基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法，采用的對稱多處理器系統(tǒng)包括多個CPU，每個CPU都有專用的親和性隊列，包括：若有新任務(wù)就緒時，判斷新任務(wù)是否具有親和性；將具有親和性的新任務(wù)放到親和性隊列中，判斷親和性CPU上正在運行的任務(wù)是否具有CPU親和性，若CPU上正在運行的任務(wù)不具有CPU親和性時，則搶占CPU同時退出，若CPU上正在運行的任務(wù)具有CPU親和性時，則退出；將不具有親和性的新任務(wù)放到全局就緒隊列中，尋找運行最低優(yōu)先級任務(wù)的CPU，若尋找到比新任務(wù)優(yōu)先級低的任務(wù)運行的CPU時，則搶占CPU，否則直接退出。本發(fā)明合理分配操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度，使多個CPU負載平衡，充分利用硬件資源。
【專利說明】基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及對稱多處理器系統(tǒng)，具體地，涉及一種基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學技術(shù)的進步，人們對數(shù)據(jù)的處理速度的要求越來越高，比如生物學家正 在試圖理解人類基因的含義，天文學家正在了解宇宙，游戲玩家追求流暢、高清游戲帶來的 成就感與震撼力，這些都需要更多的CPU(處理器）周期。
[0003] 單處理器工藝已經(jīng)發(fā)展到極致，獲得更高速度的一種處理方式是大規(guī)模使用并行 計算。共享存儲多處理器應(yīng)運而生，其中兩個或更多的CPU核全部共享訪問一個公用的 RAM(內(nèi)存）。
[0004] 多處理器的運行需要多處理器操作系統(tǒng)。當前，國產(chǎn)嵌入式多核計算系統(tǒng)中運行 的嵌入式實時操作系統(tǒng)有兩類，一類是操作系統(tǒng)和任務(wù)運行在一個處理器上，其它處理器 不運行任何程序，處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)；另一類是操作系統(tǒng)運行在一個處理器上，應(yīng)用任務(wù)經(jīng)過操 作系統(tǒng)布置，分別置于其它處理器上運行（AMP，非對稱多處理器）。第一種方法只使用一個 處理器，處理器性能與單一處理器性能相當，但系統(tǒng)的功耗、成本、體積卻上升較大；第二種 方法將其它的處理器當作系統(tǒng)的計算資源，對每一個計算資源進行任務(wù)分配，比第一種方 法效率提高，但由于操作系統(tǒng)運行于其中一個處理器上，并未完全開發(fā)出多處理器的并行 計算能力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方 法保證了國產(chǎn)嵌入式實時操作系統(tǒng)在多處理器上并行運行的能力，實現(xiàn)各個CPU的負載平 衡，保證各個CPU之間的協(xié)調(diào)運行，使多處理器的利用率達到最1?，提1?系統(tǒng)響應(yīng)的實時 性。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法，采用的對稱多處理器系 統(tǒng)包括多個CPU，每個CPU都有專用的親和性隊列，包括如下步驟：
[0007] 步驟1 :當有新任務(wù)就緒時，判斷新任務(wù)是否具有親和性，若新任務(wù)具有親和性， 則進入步驟2,否則進入步驟3 ;
[0008] 步驟2 :將新任務(wù)放到親和性隊列中，判斷親和性CPU上正在運行的任務(wù)是否具有 CPU親和性，若CPU上正在運行的任務(wù)不具有CPU親和性，則置deferredCpuSet [CPU] = 1， nextCpuSet[CPU] = l，deferredCpuSet[CPU] = 1表示重新調(diào)度時需要為被調(diào)度搶占的任 務(wù)尋找新的CPU運行，nextCpuSet [CPU] = 1表示CPU需要進行重調(diào)度，同時退出；若CPU 上正在運行的任務(wù)具有CPU親和性，則退出；
[0009] 步驟3 :將新任務(wù)放到全局就緒隊列中，尋找運行最低優(yōu)先級任務(wù)的CPU，若尋找 到比新任務(wù)優(yōu)先級低的任務(wù)運行的CPU，則置ne XtCpUSet[CPU] = 1，同時退出，否則直接退 出。
[0010] 優(yōu)選地，所述步驟1之前還包括如下步驟：
[0011] -獲取CPU的索引號。
[0012] 優(yōu)選地，所述步驟2包括如下步驟：
