一種多態(tài)實(shí)時(shí)任務(wù)與多態(tài)計(jì)算資源的映射方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及嵌入式多態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算領(lǐng)域，具體涉及一種多態(tài)實(shí)時(shí)任務(wù)與多態(tài)計(jì)算資 源的映射方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 嵌入式多態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算平臺是面向航空航天等關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，針對其復(fù)雜嵌入式應(yīng) 用不斷變化的任務(wù)模型與計(jì)算需求而構(gòu)造的底層硬件資源、中間層虛擬化資源管理軟件以 及上層應(yīng)用軟件都具有動態(tài)可重構(gòu)、自適應(yīng)和智能化處理能力的計(jì)算系統(tǒng)。嵌入式多態(tài)實(shí) 時(shí)計(jì)算平臺由PPC通用處理機(jī)（又稱主控處理機(jī)）、FPGA專用邏輯處理機(jī)、眾核處理機(jī)和 RapidIO交換模塊四部分組成。其中PPC通用處理機(jī)、FPGA專用邏輯處理機(jī)和RapidIO交換 模塊通過VPX背板互連，以串行RapidIO協(xié)議通信，PPC通用處理機(jī)與眾核處理機(jī)通過千兆 以太網(wǎng)互連通信。
[0003] 多態(tài)實(shí)時(shí)任務(wù)是指運(yùn)行于多態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算平臺，且運(yùn)行過程中部分屬性為適應(yīng)計(jì)算 需求變化而動態(tài)改變從而呈現(xiàn)不同形態(tài)的任務(wù)。多態(tài)任務(wù)是對普通實(shí)時(shí)任務(wù)的擴(kuò)展，因而 需要對實(shí)時(shí)任務(wù)屬性的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。擴(kuò)展屬性主要有計(jì)算載體類型（CRT)，任務(wù)關(guān)鍵級 (TCL)，任務(wù)執(zhí)行模式（TMOD)和資源請求（RR)。四種擴(kuò)展屬性定義描述如下、
[0004] 計(jì)算載體類型（CRT)，是指任務(wù)運(yùn)行時(shí)具體使用的計(jì)算資源類型，如本文所述的嵌 入式多態(tài)計(jì)算平臺共有三種計(jì)算載體類型，類型0為PowerPC處理機(jī)，類型1為FPGA專用 邏輯處理機(jī)和類型2眾核處理機(jī)。
[0005] 任務(wù)關(guān)鍵級（TCL)，是指任務(wù)正常運(yùn)行對系統(tǒng)安全性和可靠性等性能的影響程度， 是模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中舊模態(tài)任務(wù)處理方式選擇的重要依據(jù)，也是任務(wù)調(diào)度服務(wù)決策的重要因 素。
[0006] 任務(wù)執(zhí)行模式（TMOD)，是指系設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)根據(jù)任務(wù)的數(shù)據(jù)計(jì)算規(guī)?；?數(shù)據(jù)計(jì)算方式等不同特點(diǎn)將任務(wù)分為的不同類型。如前文所述，嵌入式多態(tài)計(jì)算平臺任務(wù) 的執(zhí)行模式主要體現(xiàn)在FPGA任務(wù)計(jì)算規(guī)模的變化和眾核任務(wù)計(jì)算模式的不同。
[0007] 資源請求（RR)，是為滿足當(dāng)前任務(wù)計(jì)算能力而需要底層硬件提供資源的需求描 述。主要分為FPGA和GPU兩類請求。對于FPGA其需求是編號、區(qū)塊的長寬，對于眾核而言 其需求是邏輯核數(shù)目及其模式等。
[0008] 計(jì)算資源的多態(tài)性是指嵌入式多態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算平臺的異構(gòu)計(jì)算資源FPGA和眾核 GTO在運(yùn)行過程中根據(jù)上層應(yīng)用的計(jì)算需求構(gòu)造成不同的形態(tài)。
