[发明专利]三维调度器模型的调度方法

说明书

本发明公开了一种三维调度器模型的调度方法，对各种类型的实时任务的时间确定性、安全性、可靠性进行分析之后，将各类实时任务模型转换为统一的三维立体层次关系模型，再根据任务所在的层次进行调度策略的调整，最后将其映射到与核对应的二维时空图中。该策略不仅要考虑负载均衡以提升多核的并行执行效率而且要能满足任务执行过程中的实时性、可靠性和安全性需求。此外，该模型和算法还对各种实时任务的共享资源同步机制进行研究，研究出一种新的共享资源管理方案，以减少死锁的发生和防止出现CPU饥饿现象。

技术领域

本发明涉及嵌入式系统领域，具体涉及一种三维调度器模型的调度方法。

背景技术

自从2004年ARM公司与英国剑桥推出了世界上第一块嵌入式多核处理ARM11MPcore以来，片上多核处理器CMP(Chip Multi-Processors)凭借体积小、通信延迟低、设计和验证周期短、高频、低功耗以及低成本等特点很快就成为嵌入式应用领域强劲的驱动力。

目前，多核已经被广泛地应用到各种设备中，但软件的发展却远远落后于硬件的发展，尤其是在嵌入式系统中任务的调度和分解直接影响到系统软件的正常使用，当前支持多核的嵌入式操作系统都是针对单一类型的实时任务，要么只是考虑周期性执行的实时任务，要么只是考虑一次性执行的非周期实时任务。目前还没有针对多种混合类型的实时任务的研究。这种情况下的多核系统，要么会存在系统利用率不高，要么会存在系统安全性无法保障等问题。因此在当前多核芯片核数迅猛增长的情况下，如何尽快提高软件并行效率，加速实现多核计算在嵌入式系统中的应用是最为紧要的、迫切的问题。本项目紧跟多核计算研究的热点问题，研究嵌入式系统中多种类型的实时任务的调度、分解以及同步机制问题。这不仅可以提高系统效率，加速多核在嵌入式系统中的应用，而且也是符合当前国内国防、军事科技发展的需要。

然而多核处理器性能的提高主要来自于片上处理器核数的增加，其潜在并行性能的发挥将主要依赖于多核软件的发展。而当前的嵌入式软件大都是基于单核系统开发的，并且都以单一类型的实时任务(如周期任务或非周期任务)作为设计思想，执行过程是串行的。随着嵌入式系统处理的任务类型越来越复杂，采用原有类型的软件，无论在实时性、可靠性，还是在安全方面都存在很多问题。例如，在同一时刻不同种类的实时任务申请同一资源，由于原系统任务调度方案的唯一性，会导致因为按规则等待而超过了预期时间，无法满足任务实时性的要求，更无法保证安全关键任务的完成，从而降低系统的可靠性，造成重大事故的发生，导致无可挽回的损失。那么研究提高软件可靠性和安全性、有效降低软件错误出现概率、提出更为先进的调度方案和同步机制就成为嵌入式软件多核计算研究的焦点。

那么，在嵌入式多核平台下，如何使多种类型的串行任务划分为并行任务并映射到数量有限的核上去执行以提高系统整体性能；如何在任务并行执行条件下满足实时性、高可靠性以及高安全性的需求，都是有待解决的问题。例如在单核系统中，优先级抢占调度是一种常见的实时任务调度策略，但在多核系统中，低优先级任务会与高优先级任务同时在不同的核上执行，很有可能导致低优先级的任务先执行完而高优先级任务未能满足实时性需求。而一旦混合关键任务出现这种情况，则高可靠性和高安全性都不能得到保障。其次，对于共享资源的竞争问题。单核采用锁机制对共享数据进行访问，一旦一个线程取得了锁，那么其他线程进行锁操作时必须等待，而在多核体系结构下，由于核数增加，将导致核之间对共享资源的竞争加剧。如果采用大量锁机制对共享资源进行访问，就容易导致死锁和优先级反转现象，也会导致某些CPU处于饥饿状态，从而大大降低多核并行执行的效率。这必将成为影响多核并行计算性能发挥和软件扩展的一个关键性问题。要解决这个问题，一种方法是要减少共享数据的访问，将同步计算转化为线程私有计算。这种方法开销较大且还是不能避免死锁现象。另一种方法则是使用原子操作的“无锁(Lock-Free)编程”。然而，无锁编程的难度和复杂度又非常高，因此对共享资源的竞争问题是嵌入式系统软件面临的又一个巨大的挑战。