CN103984595A - 一种异构cmp的静态任务调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异构CMP的静态任务调度方法，其特征在于:步骤1：利用线性聚簇方法，将DAG图中所有符合任务归并条件的任务归并到其父任务；步骤2：按照自顶向下法将DAG图分层，层值越小，任务优先级越高；同层任务，关键任务具有高优先级，其他非关键任务按照任务优先级权值非递增顺序加入调度列表；步骤3：从调度列表取首任务进行分配，逐层对任务映射图中已复制的任务进行冗余检测，删除任务映射图中的冗余任务；对删除冗余任务后的任务映射图进行调整，重新计算后续每个任务的最早执行完成时间。

Description

一种异构CMP的静态任务调度方法

技术领域

本发明涉及一种异构CMP的静态任务调度方法。

背景技术

随着计算机系统应用在人们生活中的不断深入，计算机系统的设计也进入了一个崭新的时代。以往处理器性能的提升往往依靠提升其主频或增加指令级并行度来完成。然而随着芯片制造工艺慢慢趋向技术极限，在计算机体系结构方面，已无法通过提高处理器主频来提升系统性能。芯片已经无法承受大量晶体管带来的散热量的增大，主频的提升也导致了芯片能耗的增加。可提升指令级并行性的超标量技术也遇到了瓶颈，迫切要求构建一种高性能的处理器系统。在此背景下，具备低复杂度高并行度的单芯片多处理器(Chip Multi-Processor,CMP)应运而生，并将成为处理器发展的主要趋势。

在计算机系统中，CMP为最大化程序的并行执行提供了良好的硬件平台，系统性能的提升不仅与硬件平台有关，同时也离不开硬件平台上的优化软件设计，只有两者充分结合，才能充分发挥硬件平台自身及软件设计的优良性能。在CMP的软件设计中，任务调度算法的好坏直接影响CMP高性能的优势能否得到充分发挥，如果任务调度算法设计不当，会抹杀掉CMP高并行性的优势，甚至比串行执行还差，降低了CMP的整体性能。任务调度问题成为了CMP的研究重点，任务调度算法的设计显得尤为重要。在异构CMP中，同一任务在不同处理器内核上的计算开销不同，任务调度算法的实质就是在满足任务间优先级约束的前提下，尽量将所有任务分配到运行效率最高的处理器内核上，最终使得任务总完成时间最短，充分发挥CMP的性能优势。

近年来，异构CMP中任务调度算法作为计算机领域的研究热点，国内外专家和学者都纷纷致力于任务调度算法的研究，旨在通过调整任务执行顺序、降低任务间的通信开销，最终使得任务图的调度长度最短。但是，现有异构CMP中任务调度算法仍不够理想，存在任务优先级选取过于单一、处理器内核上空闲时间段过多、冗余任务处理不及时等问题，严重影响了异构CMP的性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种异构CMP的静态任务调度方法，有效提高异构CMP的性能。

实现本发明目的技术方案：

一种异构CMP的静态任务调度方法，其特征在于:

步骤1：利用线性聚簇方法，将DAG图中所有符合任务归并条件的任务归并到其父任务；

步骤2：按照自顶向下法将DAG图分层，层值越小，任务优先级越高；同层任务，关键任务具有高优先级，其他非关键任务按照任务优先级权值非递增顺序加入调度列表；

步骤3：从调度列表取首任务进行分配，逐层对任务映射图中已复制的任务进行冗余检测，删除任务映射图中的冗余任务；对删除冗余任务后的任务映射图进行调整，重新计算后续每个任务的最早执行完成时间。

步骤1中,任务归并必须同时满足两个条件，

当前任务有唯一父任务并且是唯一父任务的唯一子任务；

当前任务与其唯一父任务的通信开销大于等于其在不同处理器内核上的最大计算开销，即C(v_i,v_j)≥max{W(v_j,p_q)}，则将当前任务归并到其唯一父任务上，在后续的任务分配时将其统一分配，分配到同一处理器内核上执行；

式中，v_j表示当前任务，v_i表示唯一父任务，i,j∈{1,2,…,n}，n为DAG图中任务总个数，v_i代表DAG图中第i个任务，W表示计算开销，max{W(v_j,p_q)}表示当前任务在不同处理器内核上的最大计算开销，C(v_i,v_j)为任务v_i与任务v_j的通信开销，p_q为第q个处理器内核，q∈{1,2,…,m}，m为处理器内核数目；W(v_j,p_q)为任务v_j在处理器内核p_q上的计算开销。

