CN108037994B - 一种支持异构环境下多核并行处理的调度机制 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种支持异构环境下多核并行处理的调度机制，首先，虚拟管理器允许CPU虚拟化成多个vCPU，为客户机分配的vCPU总和可多于物理实际存在的CPU资源；然后通过CPU的分时复用，绑定一个或多个客户机到固定的CPU上；然后，在实时/非实时共存的多分区环境中，采用时间片、优先级的混合调度策略。本发明把一个或者多个客户机绑定到某个CPU，不同的物理处理器核可以看作独立的并行运行，同一个核上的客户机分时复用，更好的支持多核并发；结合了优先级可抢占的策略，采用混合型调度机制，能够保证最高优先级的实时任务得到及时响应，也使得非实时任务处理环境不会发生饥饿，两者各有优势。

Description

一种支持异构环境下多核并行处理的调度机制
技术领域
本发明涉及调度机制领域，具体是一种支持异构环境下多核并行处理的调度机制。
背景技术
虚拟化技术能够实现在一台物理机上运行多台虚拟机，在每台虚拟机中分别运行不同的操作系统和应用程序，并且虚拟机之间具有良好的隔离性。这些都是通过在硬件之上增加一层称之为虚拟机监控器(Virtual Machine Monitor,VMM)的软件层来实现的。目前广泛应用的系统级虚拟机可分为通用虚拟机和实时虚拟机。通用虚拟机主要面向桌面领域和服务器领域，典型的通用虚拟机有如下几种。
1)VMware
VMware是x86虚拟化的主流厂商之一。其中，ESX Server主要面向服务器领域，直接运行在硬件平台上，采用硬件辅助技术。Workstation主要面向桌面领域，是宿主型的虚拟机监控器，采用二进制翻译技术。
2)Xen
Xen是英国剑桥大学Ian Pratt领导的一个研究项目。Xen虚拟机监控程序被设计成为微内核的实现，其本身只负责管理处理器和内存资源。Xen通常将其创建的虚拟机称为虚拟域(Domain)，其中运行特权操作系统的虚拟域称为Domain 0，其它虚拟域则统称为Domain U。Domain 0总是Xen启动的第一个虚拟机，负责管理和控制其他Domain U，大部分的输入输出设备也都由这个虚拟机0直接控制，Xen本身并不直接控制它们。
Xen微内核直接运行于物理硬件平台上，开发和调试都比基于操作系统的虚拟化困难。Xen比较难于配置和使用，部署会占用较多的空间，而且会非常依赖Domain 0中的特权操作系统。
3)KVM
KVM(Kernel-Based Virtual Machine)最早由Qumranet公司开发。主体上，KVM只是Linux的一个内核模块，通过为Linux内核扩展一个可提供虚拟化功能的驱动模块，将其变成一种虚拟机监控器。在KVM架构中，虚拟机实现为常规的Linux进程，由标准的Linux调度程序进行调度。
在现实应用中，通过虚拟硬件设备、内存、处理器、网络带宽，将多核处理器配置成多个实时或非实时虚拟计算机配置，实现虚拟运行环境间的计算存储资源与设备访问保护。
目前，对多核处理器的虚拟化程度参差不齐，只能把单个或者多个CPU核分配给某一个分区，而不能实现把单个CPU分时复用给多个分区使用，实际上只是一种折中的虚拟化。通常在虚拟环境配置中，每个虚拟机作为一个进程，根据虚拟机管理器的内核调度方式，被随机的调度到某个CPU核上执行，并没有考虑实时/非实时共存的多分区环境，可能会导致对实时系统的响应不及时，而对非实时系统存在资源浪费的情况。
发明内容
为解决上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种支持异构环境下多核并行处理的调度机制。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种支持异构环境下多核并行处理的调度机制，首先，虚拟管理器允许CPU虚拟化成多个vCPU，为客户机分配的vCPU总和可多于物理实际存在的CPU资源；然后通过CPU的分时复用，绑定一个或多个客户机到固定的CPU上；然后，在实时/非实时共存的多分区环境中，采用时间片、优先级的混合调度策略。
其中，基于多核的典型硬件装备，将实时处理环境、非实时处理环境共存并行的软件体系结构相结合，形成新型的嵌入式实时系统软件系统。
