CN101944049B - 一种基于放置代价的可重构系统软/硬件任务统一调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于放置代价的可重构系统软/硬件任务统一调度方法。针对目前可重构系统任务在线调度方法的不足，本发明考虑了三种代价，分别为：硬件任务在FPGA上的执行时间，占用的FPGA面积以及FPGA的碎片情况，并且也考虑了软/硬件任务的统一调度方法。在调度过程中，当硬件任务的代价超过设定的阈值时，就拒绝其在FPGA上运行，并由CPU执行其相应软件任务实现。通过合理地拒绝一些代价较大的任务，能够从整体上提高任务调度成功率。实验表明，同已有方法相比，该方法能够获得更高的任务截止保证率。

Description

一种基于放置代价的可重构系统软/硬件任务统一调度方法

所属技术领域

本发明涉及可重构系统技术领域，尤其是涉及建立一种基于放置代价的可重构系统软/硬件任务统一调度方法。

背景技术

随着大规模集成电路的不断发展，兼具软件灵活性和硬件性能的现场可编程门阵列(fieldprogrammable gate array，FPGA)变得越来越强大。在嵌入式系统的设计中，计算任务既可以采用软件实现，也可以采用基于FPGA的硬件实现。硬件实现高效，易于满足实时性的要求，但成本较高；软件实现方便灵活，成本低，但速度较慢。具体采用何种实现需要根据需求而定。

目前，可重构FPGA的资源分配主要采用二维结构，二维结构中的各个子区域可以独立配置，而互不影响。硬件任务要能够在其上运行，需要占用一定的面积，同时，由于配置一个硬件任务运行需要很大的代价，硬件任务运行结束后才释放占用的FPGA资源。因此，硬件任务要能运行就会涉及到任务的放置策略问题。这与二维网格多处理器系统中的处理器分配非常类似。经过多年的发展，已产生了多种任务放置方法，如BL、QA、RB004C、Bazargan、OTF等。到达的硬件任务被排队，由放置方法选择合适的FPGA区域运行。

在操作系统层面，需要考虑硬件任务的调度问题，甚至是软/硬件任务的统一调度问题。目前，硬件任务调度方法一般都建立在已有的放置方法之上，如采用预约策略，考虑硬件任务对时间的需求，将二维放置方法扩展到三维。但这些方法都有一个缺点，没有考虑硬件任务的放置代价，没有考虑软/硬件任务的统一调度。针对这个问题，在已有方法的基础上，本发明提出一种基于放置代价的可重构系统软/硬件任务统一调度方法。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于放置代价的可重构系统软/硬件任务统一调度方法。

本发明解决其技术难题所采用的技术方案如下：

传统的操作系统为提高调度系统的吞吐量，引入复杂的调度策略。目前针对硬件任务的调度主要还是采用先来先服务(first come first service，FCFS)的策略，导致任务的截止期保证率还不高。本文在已有方法的基础上，提出一种基于放置代价的软/硬件任务统一调度方法。放置代价将从以下三个方面考虑：1)以硬件任务占用FPGA面积作为放置代价，当硬件任务的面积超过一定阈值时，就拒绝其在FPGA上运行，将其软件实现放入软件任务运行队列中；

2)以硬件任务在FPGA上的运行时间作为放置代价，当硬件任务的运行时间超过一定阈值时，就拒绝其在FPGA上运行，将其软件实现放入软件任务运行队列中；3)以FPGA的碎片程度作为放置代价，当因为任务的放置而使FPGA的碎片程度变化较大时，就拒绝其在FPGA上运行，将其软件实现放入软件任务运行队列中。本方法调度任务运行的过程如下：

schedule(T)

1：if T is soft task then

2：Add task to soft executing queue

3：return

4：EL←hard executing queue，RL←hard reserving queue

5：ts←a，tf←ts+rh，accept←false

6：while tf＜＝d do

7：for each task TE(x1，y1，x2，y2，s，f)in EL

8：iff＜＝ts remove TE from EL

9：for each task TR(x1，y1，x2，y2，s，f)in RL

10：if s＜tf then

11：remove TR from RL

12：insert TR into EL

13：<x，y>←QA(EL，T)

14：accept←PlaceCost(x，y，T)

15：if accept is true then

16：AddReservation(T，x，y，ts)

