【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。40 任務(wù)初始分配 40 動(dòng)態(tài)任務(wù)調(diào)度算 法 42 本章小結(jié) 44 第 5 章 性能測(cè)試與分析 46 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建 46 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 46 測(cè)試用例 47 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 47 性能分析 48 本章小結(jié) 50 結(jié) 論 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 參考文獻(xiàn) 54 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和取得的科研成 果 58 致 謝 60 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 研究背景和意義 今年來(lái)， 隨著計(jì)算機(jī)處理的信息量越來(lái)越大，計(jì)算機(jī)性能成為用戶(hù)選擇產(chǎn)品考慮的重要因素 [1]。處理器對(duì)計(jì)算機(jī)性能發(fā)揮起著決定性的作用， 對(duì)于單核處理器來(lái)說(shuō)，提高性能的主要途徑是優(yōu)化邏輯結(jié)構(gòu)、擴(kuò)大緩存以及提高芯片頻率。但是芯片的邏輯結(jié)構(gòu)一般有 5 年的生命周期，一旦設(shè)計(jì)穩(wěn)定就很難從根本上對(duì)其做出改變，提高緩存容量雖然能夠小幅度的提高性能，但付出的代價(jià)相當(dāng)高，同樣提高工作頻率能夠一定程度上提高芯片性能，但會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行功耗大增，現(xiàn)在芯片運(yùn)行在風(fēng)冷條件之下已經(jīng)接近極限 [2]。 多核處理器 的出現(xiàn)就很好的解決了硬件系統(tǒng)性能提升的瓶頸問(wèn)題。所謂 多核處理器就是 通過(guò) 在同一個(gè)芯片上 增加頻率較低的處理器核數(shù)目，實(shí)現(xiàn)真正意義上的線程并行達(dá)到提高性能的目的 [3]。 多核 處 理器作為單枚芯片能夠直接插入單一的處理器插槽中，操作系統(tǒng)會(huì)將其 每個(gè)執(zhí)行內(nèi)核作為獨(dú)立的邏輯 處理器進(jìn)行運(yùn)行。多核處理器能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的并行度和執(zhí)行效率， 主要有 3 個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn) [4]。首先由于集成了多個(gè)處理器核心，使得整個(gè)處理器可以同時(shí)執(zhí)行的任務(wù)數(shù)是單處理器的數(shù)倍，這極大地提高了處理器的并行性能和運(yùn)算能力。其次，由于多個(gè)核都集成到了片內(nèi)，核間的連線大大縮短，這就使得核間通信延遲降低，通信效率得到提高，數(shù)據(jù)傳輸帶寬也大大增強(qiáng)。第三，由于多個(gè)核可以共享資源，因此這就提高了資源的利用率，而且也降低了器件的功耗。最后， 多核的結(jié)構(gòu)可以被設(shè)計(jì)成易于擴(kuò)展的模式，這為以后的發(fā)展提供了便利。所有的這些優(yōu)勢(shì)使得多核處理器不可避免的取代單核成為未來(lái)發(fā)展的主流和方向。 在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字信息技術(shù)高速發(fā)展的后時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越普及，已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ?、工程設(shè)計(jì)、科學(xué)研究、產(chǎn)業(yè)和商業(yè)、軍事技術(shù)、娛樂(lè)業(yè)、文化藝術(shù)等各領(lǐng)域中 [5]。隨著國(guó)內(nèi)外嵌入式產(chǎn)品，如 PDA、機(jī)頂盒、車(chē)載電腦等進(jìn)一步設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和推廣，嵌入式技術(shù)越來(lái)越和人們的生活緊密結(jié)合。從家用電子產(chǎn)品如電冰箱、微波爐和洗衣機(jī)，到辦公用品如打印機(jī)、傳真機(jī)和遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)，到各種交通 工具如摩托車(chē)、輪船、汽車(chē)和飛機(jī)等等，都或多或少地使用了嵌入式技術(shù)。 