步骤2中，构造调度列表时，任务v_j层值L(v_j)为

$L\left(v_j\right)=\left\{\begin{array}{c}0,v_j=v_{\mathrm{entry}}\\ \max \left(L\left(v_i\right)\right)+1,v_i\∈\mathrm{prnt}\left(v_j\right)\end{array}\right.$

其中，v_entry为入口任务，prnt(v_j)表示任务v_j的所有父任务集合；任务v_i的优先级权值pri(v_i)为

${\mathrm{rank}}_u\left(v_i\right)=\stackrel{\‾}{w_i}+\underset{v_j\∈\mathrm{child}\left(v_i\right)}{\max }({\mathrm{rank}}_u\left(v_j\right)+C(v_i,v_j))$

pri(v_i)＝rank_u(v_i)+C(v_cp,i,v_i)

为为任务v_i在所有不同处理器内核上计算开销的平均值；child(v_i)表示任务v_i的所有子任务集合；rank_u(v_i)为任务v_i的向上排序值，v_cp,i为任务v_i的关键父任务。

步骤3中，具体包括以下步骤，

步骤3.1：初始化L为0，检测调度列表SL中L层的任务是否分配完成，若是，转到步骤3.9，否则，转到步骤3.2；

步骤3.2：选择调度列表SL首任务记为v_i，遍历所有处理器内核，记录其最早执行完成时间；同时检测处理器内核上是否有空闲时间段，若有，转到步骤3.3；否则，转到步骤3.5；

步骤3.3：取当前空闲时间段，判断v_i是否满足区间插入条件，若是，记录将其插入当前空闲时间段后v_i的最早执行完成时间，转到步骤3.5；否则，转到步骤3.4；

步骤3.4：检测当前空闲时间段是否满足关键父任务复制条件，若是，记录复制其关键父任务v_cp,i后v_i的最早执行完成时间，转到步骤3.5；否则，转到步骤3.5；

步骤3.5：取使v_i获得最小最早执行完成时间的处理器内核p_j，转到步骤3.6；

步骤3.6：判断该最小最早执行完成时间是否由关键父任务复制所得，若是，将其关键父任务v_cp,i复制到p_j的空闲时间段后，将v_i分配到p_j上执行，从调度列表SL删除v_i，同时将v_o,k加入冗余任务列表RTL，其中o表示v_i被复制的关键父任务v_o，k为关键父任务v_o分配的处理器内核编号，转到步骤3.1；否则，转到步骤3.7；

步骤3.7：判断该最小最早执行完成时间是否为区间插入所得，若是，将v_i插入到p_j的空闲时间段上，转到步骤3.8；否则，直接将v_i分配到p_j上执行，转到步骤3.8；

步骤3.8：从调度列表SL中删除v_i，转到步骤3.1；

步骤3.9：检测冗余任务列表RTL中是否存在层值为L-1的任务，若是，转到步骤3.10；否则，转到步骤3.12；

步骤3.10：选择冗余任务列表RTL中的首任务记为v_o,k，进行冗余检测，检测若将v_o从任务映射图删除，是否会推迟其后续任务的执行，若是，从冗余任务列表RTL中删除v_o,k，转到步骤3.9；否则，从冗余任务列表RTL中删除v_o,k，从任务映射图中删除v_o，转到步骤3.11；

步骤3.11：检测v_o后续任务的最早执行开始时间是否减小，若是，提前后续任务的最早执行开始时间，修改任务映射图，转到步骤3.9；否则，转到步骤3.9；

步骤3.12：如果L小于最大层值max(L)，令L＝L+1，转到步骤3.1；否则，结束任务分配及冗余任务处理。

本发明具有的有益效果：

本发明异构CMP的静态任务调度方法克服了现有异构CMP任务调度的缺点，将任务调度过程分为任务归并、构造调度列表、任务分配及冗余任务处理三个阶段，降低了任务间的通信开销，在空闲时间段进行必要的插入和复制操作，充分利用空闲时间段，将任务分配与冗余任务处理交替进行，逐层删除冗余任务，提高了处理器资源利用率和任务调度效率，最终使得异构CMP性能得到了提升，在高性能低复杂度的异构CMP设计中有广阔的应用前景。