[0013] 步驟2. 1 :根據(jù)新任務(wù)的親和性屬性獲得CPU的索引號ix ;
[0014] 步驟2. 2 :將新任務(wù)插入到CPU ix的親和性隊列中，CPU ix表示索引號為ix的 CPU ；
[0015] 步驟2. 3 :判斷親和性CPU ix上正在運行的任務(wù)是否具有CPU親和性，若CPU ix 上正在運行的任務(wù)不具有CPU親和性，貝u置deferredCpuSet[CPU] = 1、nextCpuSet[CPU] = l、execTasks[ix]=新任務(wù)，向CPU ix發(fā)送調(diào)度請求同時退出，其中，execTasks[ix]= 新任務(wù)，表示使CPU ix指向新任務(wù)；若CPU ix上正在運行的任務(wù)具有CPU親和性，則退出。
[0016] 優(yōu)選地，所述步驟3包括如下步驟：
[0017] 步驟3. 1 :將新任務(wù)插入到全局隊列中；
[0018] 步驟3. 2 :找到運行最低優(yōu)先級任務(wù)的CPU iy，其中，CPU iy表示索引號為iy的 CPU ；
[0019] 步驟3. 3 :判斷新任務(wù)的優(yōu)先級是否比正運行的任務(wù)高；若新任務(wù)的優(yōu)先級比正 運行的任務(wù)高，貝1J置nextCpuSet[CPU] =l、execTasks[iy]=新任務(wù)，向CPU iy發(fā)送調(diào)度 請求，其中，execTasks[iy]=新任務(wù)，表示使CPU iy指向新任務(wù)。
[0020] 優(yōu)選地，步驟2或3中還包括如下步驟：查看execTasks[cpu_id]指向的新任 務(wù)是否是編號為cpu_id的CPU上正在運行的任務(wù)，若不是，則執(zhí)行CPU的切換，其中， execTasks[cpu_id]，表示使CPU cpu_id指向新任務(wù)，cpu_id表示CPU的索引號。
[0021] 優(yōu)選地，對稱多處理器系統(tǒng)采用的是全局隊列和局部隊列混合的就緒隊列編排模 式的方法。
[0022] 優(yōu)選地，對稱多處理器系統(tǒng)中設(shè)定一個CPU為預(yù)留CPU，預(yù)留CPU僅調(diào)度綁定在預(yù) 留CPU上的任務(wù)，而不參與全局調(diào)度。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0024] 1、本發(fā)明合理分配操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度，使多個CPU負載平衡，充分利用硬件資源；
[0025] 2、本發(fā)明通過任務(wù)調(diào)度隊列的分配，使用全局隊列和局部隊列混合的就緒隊列編 排模式，同時滿足實時調(diào)度中全局調(diào)度與綁定調(diào)度的需求；
[0026] 3、本發(fā)明根據(jù)任務(wù)協(xié)同性與通信關(guān)系，引入CPU預(yù)留和綁定調(diào)度，使關(guān)鍵路徑上 的任務(wù)盡快執(zhí)行結(jié)束，提1?系統(tǒng)響應(yīng)實時性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0028] 圖1為本發(fā)明中SMP多處理器模型的示意圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明的流程圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明中對稱多處理任務(wù)調(diào)度流程圖。

【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明 的保護范圍。
[0032] 在本實施例中，本發(fā)明提出的基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法，能夠合理分配操 作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度，真正實現(xiàn)任務(wù)的并發(fā)運行，提高系統(tǒng)響應(yīng)實時性，這就是對稱多處理器系 統(tǒng)（Symmetric Multiprocessor, SMP)〇