實(shí)時(shí)多處理器 系統(tǒng) （ RealTime Executive for Multiprocessor Systems， RTEMS） ，由美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，用于國(guó)防部的導(dǎo)彈控制系統(tǒng) [6]。 RTEMS 操作系統(tǒng)是一款非常優(yōu)秀的嵌入式實(shí)時(shí) 操作系統(tǒng)，其不但實(shí)時(shí)性高、內(nèi)核可裁剪、易于開(kāi) 發(fā)、具有良好的可移植性和可重用性 。 哈爾濱工程大學(xué)碩士 學(xué)位 論文 2 那么基于單核版本的 RTEMS 能不能對(duì) 多核處理器， 尤其是 在多核間的同步互斥通信和 調(diào)度機(jī)制方面提供高效的管理機(jī)制呢，答案是 否定的。多核處理器改變了傳統(tǒng)的（ 單機(jī)版）多任務(wù)、基于優(yōu)先權(quán)的編程模式 [7]，這體現(xiàn)在 多核處理器 允許多個(gè)線程被并行執(zhí)行，而這是建立在單個(gè)操作系統(tǒng)運(yùn)行于擁有多個(gè)核的處理器，或運(yùn)行于多個(gè)處理器相互連接成為擁有多個(gè)處理單元的邏輯處理器背景上的。我們常說(shuō)在某個(gè) 單核的多任務(wù)環(huán)境中，多個(gè)線程可以“同時(shí)運(yùn)行”， 可實(shí)際上處理器一次只能執(zhí)行一個(gè)線程 —— 處理器依靠操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度器以及中斷機(jī)制來(lái)運(yùn)行不同的線程。由于這一差異，除非在代碼的設(shè)計(jì)和執(zhí)行即將 多核處理器 系統(tǒng)作為立足點(diǎn)，否則從傳統(tǒng)的多任務(wù)系統(tǒng)向 多核處理器 系統(tǒng)轉(zhuǎn)移代碼是行不通 的。 因此 單核版本的 RTEMS 不能 直接 應(yīng)用于 多核處理器的硬件平臺(tái)上。另外由于 由于支持 SMP 架構(gòu)的操作系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)、易于負(fù)載平衡、具有高性能功耗比 [8]，因此探討 支持 SMP RTEMS 操作 系統(tǒng) 的實(shí)現(xiàn) 機(jī)制 具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著多核處理器的發(fā)展，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了相應(yīng)的多核操作系統(tǒng)。目前主流的 支持多核處理器的 操作系統(tǒng)有 ： VxWorks， Linux 和 RTEMS。 VxWorks 操作系統(tǒng)于 1983 年由美國(guó)溫瑞爾（ WindRiver）公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，是一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RTOS） [9]。由于 VxWorks 支持多種嵌入式處理器核控制器和目前主流的 CPU，并且在安全可靠性、實(shí)時(shí)性和內(nèi)核移植性等方面表現(xiàn)非常出色，得到業(yè)界人士的青睞。 在 2021 年該公司推出了 VxWorks SMP 用于支持 SMP 嵌入式硬件平臺(tái)，使得嵌入式系統(tǒng)真正的進(jìn)入了多核時(shí)代。但是 VxWorks 是商用嵌入式操作系統(tǒng)，需要購(gòu)買(mǎi) Licence 才能使用。 Linux從 版本開(kāi)始對(duì)內(nèi)核進(jìn)行了比較大的修改以支持對(duì)稱(chēng)多處理器的并行調(diào)度，一直到 版本，其中主要在初始化和啟動(dòng)、內(nèi)核的通信、任務(wù)調(diào)度算法、中斷處理和同步以及為支持并行所進(jìn)行的相應(yīng) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的修改 [10]。 版本已經(jīng)能很好地支持對(duì)稱(chēng)多處理器的要求 。 在 該 版本中，采用了時(shí)間復(fù)雜度為 o(1)的任務(wù)調(diào)度算法 [11]。系統(tǒng)為每個(gè)處理器提供 2 個(gè)任務(wù)隊(duì)列，一個(gè)是過(guò)期的任務(wù)隊(duì)列，一個(gè)是活動(dòng)的任務(wù)隊(duì)列，每個(gè)任務(wù)隊(duì)列都有 140 個(gè)優(yōu)先級(jí)。任務(wù)按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，時(shí)間片結(jié)束后任務(wù)由活動(dòng)的任務(wù)隊(duì)列進(jìn)入過(guò)期的任務(wù)隊(duì)列，每過(guò)一段時(shí)間，系統(tǒng)執(zhí)行一次負(fù)載均衡調(diào)度，重新分配任務(wù)負(fù)載。