其中，通过多核CPU虚拟化技术把物理多核CPU根据需求抽象成虚拟CPU(vCPU)，每个虚拟机的客户操作系统可以使用一个或者多个vCPU。
其中，在虚拟化平台上，每个客户机是一个进程，每个vCPU是进程中派生的普通线程，在客户机操作系统中，每个vCPU可以分别运行在不同的物理核上，互不影响。
其中，在虚拟机管理器内核里，每个客户机作为一个进程，根据时间片轮转由内核系统来统一调度到某个处理器核上运行，但每个处理器核上同时只有一个客户机在执行。
其中，通过CPU的绑定设置，将一个或者多个客户机绑定到固定的处理器核上，处理器核之间独立并行运行，一个处理器核上运行的多个客户机，通过分时复用共享一个CPU。
其中，所述时间片、优先级的混合调度策略划分为两个阶段：实时处理环境调度阶段和非实时处理环境调度阶段；
实时处理环境调度阶段，采用基于时间片轮转的调度算法，每个实时系统在一个调度周期内执行一段相同的时间间隔，实时系统内部，基于优先级的可剥夺调度算法，保证优先级最高的任务，实时处理环境的时间片在初始化阶段配置的，在运行过程中不允许动态修改；内部的优先级，可以在运行过程中通过接口动态改变，从而根据实际情况，调整各个任务的优先级；
当所有实时处理环境被调度执行完后，为保证非实时处理环境不会产生饥饿，通过时间片轮转给非实时处理环境提供调度机会；在非实时处理环境调度阶段，采用基于优先级的不可抢占调度算法，即选择非实时处理环境中具有最高优先级的就绪处理环境进行调度执行；为保证调度周期的确定性，非实时调度阶段只允许一个非实时处理环境执行，当其执行完后，就开始新一轮调度周期。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)相对于单个CPU分配给某一个客户机分区，本发明把一个或者多个客户机绑定到某个CPU，不同的物理处理器核可以看作独立的并行运行，同一个核上的客户机分时复用，更好的支持多核并发。
2)相对于基于单纯的时间片轮转的调度策略，本发明结合了优先级可抢占的策略，采用混合型调度机制，能够保证最高优先级的实时任务得到及时响应，也使得非实时任务处理环境不会发生饥饿，两者各有优势。
附图说明
图1为本发明实施例中新型嵌入式实时系统软件体系结构图。
图2为本发明实施例中实时虚拟机管理器图。
图3为本发明实施例中vCPU的转换图。
图4为本发明实施例中CPU的分时复用示意图。
图5为本发明实施例中时间片、优先级的混合调度策略示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种支持异构环境下多核并行处理的调度机制，首先，虚拟管理器允许CPU虚拟化成多个vCPU，为客户机分配的vCPU总和可多于物理实际存在的CPU资源；然后通过CPU的分时复用，绑定一个或多个客户机到固定的CPU上；然后，在实时/非实时共存的多分区环境中，采用时间片、优先级的混合调度策略。
本具体实施基于多核的典型硬件装备，将实时处理环境、非实时处理环境共存并行的软件体系结构相结合，形成新型的嵌入式实时系统软件系统，如图1所示。
如图2所示，本具体实施通过多核CPU虚拟化技术把物理多核CPU根据需求抽象成虚拟CPU(vCPU)，每个虚拟机的客户操作系统可以使用一个或者多个vCPU。在虚拟化平台上，每个客户机是一个进程，每个vCPU是进程中派生的普通线程，在客户机操作系统中，每个vCPU可以分别运行在不同的物理核上，互不影响。在虚拟机管理器内核里，每个客户机作为一个进程，根据时间片轮转由内核系统来统一调度到某个处理器核上运行，但每个处理器核上同时只有一个客户机在执行。在虚拟化核心中，vCPU有三种执行模式，转换图3所示。客户机中大部分CPU指令的执行，vCPU在客户模式下运行，由硬件处理器的虚拟化功能来辅助执行。遇到特权指令，vCPU从客户模式转换到内核模式，保证系统的高性能和安全性。
在虚拟机管理器内核里，每个客户机作为一个进程，根据时间片轮转被调度到某个处理器核上运行。一个进程在前一个执行时间是在cpuN上运行，而后一个执行时间可能是在cpuM上运行。这种由内核系统来统一调度，可以平均各个处理器核的负载，但每个处理器核上同时只有一个客户机在执行。