[0033] 如圖1所示，對稱多處理器系統(tǒng)，消除了當前兩個操作系統(tǒng)的不對稱型。在存儲器 中有一個操作系統(tǒng)的副本，但任何CPU都可以運行它。這種模型動態(tài)地平衡進程和存儲器， 因為它只有一套操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)表。還消除了主CPU的瓶頸，因為不存在主CPU ;但是這個模 型需要對臨界區(qū)進行保護，即當有多個進程同時訪問這個臨界區(qū)時，只有獲得使用權(quán)的進 程才可以繼續(xù)運行，其他的進程需要等待已經(jīng)獲得使用權(quán)的進程釋放他的使用權(quán)后再去相 互競爭這個使用權(quán)。這使得操作系統(tǒng)分割成互不影響的臨界區(qū)，每個臨界區(qū)由互斥信號量 保護，所以一次只有一個CPU可以執(zhí)行。采用這種方式，可以實現(xiàn)更多的并行操作。
[0034] 對稱多處理器系統(tǒng)性能優(yōu)劣很大程度上取決于調(diào)度器的性能。本發(fā)明提供的基于 相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法采用的是全局隊列和局部隊列混合的就緒隊列編排模式。對稱 多處理器系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度器的工作被分散到各個處理器中，每個處理器的負責本處理器所執(zhí) 行任務(wù)的調(diào)度工作。默認情況下，任務(wù)可以運行在任意處理器上，但本發(fā)明提供的基于相關(guān) 性的任務(wù)優(yōu)化部署方法允許將任務(wù)綁定到指定處理器上運行，即任務(wù)的CPU親和性，直到 其運行結(jié)束，這可保證具有相關(guān)性的任務(wù)在同一個CPU上運行。對于未設(shè)置CPU親和性的 任務(wù)，則采用全局隊列機制將其調(diào)度到任一 CPU上。
[0035] 在本發(fā)明提供的基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法中，采用N+1全局調(diào)度方法，其 中N為系統(tǒng)中CPU的數(shù)目。每個CPU都有專用的親和性隊列，具有CPU親和性的任務(wù)都放置 到親和性隊列中，系統(tǒng)中有N個親和性隊列；沒有CPU親和性的任務(wù)放置到全局隊列當中。
[0036] 首先定義幾個全局變量：
[0037] execTasks□:指向可能會切換到各個CPU上運行的任務(wù)，例如execTasks[id]為 指向可能會切換到CPU id上運行的任務(wù)；taskIdCurrent[]:正在CPU上運行的任務(wù)，例如 taskIdCurrent[id]指向正在CPU id上運行的任務(wù)；nextCpuSet :需要被調(diào)度的CPU集合， 每一位對應(yīng)一個CPU ;deferredCpuSet :需要為被切換出去的任務(wù)分配處理器的CPU集合。
[0038] 在調(diào)度方法中nextCpuSet和deferredCpuSet這兩個位圖是非常重要的，當任務(wù) A搶占正在CPU上運行的任務(wù)B時，需要將該CPU在nextCpuSet中對應(yīng)位置為1，表示CPU 需要進行重調(diào)度。而若任務(wù)B沒有指定親和性，則需要為任務(wù)B尋找新的可運行CPU，這時 需要將該CPU在deferredCpuSet中相應(yīng)位也置為1，表示重新調(diào)度時需要為被調(diào)度搶占的 任務(wù)尋找新的CPU運行。
[0039] 如圖2、圖3所示，本發(fā)明提供的基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法，對稱多處理器 系統(tǒng)包括多個CPU，每個CPU都有專用的親和性隊列，包括如下步驟：
[0040] 步驟1 :當有新任務(wù)就緒時，判斷新任務(wù)是否具有親和性，當新任務(wù)具有親和性 時，則觸發(fā)步驟2,否則觸發(fā)步驟3 ;
[0041] 步驟2 :將新任務(wù)放到親和性隊列中，判斷親和性CPU上正在運行的任務(wù)是否具有 CPU親和性，當CPU上正在運行的任務(wù)不具有CPU親和性時，則置deferredCpuSet [CPU]= l，nextCpuSet[CPU] = l，deferredCpuSet[CPU] = 1表示重新調(diào)度時需要為被調(diào)度搶占的 任務(wù)尋找新的CPU運行，nextCpuSet[CPU] = 1表示CPU需要進行重調(diào)度，同時退出，當CPU 上正在運行的任務(wù)具有CPU親和性時，則退出；
[0042] 步驟3 :將新任務(wù)放到全局就緒隊列中，尋找運行最低優(yōu)先級任務(wù)的CPU，當尋找 到比新任務(wù)優(yōu)先級低的任務(wù)運行的CPU時，貝u置nextCpuSet[CPU] = 1，同時退出，否則直接 退出。