最新的 與單處理器系統(tǒng)的主要差別是執(zhí)行任務(wù)切換后，被換下的任務(wù)有可能會(huì)換到其他 CPU 上繼續(xù)運(yùn)行。在計(jì)算優(yōu)先權(quán)時(shí)，如 果任務(wù)上次運(yùn)行的 CPU 也是當(dāng)前 CPU，則會(huì)適當(dāng)提高優(yōu)先權(quán)，這樣可以更有效地利用 Cache 緩存。 為實(shí)現(xiàn)多核間第 1 章 緒論 3 的正常通信， Linux 采取自旋鎖機(jī)制保證對(duì)共享資源的互斥訪問(wèn) [12]。目前， Linux 對(duì) SMP支持的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，這為本文的研究提供了指導(dǎo)和依據(jù)。 RTEMS 是一個(gè)開(kāi)源的無(wú)版稅實(shí)時(shí)嵌入操作系統(tǒng) RTOS。它最早用于美國(guó)國(guó)防系統(tǒng)，早期的名稱(chēng)為實(shí)時(shí)導(dǎo)彈系統(tǒng)（ Real Time Executive for Missile Systems），后來(lái)改名為實(shí)時(shí)軍用系統(tǒng)（ Real Time Executive for Military Systems），現(xiàn)在由 OAR 公司負(fù)責(zé)版本的升級(jí)與維護(hù)。目前無(wú)論是航空航天、軍工，還是民用領(lǐng)域 RTEMS 都有著極為廣泛的應(yīng)用。同大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)一樣， RTEMS 采用微內(nèi)核設(shè)計(jì)思想，將內(nèi)核主要功能集成在一個(gè)小的執(zhí)行體中，附加的功能在包裹內(nèi) 核層的外層實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)配置，裁剪、鏈接相應(yīng)的資源 [13]。 另外 RTEMS 提供了大量的資源管理接口，很大程度上加速了應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。 RTEMS 提供簡(jiǎn)單和靈活的實(shí)時(shí)多處理器功能。 RTEMS 的內(nèi)核既適用于緊耦合，又適用于松耦合目標(biāo)系統(tǒng)硬件 的配置。此外， RTEMS 還支持由同構(gòu)和異構(gòu)混合的處理器組成的系統(tǒng)。雖然 RTEMS 提出了對(duì)多處理器進(jìn)行支持的設(shè)計(jì)思路并對(duì)多處理器支持層的接口進(jìn)行了定義，但是具體到某個(gè)系統(tǒng)，因?yàn)樯婕暗较到y(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，多處理器通信層的實(shí)現(xiàn)需要根據(jù)實(shí)際的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì) [14]。 在對(duì)支持多核的操作系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)中，多核的任務(wù)分配是首要解決的問(wèn)題，是提高系統(tǒng)性能的重要途徑 [15]。國(guó)內(nèi)外很多組織都對(duì)其進(jìn)行了深入的探討。 2021 年 1 月美國(guó)休斯頓大學(xué)的 Wancy 和 Betti 提出了分層調(diào)度的子任務(wù)排隊(duì)算法，并在模擬器上對(duì)其進(jìn)行了大量 的數(shù)據(jù)驗(yàn)證 [16]。 2021 年 4 月英國(guó)劍橋大學(xué)的 和 提出了基于本地就緒隊(duì)列的 SMP 調(diào)度算法，通過(guò)在 SMP 平臺(tái)上驗(yàn)證得出結(jié)論：任務(wù)上下文切換頻率的高低與子任務(wù)排隊(duì)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)性能的影響成正比 [17]。 西安科技大學(xué)在 SMP 調(diào)度算法方面就做了非常多的嘗試，提出了基于并行遺傳算法的對(duì)稱(chēng)多處理器任務(wù)調(diào)度策略的研究，指出 CPU 親和力繼承是解決子任務(wù)歸屬的最好問(wèn)題 [18]。中國(guó)航空計(jì)算技術(shù)研究所 2021 年提出了一種基于實(shí)時(shí)性考慮的對(duì)稱(chēng)多處理器任務(wù)調(diào)度策略的設(shè)計(jì)，從而彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)對(duì)于 SM