[0009] 目前對嵌入式多態(tài)計(jì)算的任務(wù)與資源映射相對缺乏，多利用FPGA和眾核對某些 應(yīng)用進(jìn)行加速處理，不涉及動態(tài)變化構(gòu)造。同時(shí)，現(xiàn)有的FPGA分區(qū)資源管理方法采用固定 分區(qū)，一維布局，任務(wù)成功率和資源利用率較低；另外一些掃描類算法時(shí)間開銷較大，不適 合實(shí)時(shí)平臺。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種多態(tài)實(shí)時(shí)任務(wù)與多態(tài)計(jì)算資源的映射方法， 采用動態(tài)非均勻分區(qū)，二維布局的方法對FPGA資源進(jìn)行分配管理，在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)， 提高任務(wù)調(diào)度的成功率和資源利用率。
[0011] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為、
[0012] 一種多態(tài)實(shí)時(shí)任務(wù)與多態(tài)計(jì)算資源的映射方法，包括如下步驟、
[0013] S1、分別以各自周期運(yùn)行判斷上層模態(tài)管理和任務(wù)屬性決策服務(wù)的模態(tài)，若模態(tài) 發(fā)生改變，轉(zhuǎn)至S2 ;若模態(tài)未發(fā)生改變，但模態(tài)中某些任務(wù)屬性發(fā)生改變，轉(zhuǎn)至S3 ;若既未 發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換，也未發(fā)生任務(wù)屬性改變，轉(zhuǎn)至SlO ;
[0014] S2、更新全局任務(wù)隊(duì)列，轉(zhuǎn)至S4 ;
[0015] S3、更新全局任務(wù)隊(duì)列中屬性發(fā)生變化的任務(wù)屬性；
[0016] S4、根據(jù)任務(wù)的截止期和任務(wù)關(guān)鍵級確定任務(wù)優(yōu)先級，并唯一化；
[0017] S5、根據(jù)任務(wù)計(jì)算模式查找任務(wù)可用計(jì)算資源載體集合；
[0018] S6、按計(jì)算資源載體集合中元素優(yōu)先級從高到低，逐一嘗試將任務(wù)分配給處理該 任務(wù)性能最好的計(jì)算資源，并確定任務(wù)的計(jì)算資源載體屬性；若任務(wù)被分配給PPC通用處 理機(jī)，轉(zhuǎn)至S7 ;若任務(wù)被分配給眾核，則轉(zhuǎn)至S8 ;若任務(wù)被分配給FPGA專用邏輯處理機(jī)，則 轉(zhuǎn)至S9 ;
[0019] S7、PPC處理機(jī)將任務(wù)按EDF調(diào)度方法加入PPC任務(wù)隊(duì)列；
[0020] S8、眾核按照調(diào)度算法，將任務(wù)插入到眾核任務(wù)隊(duì)列的合適位置；
[0021] S9、FPGA按照調(diào)度算法，為任務(wù)分配可重構(gòu)計(jì)算資源，將任務(wù)插入到FPGA任務(wù)隊(duì) 列的合適位置；
[0022] S10、按照任務(wù)隊(duì)列周期性對三種類型的任務(wù)資源進(jìn)行重構(gòu)和運(yùn)行任務(wù)；
[0023] SI 1、重復(fù)以上步驟，直至系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束。
[0024] 其中，所述步驟S4中優(yōu)先級的確定原則為：任務(wù)的松弛時(shí)間越小，任務(wù)的優(yōu)先級 越高；任務(wù)松弛時(shí)間相同時(shí)，任務(wù)的關(guān)鍵級越高任務(wù)的優(yōu)先級越高；任務(wù)松弛時(shí)間與優(yōu)先 級都相同時(shí)，F(xiàn)PGA任務(wù)占用面積越高任務(wù)的優(yōu)先級越高，眾核任務(wù)占用邏輯核數(shù)目越大，優(yōu) 先級越高；上述屬性均相同時(shí)，任務(wù)的到達(dá)時(shí)刻早，則優(yōu)先級高。
[0025] 其中，所述步驟S4中唯一化的具體步驟包括：假設(shè)全局任務(wù)隊(duì)列中有k個(gè)任務(wù)，按 優(yōu)先級從高到低排列，可表示為T =It1，…，tm，…，t。，…，^}，其中從任務(wù)tm到任務(wù)t n 的所有任務(wù)優(yōu)先級相等，則保持tm的優(yōu)先級不變，然后利用公式一次計(jì)算任務(wù)t m+1到任務(wù)t k 的優(yōu)先級。
