系统级处理器热量控制的研究和设计

发布时间：2020-04-07 03:49

【摘要】：微处理器设计技术的进步导致了芯片上更大密度的晶体管数量以及更高的性能,处理器的功耗也随着晶体管密度的增加而增大,但日益增加的功耗和不断积累的芯片热量也造成越来越严重的散热问题。芯片上的高温不仅降低了处理器的可用性,缩短了处理器的生命周期,还增加了冷却处理器的成本,近些年来随着单芯片多处理器(CMP),多线程处理器(SMT)以及对称多处理器(SMP)的出现,使得单个芯片上晶体管的密度更大,功耗问题变得更加严重。多种多样的用来运行时热量控制的动态热量管理(DTM)技术已经出现。然而,这些技术只单纯考虑了处理器的温度却没有考虑到运行在处理器上的各种各样的任务的热量特征。 基于硬件架构级的热量控制技术通过在处理器上增加温度控制单元来监控处理器温度,在处理器温度超过阈值是降低处理器速度来对处理器降温,但同时也降低了处理器的性能。另外,基于操作系统层面的温度控制方法也越来越多,而且比架构级温度控制更加的灵活,本人在前人的工作基础上提出了在操作系统级别通过对任务调度器的优化来进行热量控制。 本文在基于Linux内核中的默认轮询调度器的基础上,增加了任务温度特征的在线采集模块,并以所采集数据为元数据实现了一个面向任务的基于温度感知的任务调度器,这个调度器综合任务本身的动态温度特征、运行时负载的统计数据以及芯片上的实时温度统计来决定处理器上的哪一个应用会被调度以及是否需要进行时间片动态扩展。 本文以IntelCoreSolo处理器作为硬件实验平台,实现了此调度器,并从Mibench和SPEC2000测试应用集合中挑了16个具有代表性的应用来评估此调度器。与Linux默认的调度器相比,传统的基于温度感知的调度器对于芯片的平均温度和峰值温度改进非常有限,但本文所提出的面向应用的温度感知的调度器将平均温度平均减少了2℃,为正常温度的5%(最多到3℃,为正常温度的10%),并将峰值温度平均减少了1℃(最多到2℃),而所付出的代价几乎可以忽略,很好的降低了处理器的功耗以及芯片上的温度。 本文的主要工作包括: 1.总结了现代处理器的发展历程,并阐述了在处理器的频率遵循摩尔定律飞速发展的同时,处理器所产生的热量也越来越大,并逐渐成为一个影响处理器性能的主要原因,对现代处理器的发展提出了严重挑战,如何在不损失处理器性能的情况下减少处理器的所产生的热量的必要性。并介绍了相关领域所研究的成果,分析了当前的研究成果的优势以及不足,介绍了从操作系统的层面对任务调度器的改进来降低处理器的功耗是一个非常灵活有效的方案。 2．介绍现代处理器中的一种特殊的硬件监测电路PMU（PerformanceMonitoring Unit，硬件监测单元），利用PMU来监测和统计处理器中的底层硬件操作相关的事件，以及如何通过所统计出来的数据来估算每个任务的温度特征，在Linux操作系统中实现了在线统计PMU中不同事件的数据模块，利用所统计出来的数据可以用来指导任务调度器制定调度策略。 3．提出了一种面向任务的基于温度感知的任务调度算法和时间片动态调整算法，在Linux操作系统默认的任务调度器的基础上，本文实现了该温度感知的任务调度算法以及时间片动态调整算法，并在真实环境中测试了该调度器，通过实验说明了该调度器在不降低系统性能的基础上降低了5%-10%的热量的产生。 4．在单核面向任务的基于温度感知的任务调度器的基础上，又提出了多核多处理器的任务调度算法，并对该算法进行模拟，并通过实验结果说明该面向多核多处理器的温度感知调度器能将整体片上热量降低3%-5%。
【图文】：

器 和 P m C on t r o l （ IA 32 _P ER FE V T S EL x ） 寄 存 器 成 对 组 成 的 。 这 些 性 能 计 数 器所具 备 的 性质 如 下 ： 1． P m C ou nt e r （ IA 3 2_ P M C x ） 寄存 器的 物 理地 址 是 将 0C 1H 作 为自 己的 物 理起 始 地 址的 并 占据 了 从 起始 地 址之 后 的 一段 连 续 物理 地 址 空间 。 2． P m Co nt ro l （ IA 3 2_ P ER FE V T S EL x ）寄 存 器 的物 理 地址 是 将 01 86 H 作为 自己 的 物 理起 始 地 址的 并 占 据 了从 起 始 地址 之 后 的 一段 连 续 物理 地 址 空间 ， 每 一 个 硬 件 选 择 寄 存 器 从 IA 32 _P M C x 寄 存 器 的 物 理 起 始 地 址 开 始 所 相 应 的 硬 件事件 寄存 器 进行 配 对 。 3． P m Co u n t er （ IA 3 2_ P M C x ） 寄 存 器 可 以 通 过 上 文 介 绍 的 C P UI D 机 制 来获 得 寄 存 器 的 位 宽 ， 超 过 IA 3 2_ P M C x 寄 存 器 位 宽 的 位 都 是 未 定 义 的 ， 写 入 这些未 定 义 的位 是 所 写入 的 数 据 是不 起 作 用的 ， 将 被 忽略 ， 读 这些 未 定 义的 位 的 值 得 时 候 将 会 读 出 0 ，， IA 32 _P M C x 寄 存 器 的 低 31 为 可 以 被 写 入 任 何 值 ， 而 其第 32 位作 为符 号 扩展 。 图 2. 2 展示 了 IA 32 _ P ER FE V T S EL x 寄 存器 的 每 一 位的 含 义 [ 16 ]：

图2 . 3 a r c h it e c tu ra l 事 件列 表2. 2 . 4 任务 热量 特 征 刻画 标 准 文献 [ 1 8] 提 出 了 任务 对 处 理器 温 度 贡献 的 概 念 ，本文 提 出了 三 种 新 的任 务 热 量特 征 刻 画标 准 ， 所刻 画 出 来 的特 征 值 是面 向 任 务 的温 度 感 知的 任 务 调度 算 法 的基 础 。 本文 将 通 过实 验 验 证 本文 所 提 出的 三 种 热 量刻 画 标 准确 实 能 够反 映 任 务本 身 的 热量 特 征 。 标 准 1 ： 片 下 指 令 比 例 （ Of f - C h i p In s t ru c t i on P ro po r t i o n ）， 即 OC IP ， OC IP 主要 反 映 了一 个 任 务所 执 行 的 所有 指 令 中， 片 下 指 令所 占 比 例， 片 下 指令 一 般 就是 指 装 载内 存 指 令， 写 入 内 存指 令 和 数据 传 输 指 令， 这 些 指令 都 引 起了 数 据 在片 上 与 片下 之 间 的传 输 。 此 统计 标 准 之所 以 能 够 反映 任 务 本身 的 热 量特 征 是 因为 ， 一 个内 存 访 问指 令 的 执 行时 间 是 普通 运 算 指 令执 行 时 间的 几 十 甚至 上 百 倍， 在 执 行内 存 访 问指 令 的 时 候， 处 理 器处 于 空 闲 状态 ， 所 以如 果 一 个任 务 所 执行 的 所 有指 令 中 ，片 下 指 令 占据 的 比 例不 高 ， 则 说明 此 任 务的 处 理 器利 用 率
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP332

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本文编号：2617409