CN107463442B - 一种星载多核SoC任务级负载均衡并行调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种星载多核SoC任务级负载均衡并行调度方法，步骤如下：将多核任务控制块TCB作为节点构建全局任务调度队列；调度器模块初始化时创建4个优先级最低的空闲任务，并加入全局任务调度队列OSTaskRdyList；多核SoC系统的多个处理器核并行运行调度器模块；调度器模块采用自旋锁访问全局任务调度队列OSTaskRdyList，从全局任务调度队列OSTaskRdyList中取得当前优先级最高的任务T1；调度器模块查找空闲的处理器核或者运行最低优先级任务的处理器核，把优先级最高的任务调度到该处理器核上。本发明解决了多任务在多核SoC上均衡分配和并行运行的问题，大幅度提高了多核SoC的计算和处理效率。

Description

一种星载多核SoC任务级负载均衡并行调度方法
技术领域
本发明属于多核并行高性能操作系统软件领域，尤其涉及一种星载多核SoC任务级负载均衡并行调度方法。
背景技术
随着航天器功能日趋复杂，世界各国都采用多核处理器或片上系统(SoC，Systemon Chip)实现高性能和实时计算。为了充分多核SoC计算性能，需要在操作系统层次上支持多核并行任务调度，并实现多核间的负载平衡。
传统航天器处理器采用单核结构，操作系统基于单核实现多任务调度，基于单核处理器的多任务是一种宏观上的并发微观上的并行模式。针对多核SoC2012，需要实现一种多核SoC的并行多任务调度方法，以便达到充分利用处理器资源的目的。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种星载多核SoC任务级负载均衡并行调度方法方法，解决了多任务在多核SoC上均衡分配和并行运行的问题，大幅度提高了多核SoC的计算和处理效率。
本发明的技术方案是：一种星载多核SoC任务级负载均衡并行调度方法，该方法包括如下步骤：
(1)将多核任务控制块TCB作为节点构建全局任务调度队列；其中，多核任务控制块TCB中的处理器号CPU_ID数据域用于多核并行调度，多核任务控制块TCB中的自旋锁SpinLock数据域用于任务自身相关的互斥访问；
(2)调度器模块初始化时创建4个优先级最低的空闲任务，并加入全局任务调度队列OSTaskRdyList；
(3)多核SoC系统的多个处理器核并行运行调度器模块；
(4)调度器模块采用自旋锁访问全局任务调度队列OSTaskRdyList，从全局任务调度队列OSTaskRdyList中取得当前优先级最高的任务T1；
(4-1)判断当前优先级最高的任务T1是否为就绪态；
(4-2)如果该任务状态是就绪态则执行步骤(5)；
(4-3)如果该任务状态未就绪则从全局任务调度队列OSTaskRdyList中取得除T1外的优先级最高任务，然后执行步骤(4-1)；
(5)调度器模块查找空闲的处理器核或者运行最低优先级任务的处理器核，把步骤(4-2)中优先级最高的任务调度到该处理器核上。
上述星载多核SoC任务级负载均衡并行调度方法中，在所述步骤(4)中，自旋锁访问包括首先通过自旋锁SpinLock数据域申请访问权限，然后进行读写访问，完成访问后，释放自旋锁SpinLock。
上述星载多核SoC任务级负载均衡并行调度方法中，在所述步骤(5)中，调度器模块查找空闲的处理器核或者运行最低优先级任务的处理器核并把步骤(4-2)中优先级最高的任务调度到该处理器核上包括：调度器模块查找多核SoC系统中是否有空闲处理器核，如果有则把步骤(4-2)中优先级最高的任务调度到该处理器核上；如果没有则查找运行最低优先级任务的处理器核，并把优先级最高任务调度到该处理器核上。