17：return

18：ts←next finishing time event from EL

19：tf←ts+rh//end while

20：if accept is false then

21：Add task to soft executing queue

该过程以主循环(while循环)模拟时间的流动，采用高效的QA(Quick Allocation，快速分配)方法来为硬件任务寻找放置基点(过程第13行)，以FPGA的碎片程度作为硬件任务的放置代价(过程第14行)，PlaceCost(放置代价)函数计算FPGA的碎片程度，当放置前后FPGA的碎片程度变化超过一定阈值时，函数的计算结果为false，表示拒绝硬件任务在FPGA上运行。当硬件任务的软件实现放入软件任务运行队列时，一般设置较高的软件任务优先级。软/硬件任务统一调度采用EDF(Earliest Deadline First，最早截止时间优先)调度方法。对于以硬件任务的占用面积或运行时间作为放置代价的实现更简单，不需要在每次主循环中都计算代价，代价的计算和硬件任务拒绝与否在主循环开始之前执行。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

本发明提出的放置方法和调度方法能够获得更高的任务截止保证率，明显地改善可重构系统的性能。

附图说明

图1三种代价的阈值选取与任务截止保证率比较

图2四种方法的任务截止保证率比较

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步的说明。

在模拟实验中，采用Xilinx公司的芯片vertex XCV1000作为可重构FPGA，该FPGA含有96×64个RCU单元。生成的模拟任务各参数随机分布，任务宽度取值范围[20，90]，高度取值范围[10，60]，任务在FPGA上执行时间范围[100，1000]，软件实现执行时间为对应硬实现的2-5倍，任务到达时间范围[1，100]，任务的截止时间为：a+rh+t，t∈[100，500]。

1)阈值的选取

测试时模拟生成任务数量为1000，各代价的不同阈值均测试100次，结果取平均值。三种代价的阈值选取与任务截止保证率关系如图1所示。对于时间和空间代价，横坐标取前面的值，图中给出的是比例值；对于碎片程度代价，横坐标取后面的值。从图中可以看出：阈值存在一个最优值，时间代价最优值在0.8×MAX(rh)附近，面积代价最优值在0.6×W×H附近，碎片程度代价最优值在2.0附近；低于最优值时，阈值的选取对任务截止保证率影响很大；高于最优值后阈值对任务截止保证率影响减小，趋近于没有考虑代价时的情形。

2)调度方法比较

根据模拟生成任务的数量分为五个测试集：C₆₀₀，C₈₀₀，C₁₀₀₀，C₁₂₀₀，C₁₄₀₀，下标代表任务数量。每个测试集测量100次，结果取平均值。参与比较的调度方法有：1)紧凑预约(CR)调度方法；2)以任务占用面积为代价的方法(EWS)，拒绝阈值取最优；3)以任务在FPGA上运行时间为代价的方法(TWS)，拒绝阈值取最优；4)以FPGA的碎片程度为代价的方法(FWS)，拒绝阈值取最优。各方法的任务截止保证率如图2所示。

可见，基于放置代价的调度方法能够获得更好的调度性能，这在任务较多时尤其明显，主要由于通过合理的拒绝一些代价较大的任务，使后续更多的任务获得执行的机会，进而提高任务截止保证率。而对于三种放置代价，基于FPGA碎片程度的效果最好，基于任务占用面积的次之，而基于任务执行时间的最差，稍微好于其它没有考虑放置代价的调度方法。

Claims (1)

1.一种基于放置代价的可重构系统软/硬件任务统一调度方法，其特征如下：

1)在可重构系统中，硬件任务的放置代价包括三个方面：

●以硬件任务占用的FPGA面积作为放置代价，当硬件任务的面积超过一定阈值时，拒绝其在FPGA上运行，将其软件实现放入软件任务运行队列中；

●以硬件任务在FPGA上的运行时间作为放置代价，当硬件任务的运行时间超过一定阈值时，拒绝其在FPGA上运行，将其软件实现放入软件任务运行队列中；

●以FPGA的碎片程度作为放置代价，当硬件任务的放置使得FPGA的碎片程度变化较大时，拒绝其在FPGA上运行，将其软件实现放入软件任务运行队列中；

2)软/硬件任务统一调度方法运行的过程如下：

●以主循环模拟时间的流动，采用高效的QA(快速分配)方法来为硬件任务寻找放置基点，以FPGA的碎片程度作为硬件任务的放置代价；

●PlaceCost(位置代价)函数计算FPGA的碎片程度，当放置前后FPGA的碎片程度变化超过一定阈值时，函数的计算结果为false，表示拒绝硬件任务在FPGA上运行；

●当硬件任务的软件实现放入软件任务运行队列时，设置较高的软件任务优先级；

●软/硬件任务统一调度采用EDF(最早截止时间优先)调度方法；

●对于以硬件任务的占用面积或运行时间作为放置代价的实现，不需要在每次主循环中都计算放置代价，代价的计算和硬件任务拒绝与否在主循环开始之前进行。

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