其执行时间，直到所有任务均不能再抻长为止。PPC算法使所有任务初始频率设定为最低值，然后逐渐增加各任务频率即缩短任务执行时间，至所有任务满足吞吐量约束为止，然后逐渐寻找到任务增加频率时使单位时间内增加的能耗最少的任务，缩短其执行时间，直到所有任务的执行时间满足延迟的约束为止。然后将其扩展到支持任意缩放技术的处理器模型中，并将并行流水模型合理分段，基于分段并行流水模型提出了2种不同的启发式频率设定算法:PPSS算法和PPSC算法。通过模拟实验表明，本文提出的算法节能效果显著，PPSS算法和PPSC算法效果比PPS算法和PPC算法更好。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 课题背景

1．2 研究目的和意义

1．3 研究现状及问题

1．4 本文工作

1．5 论文组织结构

第2章 相关工作

2．1 嵌入式实时系统简介

2．2 系统能耗

2．3 能耗原理及节能技术概述

2．3．1 CMOS集成电路的功耗

2．3．2 动态能耗与静态能耗

2．3．3 DVS技术简介

2．3．4 节能调度与传统实时调度的区别

2．4 多核架构下的并行流水任务节能算法相关研究

2．4．1 多核处理器模型

2．4．2 基于多核的节能调度

2．4．3 并行任务分析及调度策略

2．4．4 流应用程序相关研究

2．5 本章小结

第3章 系统模型

3．1 处理器模型

3．2 流应用模型

3．3 并行流水模型

3．4 能耗模型

3．5 问题描述

3．6 本章小结

第4章 多核并行流水调度节能算法

4．1 基础模型节能算法

4．1．1 并行模型频率设定算法

4．1．2 流水模型频率设定算法

4．2 支持受限缩放技术的并行流水调度节能算法

4．2．1 并行流水抻长算法(PPS)

4．2．2 并行流水缩短算法(PPC)

4．3 支持任意缩放技术的并行流水调度节能算法

4．3．1 分段并行流水模型

4．3．2 分段并行流水抻长算法(PPSS)

4．3．3 分段并行流水缩短算法(PPSC)

4．4 本章小结

第5章 实验结果和分析

5．1 模拟实验设计

5．1．1 参数配置

5．1．2 开发环境

5．2 实验结果与分析

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

科研项目和论文发表情况