CN104834556A - 一种多态实时任务与多态计算资源的映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多态实时任务与多态计算资源的映射方法，包括如下步骤：以各自周期运行判断上层模态管理和任务属性决策服务的模态；更新全局任务队列；更新全局任务队列中属性发生变化的任务属性根据任务的截止期和任务关键级确定任务优先级，并唯一化；根据任务计算模式查找任务可用计算资源载体集合；按计算资源载体集合中元素优先级从高到低，逐一尝试将任务分配给处理该任务性能最好的计算资源，并确定任务的计算资源载体属性；PPC处理机将任务按EDF调度方法加入PPC任务队列；众核按照调度算法，将任务插入到众核任务队列的合适位置；本发明有效的提高系统的运行性能，多态任务调度的成功率和资源利用率。

Description

一种多态实时任务与多态计算资源的映射方法

技术领域

本发明涉及嵌入式多态实时计算领域，具体涉及一种多态实时任务与多态计算资源的映射方法。

背景技术

嵌入式多态实时计算平台是面向航空航天等关键应用领域，针对其复杂嵌入式应用不断变化的任务模型与计算需求而构造的底层硬件资源、中间层虚拟化资源管理软件以及上层应用软件都具有动态可重构、自适应和智能化处理能力的计算系统。嵌入式多态实时计算平台由PPC通用处理机(又称主控处理机)、FPGA专用逻辑处理机、众核处理机和RapidIO交换模块四部分组成。其中PPC通用处理机、FPGA专用逻辑处理机和RapidIO交换模块通过VPX背板互连，以串行RapidIO协议通信，PPC通用处理机与众核处理机通过千兆以太网互连通信。

多态实时任务是指运行于多态实时计算平台，且运行过程中部分属性为适应计算需求变化而动态改变从而呈现不同形态的任务。多态任务是对普通实时任务的扩展，因而需要对实时任务属性的基础上进行扩展。扩展属性主要有计算载体类型(CRT)，任务关键级(TCL)，任务执行模式(TMOD)和资源请求(RR)。四种扩展属性定义描述如下、

计算载体类型(CRT)，是指任务运行时具体使用的计算资源类型，如本文所述的嵌入式多态计算平台共有三种计算载体类型，类型O为PowerPC处理机，类型1为FPGA专用逻辑处理机和类型2众核处理机。

任务关键级(TCL)，是指任务正常运行对系统安全性和可靠性等性能的影响程度，是模态转换过程中旧模态任务处理方式选择的重要依据，也是任务调度服务决策的重要因素。

任务执行模式(TMOD)，是指系设计人员在设计系统时根据任务的数据计算规模或数据计算方式等不同特点将任务分为的不同类型。如前文所述，嵌入式多态计算平台任务的执行模式主要体现在FPGA任务计算规模的变化和众核任务计算模式的不同。

资源请求(RR)，是为满足当前任务计算能力而需要底层硬件提供资源的需求描述。主要分为FPGA和GPU两类请求。对于FPGA其需求是编号、区块的长宽，对于众核而言其需求是逻辑核数目及其模式等。

计算资源的多态性是指嵌入式多态实时计算平台的异构计算资源FPGA和众核GPU在运行过程中根据上层应用的计算需求构造成不同的形态。

目前对嵌入式多态计算的任务与资源映射相对缺乏，多利用FPGA和众核对某些应用进行加速处理，不涉及动态变化构造。同时，现有的FPGA分区资源管理方法采用固定分区，一维布局，任务成功率和资源利用率较低；另外一些扫描类算法时间开销较大，不适合实时平台。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种多态实时任务与多态计算资源的映射方法，采用动态非均匀分区，二维布局的方法对FPGA资源进行分配管理，在保证实时性的同时，提高任务调度的成功率和资源利用率。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为、

一种多态实时任务与多态计算资源的映射方法，包括如下步骤、

S1、分别以各自周期运行判断上层模态管理和任务属性决策服务的模态，若模态发生改变，转至S2；若模态未发生改变，但模态中某些任务属性发生改变，转至S3；若既未发生模态转换，也未发生任务属性改变，转至S10；

S2、更新全局任务队列，转至S4；

S3、更新全局任务队列中属性发生变化的任务属性；

S4、根据任务的截止期和任务关键级确定任务优先级，并唯一化；

S5、根据任务计算模式查找任务可用计算资源载体集合；

S6、按计算资源载体集合中元素优先级从高到低，逐一尝试将任务分配给处理该任务性能最好的计算资源，并确定任务的计算资源载体属性；若任务被分配给PPC通用处理机，转至S7；若任务被分配给众核，则转至S8；若任务被分配给FPGA专用逻辑处理机，则转至S9；