如图4所示，通过CPU的绑定设置，将一个或者多个客户机绑定到固定的处理器核上。处理器核之间可以看作独立的并行运行，一个处理器核上运行的多个客户机，通过分时复用共享一个CPU。
在实时/非实时共存的环境中，采用时间片、优先级的混合调度策略，基于时间片的调度策略能够保证非最高优先级实时处理环境与非实时任务处理环境不会发生饥饿，而基于优先级的可剥夺调度算法可以保证最高优先级任务得到优先执行，两者各有优势。如图5所示，时间片、优先级的混合调度策略划分为实时处理环境调度阶段和非实时处理环境调度阶段：
实时处理环境调度阶段：采用基于时间片轮转的调度算法。每个实时系统在一个调度周期内执行一段相同的时间间隔。实时系统内部，基于优先级的可剥夺调度算法，保证优先级最高的任务。实时处理环境的时间片在初始化阶段配置的，在运行过程中不允许动态修改。内部的优先级，可以在运行过程中通过接口动态改变，从而根据实际情况，调整各个任务的优先级。
当所有实时处理环境被调度执行完后，为保证非实时处理环境不会产生饥饿，通过时间片轮转给非实时处理环境提供调度机会。在非实时处理环境调度阶段，采用基于优先级的不可抢占调度算法，即选择非实时处理环境中具有最高优先级的就绪处理环境进行调度执行。为保证调度周期的确定性，非实时调度阶段只允许一个非实时处理环境执行，当其执行完后，就开始新一轮调度周期。
混合型调度算法在保证实时任务的确定性和实时性的同时，避免了非实时处理环境的干扰。同时保证非实时处理环境不会发生饥饿，而导致非实时应用长时间得不到响应。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种支持异构环境下多核并行处理的调度机制，其特征在于，首先，虚拟管理器允许CPU虚拟化成多个vCPU，为客户机分配的vCPU总和多于物理实际存在的CPU资源；然后通过CPU的分时复用，绑定一个或多个客户机到固定的CPU上；然后，在实时/非实时共存的多分区环境中，采用时间片、优先级的混合调度策略；
所述时间片、优先级的混合调度策略划分为两个阶段：实时处理环境调度阶段和非实时处理环境调度阶段；
实时处理环境调度阶段，采用基于时间片轮转的调度算法，每个实时系统在一个调度周期内执行一段相同的时间间隔，实时系统内部，基于优先级的可剥夺调度算法，保证优先级最高的任务，实时处理环境的时间片在初始化阶段配置的，在运行过程中不允许动态修改；内部的优先级，在运行过程中通过接口动态改变，从而根据实际情况，调整各个任务的优先级；
当所有实时处理环境被调度执行完后，为保证非实时处理环境不会产生饥饿，通过时间片轮转给非实时处理环境提供调度机会；在非实时处理环境调度阶段，采用基于优先级的不可抢占调度算法，即选择非实时处理环境中具有最高优先级的就绪处理环境进行调度执行；为保证调度周期的确定性，非实时调度阶段只允许一个非实时处理环境执行，当其执行完后，就开始新一轮调度周期。
2.如权利要求1所述的一种支持异构环境下多核并行处理的调度机制，其特征在于，基于多核的典型硬件装备，将实时处理环境、非实时处理环境共存并行的软件体系结构相结合，形成新型的嵌入式实时系统软件系统。
3.如权利要求1所述的一种支持异构环境下多核并行处理的调度机制，其特征在于，通过多核CPU虚拟化技术把物理多核CPU根据需求抽象成虚拟CPU(vCPU)，每个虚拟机的客户操作系统使用一个或者多个vCPU。
4.如权利要求1所述的一种支持异构环境下多核并行处理的调度机制，其特征在于，在虚拟化平台上，每个客户机是一个进程，每个vCPU是进程中派生的普通线程，在客户机操作系统中，每个vCPU分别运行在不同的物理核上，互不影响。
5.如权利要求1所述的一种支持异构环境下多核并行处理的调度机制，其特征在于，在虚拟机管理器内核里，每个客户机作为一个进程，根据时间片轮转由内核系统来统一调度到某个处理器核上运行，但每个处理器核上同时只有一个客户机在执行。
6.如权利要求1所述的一种支持异构环境下多核并行处理的调度机制，其特征在于，通过CPU的绑定设置，将一个或者多个客户机绑定到固定的处理器核上，处理器核之间独立并行运行，一个处理器核上运行的多个客户机，通过分时复用共享一个CPU。
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