ARM big.LITTLE大小核架構在Linux和Android內核下多核調度算法
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圖1. big.LITTLE SoCs的多核任務(wù)調度算法
早期的big.LITTLE軟模型才去簇遷移或者CPU遷移(cluster migration或者CPU migration)調度算法，即軟件在核間切換，但不能把所有的核同時(shí)運行。最新的軟件模型，全局任務(wù)調度(Global Task Scheduling)能同時(shí)使能所有的核，直接控制各核間的線(xiàn)程分配。大小核切換是使用動(dòng)態(tài)電壓和頻率調整(dynamic voltage and frequency scaling (DVFS))方法讓任務(wù)在高電壓的大核和低電壓的小核間切換，進(jìn)而提高各種負載情況下的能效。核間任務(wù)切換時(shí)間為30微秒，而DVFS驅動(dòng)每50微秒評估OS和核。GTS算法下會(huì )根據線(xiàn)程的負載進(jìn)行負荷均衡。以上多核任務(wù)調度算法都是在內核層次進(jìn)行的，因而不用對用戶(hù)應用程序進(jìn)行任何修改。
CPU遷移算法IKS – In Kernel Switcher (CPU Migration)
IKS是Linaro開(kāi)發(fā)的適用于對稱(chēng)的Cortex-A7和Cortex-A15核組的芯片。每一對Cortex-A7和Cortex-A15核組在Linux內核里被視為虛擬的對稱(chēng)核。線(xiàn)程在互斥的兩個(gè)對稱(chēng)核里運行，即要么在高性能的Cortex-A15內運行，要么在低功耗的Cortex-A7核內運行，即最高性能只取決于Cortex-A15的核。IKS算法在Linux內核里已經(jīng)實(shí)現，容易測試和產(chǎn)品化。
圖2. IKS(4+4)和Cortex-A7和Cortex-A15核組架構圖
全局任務(wù)調度(Global Task Scheduling ,大小核MP/ big.LITTLE MP)
ARM開(kāi)發(fā)的GTS算法也在Linaro里被稱(chēng)為big.LITTLE MP。此算法下，所有的大小核在Linxu內核下都可見(jiàn)用于任務(wù)調度，日前的Linaro構建里都包含了該調度算法。
圖3. GTS(4+4)和Cortex-A7和Cortex-A15核組架構圖
相比IKS算法，GTS算法有如下的優(yōu)勢：
- 更精細的核間負載控制，因為調度器Scheduler能直接切換核間任務(wù)，內核的額外開(kāi)銷(xiāo)減少從而減少功耗；
- 調度器Scheduler里的實(shí)現相比基于cpufreq框架的實(shí)現決策更快，相比IKS大概有10%的性能提升。
- GTS支持非對稱(chēng)的架構，如2個(gè)Cortex-A15核加上4個(gè)Cortex-A7核；
- 可以同時(shí)應用所有的峰值處理能力，如圖3中的處理能力為4個(gè)Cortex-A15核加上4個(gè)Cortex-A7核的處理能力。
big.LITTLE MP內核補丁能創(chuàng )建一個(gè)處理當前任務(wù)的Cortex-A15和Cortex-A7核列表，然后根據歷史負載統計分配并跟蹤每個(gè)任務(wù)并進(jìn)行核間任務(wù)切換。高處理能力需求的往Cortex-A15轉移，而低處理能力需求的往低功耗的Cortex-A7核遷移。
表1. big.LITTLE IKS vs big.LITTLE MP(GTS)內核調度算法比較
big.LITTLE IKS CPU Migration | big.LITTLE MP、GTS | |
核配置 | Cortex-A15+Cortex-A7核對 | 任意數量的Cortex-A15核+Cortex-A7核，并且可以同時(shí)運行。 |
對內核影響 | 最低限度的修改，修改只應用于governor | 對內核修改較多，包括調度器scheduler、流程標注等 |
最大處理能力 | 所有的Cortex-A15 | 所有的Cortex-A15核+Cortex-A7核 |
任務(wù)切換 | 基于cpufreq框架 | 直接使用scheduler，10%性能提升； |
可用性 | 存在Linaro的每月構建里 | 存在Linaro的每月構建里 |
Kernel.org | 在3.11或者3.12里會(huì )存在 | 在后續的幾個(gè)季度內會(huì )上傳 |
以上的調度算法以Cortex-A15核+Cortex-A7核的多核SoCs為例，但更多的big.LITTLE SoCs可能采用ARM更新的Cortex-A57+ Cortex-A53的架構一樣適用。
總結
以上的big.LITTLE架構的任務(wù)調度算法已經(jīng)在Linaro的構建里存在，并且有些算法在實(shí)際的系統中做了性能評估。如三星最新的Galaxy S4手機采用的是8核系統，即4個(gè)Cortex-A15核加上4個(gè)Cortex-A7核的系統已經(jīng)采用基于簇的遷移算法。即便是采用性能最不經(jīng)濟的cluster Migration算法在高通Qualcomm的多核Snapdragon系統中證明其能效的優(yōu)越性。Samsung在Exynos 5中已經(jīng)用Cortex-A7的能耗帶來(lái)了類(lèi)似Cortex-A15級別的性能。
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