S7、PPC处理机将任务按EDF调度方法加入PPC任务队列；

S8、众核按照调度算法，将任务插入到众核任务队列的合适位置；

S9、FPGA按照调度算法，为任务分配可重构计算资源，将任务插入到FPGA任务队列的合适位置；

S10、按照任务队列周期性对三种类型的任务资源进行重构和运行任务；

S11、重复以上步骤，直至系统运行结束。

其中，所述步骤S4中优先级的确定原则为：任务的松弛时间越小，任务的优先级越高；任务松弛时间相同时，任务的关键级越高任务的优先级越高；任务松弛时间与优先级都相同时，FPGA任务占用面积越高任务的优先级越高，众核任务占用逻辑核数目越大，优先级越高；上述属性均相同时，任务的到达时刻早，则优先级高。

其中，所述步骤S4中唯一化的具体步骤包括：假设全局任务队列中有k个任务，按优先级从高到低排列，可表示为T＝{t₁，…，t_m，…，t_o，…，t_k}，其中从任务t_m到任务t_n的所有任务优先级相等，则保持t_m的优先级不变，然后利用公式一次计算任务t_m+1到任务t_k的优先级。

其中，所述公式为：

${\mathrm{pri}}_i=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{pri}}_i-(i-m),& m<i<n\\ {\mathrm{pri}}_i-(n-m),& n<i<k\end{array}\right.$

其中，pri_i表示任务t_i的优先级；pri为优先级运算符；下标i为t_i的编号。

其中，所述步骤S8的具体方法如下：

当任务请求资源时，判断其请求逻辑核数目是否可以满足，满足则进行分配，否则拒绝请求；当任务完成执行后，众核资源管理器回收任务释放的逻辑核。管理方式和方法比较简单高效。需要注意的是众核同一时刻运行的任务只能处在一种模式下，因此某些情况下尽管众核的逻辑核数目能够满足要求，但是由于请求资源的任务的模式与正在运行任务的模式不同的话，也无法获得资源。

其中，所述步骤S9具体包括以下步骤：

S91、用二维矩阵坐标模型表示FPGA资源，通过在宽度方向划分成m块非均匀矩形区块，每块矩形区块的宽度相互不同，从左到右依次递增，即w₁＜w₂＜…＜w_m；

S92、为每一个分区建立任务队列，每个队列项包含任务的长度信息(h)，任务开始时间(s)和任务截止时间(f)；

S93、时刻t宽度为w高度为h的任务到来，从所有分区中按照最佳匹配(且w_i-w≥0)的原则选择分区slot_j尝试为硬件任务分配放置空间；此时硬件任务的放置转化成了高度维度的连续区间的占用问题；搜索空余连续区间，选择高度最佳匹配的连续区域进行分配；若任务在所选分区分配成功，则结束任务分配；若所选分区无连续区间放置任务，则继续向右搜索，寻找更大宽度的分区进行任务调度；若搜索到最右边分区任务仍无法满足，则本次资源分配失败；如果任务的宽度大于最大分区的宽度，则对分区进行动态调整，进行逻辑上的合并。

其中，所述步骤93中合并的规则为：从右向左，依次选择k(k＝2，3，…，m)块分区进行逻辑合并，然后按照高度维度进行任务分配；任务分配成功时，将任务的信息同时添加到对应所有分区的任务调度队列中；任务τ需要对slot_j，slot_j-1，slot_j-2三个分区进行逻辑合并。

其中，优先级对于软硬件任务有着不同的含义、软件任务的优先级是任务调度的依据，其决定着任务的执行先后关系和可抢占关系；硬件任务不可抢占，优先级只表示其拥有获得所需计算资源的权力，不决定任务的运行顺序，任务的运行顺序通过调度算法确定的任务开始时间和结束时间约束。

本发明具有以下有益效果：

以通用处理器PPC为核心，依据应用任务的资源需求对异构可重构计算资源进行组织管理，实现多态任务与多态计算资源动态高效地映射，以提高嵌入式多态时候计算平台的计算效能；采用贪心策略对任务进行分配，采用动态非均匀分区对FPGA资源进行管理，效的提高系统的运行性能，多态任务调度的成功率和资源利用率。

附图说明

图1为本发明实施例中众核资源非配示意图。

图2为本发明实施例中FPGA非均匀分区示意图。

图3为本发明实施例中各分区任务调度队列是示意图。

图4为本发明实施例中slot_j分区任务分配示意图。

图5为本发明实施例中分区动态调整逻辑合并示意图。

图6为本发明实施例中任务τ合并分区分配示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种多态实时任务与多态计算资源的映射方法，包括如下步骤、