在异构CMP任务调度中，某些任务间的通信开销远远大于任务在不同处理器内核上的计算开销，如果存在较大通信开销的任务分配到不同的处理器内核上执行，则延长了任务总完成时间，任务间的通信开销在任务总完成时间里占有较高比重，降低了任务调度效率。本发明异构CMP的静态任务调度方法在任务归并阶段为降低算法复杂度，利用线性聚簇思想，将DAG图中所有符合任务归并条件的任务归并到其父任务，分配到同一处理器内核上执行，消除此类任务间的通信开销。本发明通过任务归并消除了任务间较大的通信开销，有利于提前后续任务的调度，有利于减小任务图的调度长度，提高任务调度效率。

现有异构CMP任务调度中，任务优先级属性选取过于单一，往往产生局部较优而非全局较优的调度结果。本发明异构CMP的静态任务调度方法在选取任务优先级属性时，采用一种先分层后分支的优先级设计方法，任务分层是按照自顶向下法将DAG图分层，层值越小，任务优先级越高；同层任务，关键任务具有较高优先级，其他非关键任务按照任务优先级权值非递增顺序加入调度列表；在任务分配阶段，依次从调度列表选择首任务进行分配，将当前任务分配到可使其具有最小最早执行完成时间的处理器内核上。本发明实现了全局较优的调度结果，缩短了任务图的调度长度，提高了任务调度效率。

冗余任务是由于采用任务复制技术的算法在任务分配时而留下的多余任务，删除此类任务，不会推迟其后续任务的执行，不影响任务调度结果，该类任务还较大的浪费了处理器资源。针对现有任务调度过程中存在的冗余任务处理不及时、严重浪费处理器资源的问题，本发明异构CMP的静态任务调度方法在冗余任务处理阶段对任务映射图中的冗余任务进行了检测、删除操作；并将冗余任务处理与任务分配交替进行，对冗余任务进行及时处理，并充分利用冗余任务删除后新产生的空闲时间段，进一步提前后续任务的最早执行完成时间，最终缩短了任务图的调度长度，提高了异构CMP的资源利用率，实现了异构CMP调度性能的提升。

本发明在异构CMP任务调度问题上有较好的优势，测试结果表明，采用本发明任务调度方法的异构CMP性能更高，有效的保证了异构CMP高性能的优势。

本发明优点在于有效的克服了以往任务调度过程中任务间的通信开销过大、任务优先级属性选取过于单一和冗余任务处理不及时的问题，缩短了任务图的调度长度。多次实例分析与性能测试结果表明：与以往方法相比，本发明方法的任务调度效率提高了约15％，随着任务规模和处理器内核数目的增加，本发明方法优越性更加明显，节省了处理器资源，提升了异构CMP性能，具有更好的应用前景和研究价值。

附图说明

图1是本发明异构CMP的静态任务调度方法的任务调度实施原理图；

图2是本发明异构CMP的静态任务调度方法的任务归并流程图；

图3是本发明异构CMP的静态任务调度方法的构造调度列表流程图；

图4是本发明异构CMP的静态任务调度方法的任务分配及冗余任务处理流程图。

具体实施方式

本发明异构CMP的静态任务调度方法包括如下步骤：

步骤1：如图1、图2所示，利用线性聚簇方法，将DAG图中所有符合任务归并条件的任务归并到其父任务；

深度优先遍历DAG图中的所有任务，将所有符合归并条件的任务进行归并。通过对通信开销所占任务总完成时间较大比例的任务进行归并，缩短任务总完成时间，优化任务图。

任务归并必须同时满足两个条件：

(1)当前任务有唯一父任务并且是唯一父任务的唯一子任务；

(2)当前任务与其唯一父任务的通信开销大于等于其在不同处理器内核上的最大计算开销，即C(v_i,v_j)≥max{W(v_j,p_q)}，则将当前任务归并到其唯一父任务上，在后续的任务分配时将其统一分配，分配到同一处理器内核上执行；