[0026] 其中，所述公式為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多態(tài)實(shí)時(shí)任務(wù)與多態(tài)計(jì)算資源的映射方法，其特征在于，包括如下步驟、 51、 分別以各自周期運(yùn)行判斷上層模態(tài)管理和任務(wù)屬性決策服務(wù)的模態(tài)，若模態(tài)發(fā)生 改變，轉(zhuǎn)至S2 ;若模態(tài)未發(fā)生改變，但模態(tài)中某些任務(wù)屬性發(fā)生改變，轉(zhuǎn)至S3 ;若既未發(fā)生 模態(tài)轉(zhuǎn)換，也未發(fā)生任務(wù)屬性改變，轉(zhuǎn)至SlO ; 52、 更新全局任務(wù)隊(duì)列，轉(zhuǎn)至S4 ; 53、 更新全局任務(wù)隊(duì)列中屬性發(fā)生變化的任務(wù)屬性； 54、 根據(jù)任務(wù)的截止期和任務(wù)關(guān)鍵級確定任務(wù)優(yōu)先級，并唯一化； 55、 根據(jù)任務(wù)計(jì)算模式查找任務(wù)可用計(jì)算資源載體集合； 56、 按計(jì)算資源載體集合中元素優(yōu)先級從高到低，逐一嘗試將任務(wù)分配給處理該任務(wù) 性能最好的計(jì)算資源，并確定任務(wù)的計(jì)算資源載體屬性；若任務(wù)被分配給PPC通用處理機(jī)， 轉(zhuǎn)至S7 ;若任務(wù)被分配給眾核，則轉(zhuǎn)至S8 ;若任務(wù)被分配給FPGA專用邏輯處理機(jī)，則轉(zhuǎn)至 S9 ； 57、 PPC處理機(jī)將任務(wù)按EDF調(diào)度方法加入PPC任務(wù)隊(duì)列； 58、 眾核按照調(diào)度算法，將任務(wù)插入到眾核任務(wù)隊(duì)列的合適位置； 59、 FPGA按照調(diào)度算法，為任務(wù)分配可重構(gòu)計(jì)算資源，將任務(wù)插入到FPGA任務(wù)隊(duì)列的 合適位置； S10、按照任務(wù)隊(duì)列周期性對三種類型的任務(wù)資源進(jìn)行重構(gòu)和運(yùn)行任務(wù)； Sl 1、重復(fù)以上步驟，直至系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多態(tài)實(shí)時(shí)任務(wù)與多態(tài)計(jì)算資源的映射方法，其特征在 于，所述步驟S4中優(yōu)先級的確定原則為：任務(wù)的松弛時(shí)間越小，任務(wù)的優(yōu)先級越高；任務(wù) 松弛時(shí)間相同時(shí)，任務(wù)的關(guān)鍵級越高任務(wù)的優(yōu)先級越高；任務(wù)松弛時(shí)間與優(yōu)先級都相同時(shí)， FPGA任務(wù)占用面積越高任務(wù)的優(yōu)先級越高，眾核任務(wù)占用邏輯核數(shù)目越大，優(yōu)先級越高； 上述屬性均相同時(shí)，任務(wù)的到達(dá)時(shí)刻早，則優(yōu)先級高。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多態(tài)實(shí)時(shí)任務(wù)與多態(tài)計(jì)算資源的映射方法，其特征在 于，所述步驟S4中唯一化的具體步驟包括：假設(shè)全局任務(wù)隊(duì)列中有k個(gè)任務(wù)，按優(yōu)先級從高 到低排列，可表示為T = It1,. . .，tm，. . .，tn，. . .，tk}，其中從任務(wù)tm到任務(wù)t n的所有任務(wù) 優(yōu)先級相等，則保持tm的優(yōu)先級不變，然后利用公式一次計(jì)算任務(wù)t m+1到任務(wù)t k的優(yōu)先級。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多態(tài)實(shí)時(shí)任務(wù)與多態(tài)計(jì)算資源的映射方法，其特征在 于，所述公式為： ._ fpriL - (i- m),, m< ι < η P1、Iprii - (π - mj, η < ? < k 其中，Prii表示任務(wù)t i的優(yōu)先級；pri為優(yōu)先級運(yùn)算符；下標(biāo)i為t 編號。