S1、分别以各自周期运行判断上层模态管理和任务属性决策服务的模态，若模态发生改变，转至S2；若模态未发生改变，但模态中某些任务属性发生改变，转至S3；若既未发生模态转换，也未发生任务属性改变，转至S10；

S2、更新全局任务队列，转至S4；

S3、更新全局任务队列中属性发生变化的任务属性；

S4、根据任务的截止期和任务关键级确定任务优先级，并唯一化；所述步骤S4中优先级的确定原则为：任务的松弛时间越小，任务的优先级越高；任务松弛时间相同时，任务的关键级越高任务的优先级越高；任务松弛时间与优先级都相同时，FPGA任务占用面积越高任务的优先级越高，众核任务占用逻辑核数目越大，优先级越高；上述属性均相同时，任务的到达时刻早，则优先级高；所述步骤S4中唯一化的具体步骤包括：假设全局任务队列中有k个任务，按优先级从高到低排列，可表示为T＝{t₁，…，t_m，…，t_n，…，t_k}，其中从任务t_m到任务t_n的所有任务优先级相等，则保持t_m的优先级不变，然后利用公式一次计算任务t_m+1到任务t_k的优先级。所述公式为：

${\mathrm{pri}}_i=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{pri}}_i-(i-m),& m<i<n\\ {\mathrm{pri}}_i-(n-m),& n<i<k\end{array}\right.$

其中，pri_i表示任务t_i的优先级；pri为优先级运算符；下标i为t_i的编号。

S5、根据任务计算模式查找任务可用计算资源载体集合；

S6、按计算资源载体集合中元素优先级从高到低，逐一尝试将任务分配给处理该任务性能最好的计算资源，并确定任务的计算资源载体属性；若任务被分配给PPC通用处理机，转至S7；若任务被分配给众核，则转至S8；若任务被分配给FPGA专用逻辑处理机，则转至S9；

S7、PPC处理机将任务按EDF调度方法加入PPC任务队列；

S8、众核按照调度算法，将任务插入到众核任务队列的合适位置；所述步骤S8的具体万法如下：

当任务请求资源时，判断其请求逻辑核数目是否可以满足，满足则进行分配，否则拒绝请求；当任务完成执行后，众核资源管理器回收任务释放的逻辑核。管理方式和方法比较简单高效。需要注意的是众核同一时刻运行的任务只能处在一种模式下，因此某些情况下尽管众核的逻辑核数目能够满足要求，但是由于请求资源的任务的模式与正在运行任务的模式不同的话，也无法获得资源。

S9、FPGA按照调度算法，为任务分配可重构计算资源，将任务插入到FPGA任务队列的合适位置；如图1所示。

S91、将如图2所示的二维矩阵坐标模型表示FPGA资源，通过在宽度方向划分成m块非均匀矩形区块，每块矩形区块的宽度相互不同，从左到右依次递增，即w₁＜w₂＜…＜w_m。

S92、为每一个分区建立任务队列，每个队列项包含任务的长度信息(h)，任务开始时间(s)和任务截止时间(f)等，如图3所示。

S93、时刻t宽度为w高度为h的任务到来，从所有分区中按照最佳匹配(且w_i-w≥0)的原则选择分区slot_j尝试为硬件任务分配放置空间。此时硬件任务的放置转化成了高度维度的连续区间的占用问题。搜索空余连续区间，选择高度最佳匹配的连续区域进行分配。假设此时刻，该分区的任务占用如图4所示，待调度任务高度为3，放置位置如图4所示。

若任务在所选分区分配成功，则结束任务分配。若所选分区无连续区间放置任务，则继续向右搜索，寻找更大宽度的分区进行任务调度。若搜索到最右边分区任务仍无法满足，则本次资源分配失败。

如果任务的宽度大于最大分区的宽度，则对分区进行动态调整，进行逻辑上的合并。合并规则为：从右向左，依次选择k(k＝2，3，…，m)块分区进行逻辑合并，然后按照高度维度进行任务分配。任务分配成功时，将任务的信息同时添加到对应所有分区的任务调度队列中。分区合并如图5所示。任务τ需要对slot_j，slot_j-1，slot_i-2三个分区进行逻辑合并，其分配如图6所示。

S10、按照任务队列周期性对三种类型的任务资源进行重构和运行任务；

S11、重复以上步骤，直至系统运行结束。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种多态实时任务与多态计算资源的映射方法，其特征在于，包括如下步骤、