上述星载多核SoC任务级负载均衡并行调度方法中，在步骤(3)中，所述多核SoC系统包括存储器和四个处理器核；其中，四个处理器核组成对称多处理结构，四个处理器核并行运行；全局任务调度队列OSTaskRdyList存储在存储器中。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明在空间应用领域，首次针对多核SoC或处理器实现了任务级负载均衡的并行任务调度，适用于航天器嵌入式高实时性系统，能够充分发挥多核SoC或处理器的性能。此外，本发明具备以下优点：
(1)采用全局队列调度模式，有效避免多核并行环境下任务控制块及其状态可能出现的不一致性。
(2)多核同时运行调度算法，相对比主核调度策略，本方法提高了系统的可靠性，避免了主核失效情况下导致整个多核处理器失效的情况，实现了多核SoC的软件容错。
(3)采用多任务多核的二维调度模式，能够实现任务核间迁移，从而保证最高优先级的任务总能够在多核上最先执行。
附图说明
图1为本发明的星载多核SoC任务级负载均衡并行调度结构图；
图2为本发明的多核SoC的多任务多核二维调度模式；
图3为本发明的星载多核SoC任务级负载均衡并行调度方法的流程图。
具体实施方式
为充分发挥星载多核SoC的计算性能、实现星载多核并行和容错嵌入式操作系统任务调度，本发明提出了一种星载多核SoC任务级负载均衡并行调度方法。
本实施例采用全局任务调度队列，而多处理器核独立运行调度算法；在调度过程中，每个处理器核采用自旋锁对全局任务调度队列进行互斥访问，从而保证全局任务调度队列数据的一致性和完整性；调度算法采用二维调度模式，即首先选择最高优先级任务作为将要被调度的任务，然后选择空闲的或者运行最低优先级任务的处理器核作为将要运行被调度任务的处理器核。
由于采用每个处理器核独立运行调度算法的分离调度模式，避免了主处理器核统一调度模式中主核失效情况下导致整个多核SoC失效的情况，提高了系统的容错性；由于每个处理器核单独运行调度算法，没有主处理器核的主控算法，降低了操作系统从单核到多核开发的难度。
本实施例针对四核SoC2012进行实现，该SoC是由四个处理器核组成的对称多处理(SMP，Symmetric Multi-Processing)结构，四个处理器核并行运行，每个处理器核具有各自的指令和数据Cache、共享存储器以及总线上的各种外设。需要理解的是，适用的核数可以根据需要进行设置，本实施例中以四核为例。
针对四核SoC2012中每个处理器核并行运行且共享存储器的特点，本实施例设计了自旋锁用于对存储器的互斥访问，采用全局任务调度队列以及每个处理器核分别运行调度算法的方案实现星载多核SoC任务级负载均衡并行调度方法，能够实现多个处理器核上任务级别的负载平衡，即任务在多个处理器核上的平均分配，从而达到充分利用多核处理器或SoC计算资源的目的，实现卫星上实时的高性能计算。本实施例的总体方案如图1所示。
(1)将多核任务控制块TCB(Task Control Block)作为节点构建全局任务调度队列；其中，多核任务控制块TCB中的处理器号CPU_ID数据域用于多核并行调度，多核任务控制块TCB中的自旋锁SpinLock数据域用于任务自身相关的互斥访问。全局任务调度队列是一个多维队列，相同优先级的就绪任务组成一维队列，M个优先级则组成M维的全局任务调度队列，以便于高效地查找整个全局任务调度队列中优先级最高的任务。
全局任务调度队列中TCB的关键数据结构如下：
Figure BDA0001348395390000041
Figure BDA0001348395390000051
实现自旋锁的主要流程如下：
Figure BDA0001348395390000052
(2)调度器模块初始化时创建4个优先级最低的空闲任务，并加入全局任务调度队列OSTaskRdyList，4个空闲任务在系统中没有其他任务时，被分别调度到多核SoC的四个处理器核上。
(3)完成初始化后，多核SoC2012的4个处理器核分别运行，4个处理器核独立并行的运行调度器模块；在步骤(3)中，多核SoC系统包括存储器和四个处理器核；其中，四个处理器核组成对称多处理结构，四个处理器核并行运行；全局任务调度队列OSTaskRdyList存储在存储器中。