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多態(tài)實(shí)時(shí)任務(wù)與多態(tài)計(jì)算資源的映射方法，其特征在 于，所述步驟S8的具體方法如下： 當(dāng)任務(wù)請求資源時(shí)，判斷其請求邏輯核數(shù)目是否可以滿足，滿足則進(jìn)行分配，否則拒絕 請求；當(dāng)任務(wù)完成執(zhí)行后，眾核資源管理器回收任務(wù)釋放的邏輯核。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多態(tài)實(shí)時(shí)任務(wù)與多態(tài)計(jì)算資源的映射方法，其特征在 于，所述步驟S9具體包括以下步驟： S91、用二維矩陣坐標(biāo)模型表示FPGA資源，通過在寬度方向劃分成m塊非均勻矩形區(qū) 塊，每塊矩形區(qū)塊的寬度相互不同，從左到右依次遞增，即Wl< W 2<~< W m; 592、 為每一個(gè)分區(qū)建立任務(wù)隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列項(xiàng)包含任務(wù)的長度信息（h)，任務(wù)開始時(shí)間 (s)和任務(wù)截止時(shí)間（f); 593、 時(shí)刻t寬度為w高度為h的任務(wù)到來，從所有分區(qū)中按照最佳匹配 -W)且Wi-W彡〇)的原則選擇分區(qū)Slot1嘗試為硬件任務(wù)分配放置空間；此時(shí) 硬件任務(wù)的放置轉(zhuǎn)化成了高度維度的連續(xù)區(qū)間的占用問題；搜索空余連續(xù)區(qū)間，選擇高度 最佳匹配的連續(xù)區(qū)域進(jìn)行分配；若任務(wù)在所選分區(qū)分配成功，則結(jié)束任務(wù)分配；若所選分 區(qū)無連續(xù)區(qū)間放置任務(wù)，則繼續(xù)向右搜索，尋找更大寬度的分區(qū)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度；若搜索到最 右邊分區(qū)任務(wù)仍無法滿足，則本次資源分配失?。蝗绻蝿?wù)的寬度大于最大分區(qū)的寬度，則 對分區(qū)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，進(jìn)行邏輯上的合并。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多態(tài)實(shí)時(shí)任務(wù)與多態(tài)計(jì)算資源的映射方法，其特征在 于，所述步驟93中合并的規(guī)則為：從右向左，依次選擇k(k = 2,3，. . .，m)塊分區(qū)進(jìn)行邏輯 合并，然后按照高度維度進(jìn)行任務(wù)分配；任務(wù)分配成功時(shí)，將任務(wù)的信息同時(shí)添加到對應(yīng)所 有分區(qū)的任務(wù)調(diào)度隊(duì)列中；任務(wù)τ需要對sl 〇tj，Slotj+Slotp2三個(gè)分區(qū)進(jìn)行邏輯合并。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多態(tài)實(shí)時(shí)任務(wù)與多態(tài)計(jì)算資源的映射方法，包括如下步驟：以各自周期運(yùn)行判斷上層模態(tài)管理和任務(wù)屬性決策服務(wù)的模態(tài)；更新全局任務(wù)隊(duì)列；更新全局任務(wù)隊(duì)列中屬性發(fā)生變化的任務(wù)屬性根據(jù)任務(wù)的截止期和任務(wù)關(guān)鍵級確定任務(wù)優(yōu)先級，并唯一化；根據(jù)任務(wù)計(jì)算模式查找任務(wù)可用計(jì)算資源載體集合；按計(jì)算資源載體集合中元素優(yōu)先級從高到低，逐一嘗試將任務(wù)分配給處理該任務(wù)性能最好的計(jì)算資源，并確定任務(wù)的計(jì)算資源載體屬性；PPC處理機(jī)將任務(wù)按EDF調(diào)度方法加入PPC任務(wù)隊(duì)列；眾核按照調(diào)度算法，將任務(wù)插入到眾核任務(wù)隊(duì)列的合適位置；本發(fā)明有效的提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能，多態(tài)任務(wù)調(diào)度的成功率和資源利用率。
【IPC分類】G06F9-46
【公開號】CN104834556
【申請?zhí)枴緾N201510221269
【發(fā)明人】楊剛, 高榮, 周興社, 劉瑩, 周少麗, 王博
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年4月26日