S1、分别以各自周期运行判断上层模态管理和任务属性决策服务的模态，若模态发生改变，转至S2；若模态未发生改变，但模态中某些任务属性发生改变，转至S3；若既未发生模态转换，也未发生任务属性改变，转至S10；

S2、更新全局任务队列，转至S4；

S3、更新全局任务队列中属性发生变化的任务属性；

S4、根据任务的截止期和任务关键级确定任务优先级，并唯一化；

S5、根据任务计算模式查找任务可用计算资源载体集合；

S6、按计算资源载体集合中元素优先级从高到低，逐一尝试将任务分配给处理该任务性能最好的计算资源，并确定任务的计算资源载体属性；若任务被分配给PPC通用处理机，转至S7；若任务被分配给众核，则转至S8；若任务被分配给FPGA专用逻辑处理机，则转至S9；

S7、PPC处理机将任务按EDF调度方法加入PPC任务队列；

S8、众核按照调度算法，将任务插入到众核任务队列的合适位置；

S9、FPGA按照调度算法，为任务分配可重构计算资源，将任务插入到FPGA任务队列的合适位置；

S10、按照任务队列周期性对三种类型的任务资源进行重构和运行任务；

S11、重复以上步骤，直至系统运行结束。

2.根据权利要求1所述的一种多态实时任务与多态计算资源的映射方法，其特征在于，所述步骤S4中优先级的确定原则为：任务的松弛时间越小，任务的优先级越高；任务松弛时间相同时，任务的关键级越高任务的优先级越高；任务松弛时间与优先级都相同时，FPGA任务占用面积越高任务的优先级越高，众核任务占用逻辑核数目越大，优先级越高；上述属性均相同时，任务的到达时刻早，则优先级高。

3.根据权利要求1所述的一种多态实时任务与多态计算资源的映射方法，其特征在于，所述步骤S4中唯一化的具体步骤包括：假设全局任务队列中有k个任务，按优先级从高到低排列，可表示为T＝{t₁，...，t_m，...，t_n，...，t_k}，其中从任务t_m到任务t_n的所有任务优先级相等，则保持t_m的优先级不变，然后利用公式一次计算任务t_m+1到任务t_k的优先级。

4.根据权利要求3所述的一种多态实时任务与多态计算资源的映射方法，其特征在于，所述公式为：

${\mathrm{pri}}_i=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{pri}}_i-(i-m),m<i<n\\ {\mathrm{pri}}_i-(n-m),n<i<k\end{array}\right.$

其中，pri_i表示任务t_i的优先级；pri为优先级运算符；下标i为t_i的编号。

5.根据权利要求1所述的一种多态实时任务与多态计算资源的映射方法，其特征在于，所述步骤S8的具体方法如下：

当任务请求资源时，判断其请求逻辑核数目是否可以满足，满足则进行分配，否则拒绝请求；当任务完成执行后，众核资源管理器回收任务释放的逻辑核。

6.根据权利要求1所述的一种多态实时任务与多态计算资源的映射方法，其特征在于，所述步骤S9具体包括以下步骤：

S91、用二维矩阵坐标模型表示FPGA资源，通过在宽度方向划分成m块非均匀矩形区块，每块矩形区块的宽度相互不同，从左到右依次递增，即w₁＜w₂＜…＜w_m；

S92、为每一个分区建立任务队列，每个队列项包含任务的长度信息(h)，任务开始时间(s)和任务截止时间(f)；

S93、时刻t宽度为w高度为h的任务到来，从所有分区中按照最佳匹配(且w_i-w≥0)的原则选择分区slot₁尝试为硬件任务分配放置空间；此时硬件任务的放置转化成了高度维度的连续区间的占用问题；搜索空余连续区间，选择高度最佳匹配的连续区域进行分配；若任务在所选分区分配成功，则结束任务分配；若所选分区无连续区间放置任务，则继续向右搜索，寻找更大宽度的分区进行任务调度；若搜索到最右边分区任务仍无法满足，则本次资源分配失败；如果任务的宽度大于最大分区的宽度，则对分区进行动态调整，进行逻辑上的合并。

7.根据权利要求1所述的一种多态实时任务与多态计算资源的映射方法，其特征在于，所述步骤93中合并的规则为：从右向左，依次选择k(k＝2，3，...，m)块分区进行逻辑合并，然后按照高度维度进行任务分配；任务分配成功时，将任务的信息同时添加到对应所有分区的任务调度队列中；任务τ需要对slot_j，slot_j-1，slot_j-2三个分区进行逻辑合并。