(4)调度器模块采用二维调度模式，如图2所示，并行调度的流程图如图3所示。第一维是高优先级任务选择算法，调度器模块采用自旋锁访问全局任务调度队列OSTaskRdyList，从全局任务调度队列OSTaskRdyList中取得当前优先级最高的任务T1；其中，自旋锁访问包括首先通过自旋锁SpinLock数据域申请访问权限，然后进行读写访问，完成访问后，释放自旋锁SpinLock；
(4-1)判断当前优先级最高的任务T1是否为就绪态
(4-2)如果该任务状态是就绪态则执行步骤(5)；
(4-3)如果该任务状态未就绪则从全局任务调度队列OSTaskRdyList中取得除T1外的优先级最高任务，然后执行步骤(4-1)；
(5)第二维是处理器核选择算法，即调度器模块查找多核SoC中是否有空闲处理器核，如果有则把步骤(4-2)中优先级最高的任务调度到该处理器核上；如果没有则查找运行最低优先级任务的处理器核，并把步骤(4-2)中优先级最高的任务调度到该处理器核上。
本发明在空间应用领域，首次针对多核SoC或处理器实现了任务级负载均衡的并行任务调度，适用于航天器嵌入式高实时性系统，能够充分发挥多核SoC或处理器的性能。此外，本专利方法具备以下优点：采用全局队列调度模式，有效避免多核并行环境下任务控制块及其状态可能出现的不一致性；多核同时运行调度算法，相对比主核调度策略，本方法提高了系统的可靠性，避免了主核失效情况下导致整个多核处理器失效的情况，实现了多核SoC的软件容错；采用多任务多核的二维调度模式，能够实现任务核间迁移，从而保证最高优先级的任务总能够在多核上最先执行。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种星载多核SoC任务级负载均衡并行调度方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将多核任务控制块TCB作为节点构建全局任务调度队列；其中，多核任务控制块TCB中的处理器号CPU_ID数据域用于多核并行调度，多核任务控制块TCB中的自旋锁SpinLock数据域用于任务自身相关的互斥访问；
(2)调度器模块初始化时创建4个优先级最低的空闲任务，并加入全局任务调度队列OSTaskRdyList；
(3)多核SoC系统的多个处理器核并行运行调度器模块；
(4)调度器模块采用自旋锁访问全局任务调度队列OSTaskRdyList，从全局任务调度队列OSTaskRdyList中取得当前优先级最高的任务T1；
(4-1)判断当前优先级最高的任务T1是否为就绪态；
(4-2)如果该任务状态是就绪态则执行步骤(5)；
(4-3)如果该任务状态未就绪则从全局任务调度队列OSTaskRdyList中取得除T1外的优先级最高任务，然后执行步骤(4-1)；
(5)调度器模块查找空闲的处理器核或者运行最低优先级任务的处理器核，把步骤(4-2)中优先级最高的任务调度到该处理器核上；
在所述步骤(4)中，自旋锁访问包括首先通过自旋锁SpinLock数据域申请访问权限，然后进行读写访问，完成访问后，释放自旋锁SpinLock；
在所述步骤(5)中，调度器模块查找空闲的处理器核或者运行最低优先级任务的处理器核并把步骤(4-2)中优先级最高的任务调度到该处理器核上包括：调度器模块查找多核SoC系统中是否有空闲处理器核，如果有则把步骤(4-2)中优先级最高的任务调度到该处理器核上；如果没有则查找运行最低优先级任务的处理器核，并把优先级最高任务调度到该处理器核上；
在步骤(3)中，所述多核SoC系统包括存储器和四个处理器核；其中，
四个处理器核组成对称多处理结构，四个处理器核并行运行；
全局任务调度队列OSTaskRdyList存储在存储器中。
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