[0043] 所述步驟1之前還包括如下步驟：
[0044] -獲取CPU的索引號。
[0045] 所述步驟2包括如下步驟：
[0046] 步驟2. 1 :根據(jù)新任務(wù)的親和性屬性獲得CPU的索引號ix ;
[0047] 步驟2. 2 :將新任務(wù)插入到CPU ix的的親和性隊列中；
[0048] 步驟2. 3 :判斷親和性CPU上正在運行的任務(wù)是否具有CPU親和性，當CPU上正在 運行的任務(wù)不具有 CPU 親和性時，貝u置 deferredCpuSet[CPU] = l、nextCpuSet[CPU] = 1、 execTasks[ix]=新任務(wù)，向CPU ix發(fā)送調(diào)度請求同時退出，deferredCpuSet[CPU] =1表 示重新調(diào)度時需要為被調(diào)度搶占的任務(wù)尋找新的CPU運行，neXtCpuSet[CPU] = 1表示CPU 需要進行重調(diào)度，execTasks[ix]=新任務(wù)表示使CPU ix指向新任務(wù)，當CPU上正在運行 的任務(wù)具有CPU親和性時，則退出；
[0049] 所述步驟3包括如下步驟：
[0050] 步驟3. 1 :將新任務(wù)插入到全局隊列中；
[0051] 步驟3. 2 :找到運行最低優(yōu)先級任務(wù)的CPU iy ;
[0052] 步驟3. 3 :判斷新任務(wù)的優(yōu)先級是否比正運行的任務(wù)高；當新任務(wù)的優(yōu)先級比正 運行的任務(wù)高時，貝1J置nextCpuSet[CPU] =l、execTasks[iy]=新任務(wù)，向CPU iy發(fā)送調(diào) 度請求，execTasks[iy]=新任務(wù)表示使CPU iy指向新任務(wù)。
[0053] 該方法的目的是設(shè)置execTasks [ix]使其指向新任務(wù)，并將nextCpuSet和 deferredCpuSet中的響應(yīng)標志位置為1，為后面執(zhí)行任務(wù)切換做準備。
[0054] 根據(jù)本發(fā)明提供的基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法，查看execTasks [cpu_id]指 向的任務(wù)是否是編號cpu_id上正在運行的任務(wù)，如果不是的話，就執(zhí)行真正的切換。任務(wù) 執(zhí)行調(diào)度的流程圖見圖3。
[0055] 任務(wù)的調(diào)度可以分為兩種，一種是全局調(diào)度，即就緒任務(wù)可以被調(diào)度到任意一個 核上執(zhí)行；二是綁定調(diào)度，即就緒任務(wù)會被調(diào)度到其指定運行的處理器上運行。當任務(wù)沒有 設(shè)置綁定的處理器時，將其放入全局就緒隊列中，保證其基于優(yōu)先級進行調(diào)度。對于指定調(diào) 度處理器的任務(wù)，則將其放入局部就緒隊列中，則保證其運行期間不會被調(diào)度到其他處理 器上運行。一般情況下所有的處理器都參與全局調(diào)度，這樣被綁定的任務(wù)在運行時仍然可 能被高優(yōu)先級的全局隊列中的任務(wù)打斷；但也可以特別指定一個核為預(yù)留核，這時此核調(diào) 度綁定在本處理器上的任務(wù)，而不參與全局調(diào)度。
[0056] 本發(fā)明提供的基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法采用全局隊列和局部隊列混合的 就緒隊列編排模式。全局隊列中的就緒任務(wù)可以被調(diào)度到所有處理器上運行，基于優(yōu)先級 進行調(diào)度。每個處理器都有一個局部隊列，局部隊列中存放的是綁定到本處理器的就緒任 務(wù)，保證其不會被調(diào)度到其他處理器上運行。同時可以指定一個處理器為預(yù)留處理器，此處 理器只調(diào)度綁定在本處理器上的任務(wù)運行，而不參與全局調(diào)度，即不會被全局隊列中更高 優(yōu)先級的任務(wù)搶占。本發(fā)明是整體與局部辨證統(tǒng)一的，全局隊列保證了系統(tǒng)任務(wù)的平等、公 平競爭關(guān)系，每個任務(wù)可能被調(diào)度到各個處理器上運行，實現(xiàn)多處理的負載平衡；局部隊列 和處理器預(yù)留機制保證了系統(tǒng)中關(guān)鍵任務(wù)及時運行，系統(tǒng)的實時性得到充分保證。
