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随着多媒体技术、网络技术以及数字信号处理技术在嵌入式领域的广泛应用,嵌入式处理器的性能要求逐步提高。为了降低功率及提高性能,MPSOC(Multi-Processor System-On-Chip)开始在嵌入式领域得到应用。虽然嵌入式多核处理器能利用集成度提高带来的诸多好处,让芯片的性能成倍地增加,但原来系统级的一些问题引入到了处理器内部,使多核技术存在许多关键性的问题需要解决。本文针对嵌入式多核处理器系统的关键技术进行了研究,包括嵌入式多核Linux操作系统的研发、多核处理器系统性能评估与优化方法、多核处理器软实时调度算法、实时性能优化技术、多核处理器动态电源管理策略和多核处理器中断负载均衡策略。同时,提出了嵌入式多核处理器操作系统MPCore Linux研发的技术路线:采用嵌入式Linux系统作为基础,针对多核架构进行研发实现基本功能,并在调度算法、实时性能、电源管理和中断处理等方面进行改造,以适合嵌入式系统的需求。
本文首先讨论了选择嵌入式Linux操作系统作为基础的原因,提出了多核处理器平台上的嵌入式Linux系统研究要点,其中包括:支持SMP架构、IPC机制支持、Hotplug机制支持、Affinity支持和多核处理器的引导等等。针对这些要点,完成了嵌入式多核处理器操作系统MPCore Linux的研发工作,并在以ARM11 MPCore嵌入式多核处理器为核心的Realview实验平台上正常运行,实现了嵌入式操作系统的基本功能。操作系统的调度和负载均衡算法是操作系统的核心算法。Linux系统的调度算法在嵌入式应用中实时性较差,本文对操作系统的调度和负载均衡算法进行了分析,为软实时多核调度算法的研究提供了基础。
针对现有的系统性能评估体系不能满足嵌入式多核处理器系统的需求,设计了嵌入式多核处理器系统专用的性能评估软件EMPTS。该软件包括基本运算能力分析、存储器系统性能分析和实时延迟性能分析。在基本计算能力方面,对整数计算能力、浮点数计算能力以及DCT计算能力等三个项目进行了测试评估。在评估中,针对ARM11 MPCore的特点,采用了并行计算和硬件浮点单元等优化方法,充分体现了多核架构的特点,并与ARM单核处理器的性能做出了比较分析。实验表明,只有采用各种策略进行优化,多核处理器的性能优势才能得到充分的体现。在存储器性能分析中,提出了多核处理器特有的Cache-to-Cache数据传输性能评估方法以及优化数据密集型并行程序的SPPM模型。利用该模型与传统的SDM模型进行对比测试,实验结果表明采用Cache-to-Cache传输方式的SPPM模型比SDM模型效率更高。在实时延迟性能分析中,对系统的响应延迟性能进行了分析,包括中断延迟、抢占延迟与调度延迟等,并提出了令牌环法对调度延迟中的进程上下文切换时间进行测量。结果显示,调度算法与是否允许迁移对系统的实时性能有较大的影响。针对嵌入式Linux系统的实时延迟性能差的特点,建立了Linux系统的实时延迟研究数学模型,在理论研究的基础上提出了实时性能优化方案。针对系统抢占延迟较大的情况,提出了将系统的spinlock替换为mutex的策略,证明了该策略能有效地降低系统的抢占延迟。针对系统中断延迟较大的情况,提出了中断服务线程化的优化策略。该策略使中断服务线程运行时不用关闭中断并且高优先级的实时进程能抢占中断服务线程。采用这一策略对MPCore Linux系统进行了改造,并通过对比实验证明该策略能有效地降低系统的中断服务延迟。针对系统的时钟精度低情况,将高精度时钟hrtimer开源项目移植到MPCore Linux系统中。测试表明,时钟精度有了很大的提高,基本能满足实时应用需要。
通过实时延迟性能优化,系统的实时性能有了提高。但Linux系统的调度算法采用公平性原则,没有实现实时调度算法,所以不能从根本上解决系统的实时性能差的问题。本文总结了实时调度算法的研究成果,这些研究成果能较好的解决多核处理器上的硬实时调度问题,但在多核处理器软实时调度算法的研究方面还没有较好的解决方案。根据这些研究成果、多核处理器的架构以及软实时嵌入式系统的特点,本文提出了多核概率模型软实时调度算法EDF-smp。该算法能保证软实时任务的服务质量,即保证实时任务满足时间限的命中率,实时任务可以向系统申请指定实时命中率的服务。EDF-smp算法分为两层:上层使用概率预测模型得到能保证实时服务质量的任务运行时间分配;底层采用有调度准入机制的EDF-FF多核处理器调度算法。实验结果显示该算法能保证实时任务提出的实时服务质量要求。同时,为了能在嵌入式Linux系统中进行改进,还提出了该算法在嵌入式Linux系统中的实现架构。
嵌入式系统对功率有严格的要求,本文调查了近年来动态电源管理策略的研究成果。这些研究成果主要解决了单核处理器的动态电源管理策略,但缺乏对多核处理器的动态电源管理策略的研究。本文根据多核处理器的架构特点以及系统运行时处理器负载的变化规律,首次运用BP神经网络算法进行动态电源管理设计,给出了多核处理器的动态电源管理策略BPMPPM。嵌入式系统是根据最大负载进行设计的,但在实际使用中,大部分时间系统都不需要满负荷工作,所以该策略通过预测多核处理器的CPU利用率来动态的决定工作CPU的数量,从而达到降低功率的目的。本文在MPCore Linux系统中实现了该策略,实验结果表明该策略能使系统休眠时间增加400％以上,有效地降低了系统功率。
中断负载均衡也是伴随着多核处理器出现的一个新问题。本文提出了多核处理器中断负载均衡ILBF算法并且在MPCore Linux操作系统基础上设计实现了中断负载均衡的架构。ILBF算法考虑到系统的低功率性能、实时性能以及高性能计算方面的要求,采用在线算法动态的实现了低功率与高性能计算的统一。为了能在MPCore Linux系统上实现ILBF算法。本文提出了嵌入式中断负载均衡算法的实现架构,该架构由芯片层、核心层以及策略层三部分组成。芯片层与CPU的架构相关,向上层提供中断相关操作的基本服务。核心层为策略层提供统一的接口,策略层可以通过这个统一接口在不同的处理器及平台上实现各种中断均衡策略。对使用ILBF中断负载均衡算法的Linux系统与通用Linux系统进行了对比实验。实验结果表明,ILBF中断负载均衡算法能在其采用高性能策略时,提高系统的实时性能;在其采用低功率策略时,系统的功率得到了有效降低。