式中，v_j表示当前任务，v_i表示唯一父任务，i,j∈{1,2,…,n}，n为DAG图中任务总个数，v_i代表DAG图中第i个任务，W表示计算开销，max{W(v_j,p_q)}表示当前任务在不同处理器内核上的最大计算开销，C(v_i,v_j)为任务v_i与任务v_j的通信开销，p_q为第q个处理器内核，q∈{1,2,…,m}，m为处理器内核数目；W(v_j,p_q)为任务v_j在处理器内核p_q上的计算开销。

步骤2：如图1、图3所示，按照自顶向下法将DAG图分层，层值越小，任务优先级越高；同层任务，关键任务具有高优先级，其他非关键任务按照任务优先级权值非递增顺序加入调度列表；

在异构CMP任务调度过程中，调度列表中存放着任务优先级由高到低排列的任务。从全局较优出发，采用先分层后分支的优先级设计方法；任务分层按照自顶向下法将DAG图分层；构造调度列表，首先选择层值最小的任务将其加入调度列表，同层任务，关键任务优先加入调度列表，其余非关键任务按照任务优先级权值pri(v_i)非递增顺序加入调度列表。关键任务对任务图的调度长度起着重要作用，所以优先调度关键任务。任务总完成时间等于出口任务的实际完成时间，出口任务的实际完成时间受其所有祖先任务完成时间的影响，某一任务到出口任务的计算开销和通信开销之和越大，该任务对出口任务的实际完成时间的影响就越大，对任务图的调度长度的影响就越大，此类任务的优先调度有利于减小任务图的调度长度。

构造调度列表时，任务v_j层值L(v_j)为

$L\left(v_j\right)=\left\{\begin{array}{c}0,v_j=v_{\mathrm{entry}}\\ \max \left(L\left(v_i\right)\right)+1,v_i\∈\mathrm{prnt}\left(v_j\right)\end{array}\right.$

其中，v_entry为入口任务，prnt(v_j)表示任务v_j的所有父任务集合；任务v_i的优先级权值pri(v_i)为

${\mathrm{rank}}_u\left(v_i\right)=\stackrel{\‾}{w_i}+\underset{v_j\∈\mathrm{child}\left(v_i\right)}{\max }({\mathrm{rank}}_u\left(v_j\right)+C(v_i,v_j))$

pri(v_i)＝rank_u(v_i)+C(v_cp,i,v_i)

为为任务v_i在所有不同处理器内核上计算开销的平均值；child(v_i)表示任务v_i的所有子任务集合；rank_u(v_i)为任务v_i的向上排序值，v_cp,i为任务v_i的关键父任务。

步骤3：如图1、图3所示，从调度列表取首任务进行分配，逐层对任务映射图中已复制的任务进行冗余检测，删除任务映射图中的冗余任务；对删除冗余任务后的任务映射图进行调整，重新计算后续每个任务的最早执行完成时间。

将任务分配与冗余任务处理交替进行；在任务分配阶段，采用区间插入和任务复制技术，尽量减小任务间存在的较大通信开销，提高异构CMP的资源利用率。同时，在调度过程中从全局较优考虑，首先对层值最小的任务进行分配，同层任务，优先调度关键任务，其余非关键任务按照任务优先级权值非递增顺序进行分配，任务优先级权值相同时，随机选择任务进行分配，保证了全局较优的调度性能，有利于减小任务图的调度长度。

在任务分配阶段，如果调度列表SL不空，始终从调度列表SL取出首任务v_i，计录v_i在每个处理器内核上的最早执行完成时间，检测处理器内核上是否存在空闲时间段，若是，判断是否满足区间插入条件，若是，记录v_i的最早执行完成时间；否则，判断是否满足关键父任务复制条件，若是，计录复制其关键父任务到当前空闲时间段后v_i的最早执行完成时间；最终将v_i分配到使其获得最小最早执行完成时间的处理器内核p_j上；若最小最早执行完成时间是通过区间插入得到，则将v_i插入到p_j上；若是通过任务复制得到，则复制v_i的关键父任务，将v_i分配到p_j上执行，并将v_cp,i,k(其中cp,i表示v_i被复制的关键父任务v_cp,i，k为任务v_cp,i分配的处理器内核编号)加入冗余任务列表RTL中；否则，将v_i直接分配到使其获得最小最早执行完成时间的p_j上，从调度列表SL删除v_i；继续对当前L层的未调度任务进行分配，若当前L层的所有任务调度完毕，则进行冗余任务检测、删除操作，判断冗余任务列表RTL是否为空，若为空，则执行下一层(L+1)任务；否则，进行冗余任务检测、删除操作，如果删除冗余任务列表RTL中的首任务不影响后续任务的最早执行开始时间，判断首任务为冗余任务，将其从冗余任务列表RTL和任务映射图中删除，将后续任务的最早执行开始时间提前；否则，继续执行调度列表中的下一层任务。递归执行上述过程，直到调度列表为空。

