【摘要】：由于單個處理器芯片上的晶體管數(shù)目隨著集成電路制造工藝的提升不斷增長，處理器的功耗、散熱以及設(shè)計復(fù)雜度問題越來越顯著，變得不可忽視。在撰寫本論文時，單個處理器上的晶體管集成度已經(jīng)達到十億級的高度。傳統(tǒng)的通過挖掘處理器的時鐘頻率提高處理器性能的方法已經(jīng)走到了盡頭。微體系結(jié)構(gòu)研究人員一直在尋找提高處理器性能而不會帶來過多功耗以及設(shè)計復(fù)雜度的方法。最終，多核處理器（又稱單芯片多處理器）微體系結(jié)構(gòu)由于具有高性能、低功耗的優(yōu)點被當作傳統(tǒng)單核處理器的替代品而提出。 然而，多核處理器這種微體系結(jié)構(gòu)也并非完美無缺。它在解決硬件功耗和復(fù)雜度問題的同時，也給相關(guān)的軟硬件研究領(lǐng)域帶來了一系列的挑戰(zhàn)。在所有的這些挑戰(zhàn)當中，針對多核處理器微體系結(jié)構(gòu)如何進行操作系統(tǒng)調(diào)度設(shè)計無疑是非常關(guān)鍵的問題之一，因為操作系統(tǒng)調(diào)度是決定這些多核處理器如何被充分有效利用的一個十分重要的因素。因此，針對多核處理器的調(diào)度設(shè)計已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注，成為產(chǎn)業(yè)界和學術(shù)界的熱門課題。 面向多核處理器的調(diào)度這一領(lǐng)域當中需要解決的課題非常多，在本文中作者僅對其中的一些問題著重進行了研究和探討。具體來說，本文主要探討了性能異構(gòu)多核微體系架構(gòu)和典型同構(gòu)多核微體系架構(gòu)這兩種體系結(jié)構(gòu)上的調(diào)度問題，，并且分別針對提高吞吐量的服務(wù)器計算領(lǐng)域以及提高實時性的實時領(lǐng)域進行了研究。所取得的主要研究成果主要有以下幾個方面。 首先，針對性能異構(gòu)多核系統(tǒng)提出一個新的性能衡量機制，稱之為ASTPI（average stall time per instruction，單指令平均停駐時間）。性能異構(gòu)多核處理器由于相對同構(gòu)處理器具有更高的能效比而為業(yè)界所熟知。但是，性能異構(gòu)多核處理器的高能效比是建立在準確高效的調(diào)度之上的。只有結(jié)合任務(wù)的需求和處理器核的性能進行調(diào)度才能實現(xiàn)性能異構(gòu)處理器的充分利用�，F(xiàn)有的方法根據(jù)任務(wù)在不同核上取得的IPC （instructions per cycle，每周期指令數(shù)）之比衡量任務(wù)的計算特性。這意味著為了衡量任務(wù)的計算特性，待調(diào)度任務(wù)需要在每一種處理器核類型上試運行一段時間以獲取其執(zhí)行速率。而本文提出的這種方法并不需要待調(diào)度任務(wù)在所有的處理器核上執(zhí)行，在任意一個處理器核上執(zhí)行就可以獲得該任務(wù)的單指令平均停駐時間。 其次，本文形式化地證明了任務(wù)的ASTPI值與它的性能特性成反比。也就是說，一個任務(wù)的ASTPI值越大那么這個任務(wù)的計算需求越小，反過來它的ASTPI值越小則它的計算需求越大。 再次，本文還為性能異構(gòu)多核處理器提出一個異構(gòu)高速緩存共享模型。通過實驗發(fā)現(xiàn)對于超過一個LLC（last level cache，最后一級緩存）的性能異構(gòu)多核處理器，性能異構(gòu)的核共享LLC的模式要比性能同構(gòu)的核共享LLC的模式能帶來更大的性能提升。 另外，為了解決現(xiàn)有的性能異構(gòu)多核處理器調(diào)度算法在調(diào)度之前都需要同步所有任務(wù)的限制，本文提出了一個自適應(yīng)調(diào)度算法（稱之為AS4HMS）。為了給性能最高的處理器核上分配最合適的任務(wù)，所有的任務(wù)都需要先獲取它們的計算特性，然后比較它們的計算特性得出計算特性最高的任務(wù)�，F(xiàn)有的算法采用一種全局方法，很容易成為性能瓶頸，并且要求任務(wù)必須同步并且同時到達。與現(xiàn)有方法不同的是，AS4HMS采用一種局部機制比較任務(wù)的計算需求，克服了現(xiàn)有方法的不足。 最后，提出了一個輕量多核實時調(diào)度算法（稱之為PSEKG）。PSEKG在現(xiàn)有EKG算法的基礎(chǔ)上引入一個周期敏感機制。與EKG相比, PSEKG在不降低利用率界限的基礎(chǔ)上,大大減少了調(diào)度次數(shù)、任務(wù)的切換次數(shù)和遷移次數(shù)。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TP332

【共引文獻】

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本文編號：2544421