多處理器下的硬實(shí)時(shí)操作系統研究

實(shí)現遷移

當非RT0任務(wù)調用了函數artis_request_for_migration()時(shí)，它不能直接把自己插入到其他處理器的運行隊列當中，因為這樣就會(huì )造成多處理器在同一時(shí)間運行同一任務(wù)的情況，所以在A(yíng)RTiS系統中，是通過(guò)與當前處理器上的下一個(gè)任務(wù)來(lái)插入遷移任務(wù)的，總的來(lái)說(shuō)可以分為三步：首先，遷移進(jìn)程會(huì )調用artis_request_for_migration()，設置遷移標志，并將自身的親和CPU設置為本地CPU，然后使自身再次進(jìn)入可搶占狀態(tài)，調用調度函數。然后，新調度的任務(wù)將執行函數artis_complete_megration()，該函數將調用函數 finish_task_swith()完成調度，選擇一個(gè)非實(shí)時(shí)處理器把遷移任務(wù)插入到其上的RT-FIFO隊列，并通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)程間的中斷信號來(lái)強制目標處理器產(chǎn)生一輪新的調度。最后，目標處理器上的調度程序將通過(guò)調用函數artis_fetch_migration()從RT-FIFOs隊列中取出遷移任務(wù)。

2.2 負載平衡機制

在A(yíng)RTiS系統中，當涉及對稱(chēng)處理器之間的負載平衡時(shí)，直接沿用原有的負載平衡機制。而對于不對稱(chēng)處理器上的負載平衡，則通過(guò)修改原linux的負載平衡機制來(lái)實(shí)現。由于非實(shí)時(shí)任務(wù)從實(shí)時(shí)處理器到非實(shí)時(shí)處理器的遷移是強制的。所以不存在負載平衡的問(wèn)題，所以這里只考慮如何將非實(shí)時(shí)處理器上的非實(shí)時(shí)任務(wù)遷移至實(shí)時(shí)處理器?？梢詮膬蓚€(gè)方面進(jìn)行分析：一個(gè)是確定遷移的目標處理器，一個(gè)是確定要遷移的任務(wù)。

確定遷移的目標處理器

CPU的負載指的就是該CPU運行隊列的長(cháng)度（在該CPU上等待運行的程序個(gè)數），Pairing policy首先計算各個(gè)CPU運行隊列的長(cháng)度，然后把負載最重的CPU上的任務(wù)分配到負載較輕的CPU上。當各個(gè)CPU處理的都是非實(shí)時(shí)的任務(wù)時(shí)，該策略則運作的很好，因為非實(shí)時(shí)的任務(wù)將平分CPU的時(shí)間，但是在有實(shí)時(shí)任務(wù)的情況下，由于實(shí)時(shí)任務(wù)具有絕對的優(yōu)先級，它將獨占CPU，所以不能再簡(jiǎn)單的只用運行隊列的長(cháng)度來(lái)衡量負載的大小。

在A(yíng)RTiS系統中，在原有的策略上，添加了一個(gè)由實(shí)時(shí)任務(wù)的運行時(shí)間構成的負載參數，這時(shí)將通過(guò)公式L× 1/1?RT (L表示某個(gè)CPU上非實(shí)時(shí)任務(wù)的個(gè)數，RT表示實(shí)時(shí)任務(wù)需要占用CPU的時(shí)間)計算各個(gè)處理器上的負載。例如：假設在雙CPU的情況下有6個(gè)任務(wù)（包括實(shí)時(shí)任務(wù)），實(shí)時(shí)任務(wù)需占用CPU時(shí)間的3/4的，對于通常的分派策略，一個(gè)處理器分三個(gè)任務(wù)，那么在一個(gè)處理器上，每個(gè)非實(shí)時(shí)任務(wù)將占用1/3的CPU 時(shí)間，而在另一個(gè)處理器上，非實(shí)時(shí)任務(wù)占用的時(shí)間只有1/8，顯然分配很不均等。在A(yíng)RTiS中，它首先會(huì )統計每個(gè)處理器上的非實(shí)時(shí)任務(wù)的個(gè)數，并利用公式L× 1/1?RT計算出每個(gè)處理器的負載，然后選擇負載較輕的處理器作為目標處理器，這時(shí)每個(gè)非實(shí)時(shí)任務(wù)將都會(huì )占有1/4的處理器時(shí)間，達到了負載均衡的目的。參照下圖：

確定遷移的任務(wù)

當確定了遷移的處理器之后，接下來(lái)要確定的就是要遷移的任務(wù)。選擇的標準就是盡量選擇那些可以在實(shí)時(shí)處理器上可以較長(cháng)保持可搶占狀態(tài)的非RT0任務(wù)，如果一個(gè)非RT0任務(wù)遷移的頻率過(guò)高，那么就會(huì )造成非RT0任務(wù)在實(shí)時(shí)處理器與非實(shí)時(shí)處理器之間推來(lái)推去，即所謂的乒乓效應。這樣不僅沒(méi)有達到負載平衡的目標，反而降低了改任務(wù)執行的效率。

為了避免乒乓效應，ARTiS采用統計的方式來(lái)預估一個(gè)任務(wù)可能的遷移頻率（在任務(wù)屬性中添加兩個(gè)變量，分別用來(lái)保存遷移請求的時(shí)間間隔平均值和上一次遷移發(fā)生的時(shí)間），并通過(guò)該預估的頻率與當前遷移任務(wù)發(fā)生的時(shí)機相比較，由此來(lái)決定當前的任務(wù)是否可以遷移。對于一個(gè)請求遷移的任務(wù)，由于它的請求點(diǎn)有可能發(fā)生在預估請求之前，也有可能發(fā)生在預估請求之后，所以分兩種情況：當請求點(diǎn)發(fā)生在預估點(diǎn)之前時(shí)（如圖2中的第五個(gè)遷移點(diǎn)所示），如果它離預估的遷移點(diǎn)很近，那么說(shuō)明它馬上又要遷移了，所以應當被阻止，而如果離預估點(diǎn)較遠的話(huà)（如圖2中的第4個(gè)遷移點(diǎn)）。同樣對于請求點(diǎn)發(fā)生在預估點(diǎn)之后的遷移請求，如果離預估點(diǎn)很近的話(huà)（如圖2中的第一個(gè)遷移點(diǎn)），那么認為它剛剛發(fā)生過(guò)遷移，所以不允許短時(shí)間內再次遷移，所以也會(huì )被阻止，而與之較遠的（3）、（4）遷移點(diǎn)則可進(jìn)行遷移。由此可見(jiàn)，在設計的同時(shí)設定的偏差范圍將直接影響ARTiS的性能，所以應當通過(guò)多次的試驗來(lái)選取一個(gè)合適的偏差。