具体包括以下步骤：

步骤3.1：初始化L为0，检测调度列表SL中L层的任务是否分配完成，若是，转到步骤3.9，否则，转到步骤3.2；

步骤3.2：选择调度列表SL首任务记为v_i，遍历所有处理器内核，记录其最早执行完成时间；同时检测处理器内核上是否有空闲时间段，若有，转到步骤3.3；否则，转到步骤3.5；

步骤3.3：取当前空闲时间段，判断v_i是否满足区间插入条件，若是，记录将其插入当前空闲时间段后v_i的最早执行完成时间，转到步骤3.5；否则，转到步骤3.4；

步骤3.4：检测当前空闲时间段是否满足关键父任务复制条件，若是，记录复制其关键父任务v_cp,i后v_i的最早执行完成时间，转到步骤3.5；否则，转到步骤3.5；

步骤3.5：取使v_i获得最小最早执行完成时间的处理器内核p_j，转到步骤3.6；

步骤3.6：判断该最小最早执行完成时间是否由关键父任务复制所得，若是，将其关键父任务v_cp,i复制到p_j的空闲时间段后，将v_i分配到p_j上执行，从调度列表SL删除v_i，同时将v_o,k加入冗余任务列表RTL，其中o表示v_i被复制的关键父任务v_o，k为关键父任务v_o分配的处理器内核编号，转到步骤3.1；否则，转到步骤3.7；

步骤3.7：判断该最小最早执行完成时间是否为区间插入所得，若是，将v_i插入到p_j的空闲时间段上，转到步骤3.8；否则，直接将v_i分配到p_j上执行，转到步骤3.8；

步骤3.8：从调度列表SL中删除v_i，转到步骤3.1；

步骤3.9：检测冗余任务列表RTL中是否存在层值为L-1的任务，若是，转到步骤3.10；否则，转到步骤3.12；

步骤3.10：选择冗余任务列表RTL中的首任务记为v_o,k，进行冗余检测，检测若将v_o从任务映射图删除，是否会推迟其后续任务的执行，若是，从冗余任务列表RTL中删除v_o,k，转到步骤3.9；否则，从冗余任务列表RTL中删除v_o,k，从任务映射图中删除v_o，转到步骤3.11；

步骤3.11：检测v_o后续任务的最早执行开始时间是否减小，若是，提前后续任务的最早执行开始时间，修改任务映射图，转到步骤3.9；否则，转到步骤3.9；

步骤3.12：如果L小于最大层值max(L)，令L＝L+1，转到步骤3.1；否则，结束任务分配及冗余任务处理。

Claims (4)

1.一种异构CMP的静态任务调度方法，其特征在于:

步骤1：利用线性聚簇方法，将DAG图中所有符合任务归并条件的任务归并到其父任务；

步骤2：按照自顶向下法将DAG图分层，层值越小，任务优先级越高；同层任务，关键任务具有高优先级，其他非关键任务按照任务优先级权值非递增顺序加入调度列表；

步骤3：从调度列表取首任务进行分配，逐层对任务映射图中已复制的任务进行冗余检测，删除任务映射图中的冗余任务；对删除冗余任务后的任务映射图进行调整，重新计算后续每个任务的最早执行完成时间。

2.根据权利要求1所述的异构CMP的静态任务调度方法，其特征在于：步骤1中,任务归并必须同时满足两个条件，

当前任务有唯一父任务并且是唯一父任务的唯一子任务；

当前任务与其唯一父任务的通信开销大于等于其在不同处理器内核上的最大计算开销，即C(v_i,v_j)≥max{W(v_j,p_q)}，则将当前任务归并到其唯一父任务上，在后续的任务分配时将其统一分配，分配到同一处理器内核上执行；