[0057] 以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述 特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影 響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法，采用的對稱多處理器系統(tǒng)包括多個CPU，每 個CPU都有專用的親和性隊列，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1 :當有新任務(wù)就緒時，判斷新任務(wù)是否具有親和性，若新任務(wù)具有親和性，則進 入步驟2,否則進入步驟3 ; 步驟2 :將新任務(wù)放到親和性隊列中，判斷親和性CPU上正在運行的任務(wù)是否具有CPU 親和性，若CPU上正在運行的任務(wù)不具有CPU親和性，則置deferredCpuSet[CPU] = 1， nextCpuSet[CPU] = l，deferredCpuSet[CPU] = 1表示重新調(diào)度時需要為被調(diào)度搶占的任 務(wù)尋找新的CPU運行，nextCpuSet [CPU] = 1表示CPU需要進行重調(diào)度，同時退出；若CPU 上正在運行的任務(wù)具有CPU親和性，則退出； 步驟3 :將新任務(wù)放到全局就緒隊列中，尋找運行最低優(yōu)先級任務(wù)的CPU，若尋找到比 新任務(wù)優(yōu)先級低的任務(wù)運行的CPU，則置neXtCpUSet[CPU] = 1，同時退出，否則直接退出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法，其特征在于，所述步驟1之 前還包括如下步驟： -獲取CPU的索引號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法，其特征在于，所述步驟 2包括如下步驟： 步驟2. 1 :根據(jù)新任務(wù)的親和性屬性獲得CPU的索引號ix ; 步驟2. 2 :將新任務(wù)插入到CPU ix的親和性隊列中，CPU ix表示索引號為ix的CPU ; 步驟2. 3 :判斷親和性CPU ix上正在運行的任務(wù)是否具有CPU親和性，若CPU ix上正 在運行的任務(wù)不具有 CPU 親和性，貝u置 deferredCpuSet[CPU] = l、nextCpuSet[CPU] = 1、 execTasks[ix]=新任務(wù)，向CPU ix發(fā)送調(diào)度請求同時退出，其中，execTasks[ix]=新任 務(wù)，表示使CPU ix指向新任務(wù)；若CPU ix上正在運行的任務(wù)具有CPU親和性，則退出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法，其特征在于，所述步驟3包 括如下步驟： 步驟3. 1 :將新任務(wù)插入到全局隊列中； 步驟3. 2 :找到運行最低優(yōu)先級任務(wù)的CPU iy，其中，CPU iy表示索引號為iy的CPU ; 步驟3. 3 :判斷新任務(wù)的優(yōu)先級是否比正運行的任務(wù)高；若新任務(wù)的優(yōu)先級比正運行 的任務(wù)高，貝1J置nextCpuSet[CPU] =l、execTasks[iy]=新任務(wù)，向CPU iy發(fā)送調(diào)度請 求，其中，execTasks[iy]=新任務(wù)，表示使CPU iy指向新任務(wù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法，其特征在于，步驟2或3中 還包括如下步驟：查看execTasks[cpu_id]指向的新任務(wù)是否是編號為cpu_id的CPU上正 在運行的任務(wù)，若不是，則執(zhí)行CPU的切換，其中，execTasks [cpu_id]，表示使CPU cpu_id 指向新任務(wù)，cpu_id表示CPU的索引號。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法，其特征在于，對稱多處理 器系統(tǒng)采用的是全局隊列和局部隊列混合的就緒隊列編排模式的方法。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的基于相關(guān)性的任務(wù)優(yōu)化部署方法，其特征在于，對稱多處 理器系統(tǒng)中設(shè)定一個CPU為預(yù)留CPU，預(yù)留CPU僅調(diào)度綁定在預(yù)留CPU上的任務(wù)，而不參與 全局調(diào)度。
【文檔編號】G06F9/50GK104090826SQ201410308737
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】包晟臨 申請人:中國電子科技集團公司第三十二研究所