式中，v_j表示当前任务，v_i表示唯一父任务，i,j∈{1,2,…,n}，n为DAG图中任务总个数，v_i代表DAG图中第i个任务，W表示计算开销，max{W(v_j,p_q)}表示当前任务在不同处理器内核上的最大计算开销，C(v_i,v_j)为任务v_i与任务v_j的通信开销，p_q为第q个处理器内核，q∈{1,2,…,m}，m为处理器内核数目；W(v_j,p_q)为任务v_j在处理器内核p_q上的计算开销。

3.根据权利要求2所述的异构CMP的静态任务调度方法，其特征在于：步骤2中，构造调度列表时，任务v_j层值L(v_j)为

$L\left(v_j\right)=\left\{\begin{array}{c}0,v_j=v_{\mathrm{entry}}\\ \max \left(L\left(v_i\right)\right)+1,v_i\∈\mathrm{prnt}\left(v_j\right)\end{array}\right.$

其中，v_entry为入口任务，prnt(v_j)表示任务v_j的所有父任务集合；任务v_i的优先级权值pri(v_i)为

${\mathrm{rank}}_u\left(v_i\right)=\stackrel{\‾}{w_i}+\underset{v_j\∈\mathrm{child}\left(v_i\right)}{\max }({\mathrm{rank}}_u\left(v_j\right)+C(v_i,v_j))$

pri(v_i)＝rank_u(v_i)+C(v_cp,i,v_i)

为为任务v_i在所有不同处理器内核上计算开销的平均值；child(v_i)表示任务v_i的所有子任务集合；rank_u(v_i)为任务v_i的向上排序值，v_cp,i为任务v_i的关键父任务。

4.根据权利要求3所述的异构CMP的静态任务调度方法，其特征在于：步骤3中，具体包括以下步骤，

步骤3.1：初始化L为0，检测调度列表SL中L层的任务是否分配完成，若是，转到步骤3.9，否则，转到步骤3.2；

步骤3.2：选择调度列表SL首任务记为v_i，遍历所有处理器内核，记录其最早执行完成时间；同时检测处理器内核上是否有空闲时间段，若有，转到步骤3.3；否则，转到步骤3.5；

步骤3.3：取当前空闲时间段，判断vi是否满足区间插入条件，若是，记录将其插入当前空闲时间段后v_i的最早执行完成时间，转到步骤3.5；否则，转到步骤3.4；

步骤3.4：检测当前空闲时间段是否满足关键父任务复制条件，若是，记录复制其关键父任务v_cp,i后v_i的最早执行完成时间，转到步骤3.5；否则，转到步骤3.5；

步骤3.5：取使v_i获得最小最早执行完成时间的处理器内核p_j，转到步骤3.6；

步骤3.6：判断该最小最早执行完成时间是否由关键父任务复制所得，若是，将其关键父任务v_cp,i复制到p_j的空闲时间段后，将v_i分配到p_j上执行，从调度列表SL删除v_i，同时将v_o,k加入冗余任务列表RTL，其中o表示v_i被复制的关键父任务v_o，k为关键父任务v_o分配的处理器内核编号，转到步骤3.1；否则，转到步骤3.7；

步骤3.7：判断该最小最早执行完成时间是否为区间插入所得，若是，将v_i插入到p_j的空闲时间段上，转到步骤3.8；否则，直接将v_i分配到p_j上执行，转到步骤3.8；

步骤3.8：从调度列表SL中删除v_i，转到步骤3.1；

步骤3.9：检测冗余任务列表RTL中是否存在层值为L-1的任务，若是，转到步骤3.10；否则，转到步骤3.12；

步骤3.10：选择冗余任务列表RTL中的首任务记为v_o,k，进行冗余检测，检测若将v_o从任务映射图删除，是否会推迟其后续任务的执行，若是，从冗余任务列表RTL中删除v_o,k，转到步骤3.9；否则，从冗余任务列表RTL中删除v_o,k，从任务映射图中删除v_o，转到步骤3.11；

步骤3.11：检测v_o后续任务的最早执行开始时间是否减小，若是，提前后续任务的最早执行开始时间，修改任务映射图，转到步骤3.9；否则，转到步骤3.9；

步骤3.12：如果L小于最大层值max(L)，令L＝L+1，转到步骤3.1；否则，结束任务分配及冗余任务处理。