嵌入式众核系统温度感知的任务映射算法及功耗管控方法研究

发布时间：2017-07-03 09:17

  本文关键词：嵌入式众核系统温度感知的任务映射算法及功耗管控方法研究

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【摘要】：随着嵌入式系统应用领域的延伸,应用需求作为嵌入式系统发展的核心动力,对系统性能提出了更高的要求。高性能、高集成度的多处理器体系架构被提出并得到了广泛的应用。随着特征尺寸的降低,芯片内部功耗密度增大,单位面积产热量的增加造成芯片内部温度的上升。芯片过热严重影响到系统运行的性能和可靠性,热效应问题因其严峻性在近年来被广泛地研究和关注。其中,满足热效应相关约束的任务与功耗管理方面的研究成为了热点问题之一。本文针对众核系统温度、性能双优化目标下的任务管理问题,提出了温度感知的动态任务映射算法和实时功耗管控方法。首先,通过对现有任务映射算法的缺陷分析,在CoNA算法的基础上提出了以系统温度和性能双优化为设计目标的实时温度感知任务映射算法TWeNA。算法设计中,提出了基于通信权重的任务图内部任务映射排序算法,在映射准备阶段优化网络通信性能;同时,基于实时温度反馈,在智能爬山首节点选择算法的基础上进行改进,优化映射区域的选择;在进行动态任务映射时,提出了一种新型的候选节点优先级分析方法,综合考量对系统温度和性能的影响。其次,由于在系统运行过程中,负载和温度分布存在实时变化,本文在TDP(Thermal Design Power)设计功率约束下建立了合理的功耗管控方案,实时监控系统的动态变化,获取温度反馈信息,结合动态电压频率调节技术,制定合理的细粒度功耗管控决策,实现在额定功率约束下系统的高性能计算和温度空间分布的均衡性。在方案设计中,提出了自定义的应用调度优先级评判标准和系统性能影响因子分析方法,制定功耗管控方案的整体调度流程。分析功耗管控单元的需求和功能,构建众核系统温度感知功耗管控的整体架构图。最后,通过所搭建的众核系统验证平台,对本文所提出的任务映射算法和功耗管控方案分别进行评估。结果显示,TWeNA算法与当前较优的任务映射算法相比,在网络吞吐率上有20%左右的优化,同时网络发包延时减少;在温度优化方面,有效降低了系统的峰值温度,同时温度方差明显减少。在原有任务映射算法的基础上引入功耗管控方法之后,系统的吞吐率得到了近25%的提升;系统热均衡性优化效果显著,温度方差数值与单纯应用TWeNA算法相比降低了8%至55%;在TDP约束下,系统的能量利用效率得到了近15%的提升。
【关键词】：嵌入式众核系统 动态温度管理 温度感知 任务映射 功耗管控 动态电压频率调节
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP368.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 缩略词表14-15
• 第一章 绪论15-23
• 1.1 研究背景15-17
• 1.1.1 嵌入式众核系统的发展15
• 1.1.2 热效应对嵌入式众核系统的影响15-17
• 1.1.3 嵌入式众核系统热量管理17
• 1.2 国内外研究现状17-21
• 1.2.1 众核系统的功耗管理17-18
• 1.2.2 众核系统任务映射算法18-20
• 1.2.3 众核系统动态热量管理策略20-21
• 1.3 研究内容及结构安排21-23
• 第二章 嵌入式众核系统温度管控技术概论23-39
• 2.1 嵌入式众核系统设计方法学23-27
• 2.1.1 基于片上网络的众核系统架构23-25
• 2.1.2 基于片上网络的众核系统设计流程25-27
• 2.2 嵌入式众核系统并行编程模型27-28
• 2.3 众核系统能量与温度建模28-33
• 2.3.1 能量建模28-30
• 2.3.2 温度建模30-33
• 2.4 嵌入式众核系统温度管理方法33-38
• 2.4.1 基于硬件的热量管理技术33-35
• 2.4.2 基于软件的热量管理技术35-36
• 2.4.3 温度感知与温度估计36-37
• 2.4.4 温度感知任务调度流程37-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第三章 温度感知的动态任务映射算法设计39-51
• 3.1 现有任务映射算法缺陷分析39-42
• 3.1.1 非连续型任务映射算法缺陷分析39-40
• 3.1.2 温度感知任务映射算法缺陷分析40-42
• 3.2 功耗温度估计模型比较及选择42-44
• 3.2.1 线性模型42-43
• 3.2.2 周期累加型温度增长模型43-44
• 3.2.3 考虑环境温度的简易温度估计模型44
• 3.3 温度感知的动态任务映射算法设计44-50
• 3.3.1 相关参数定义44-45
• 3.3.2 问题定义45-46
• 3.3.3 优先级分析46-47
• 3.3.4 温度感知任务映射算法流程47-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第四章 众核系统实时温度感知功耗管控方案设计51-62
• 4.1 温度感知功耗管控问题描述与实现策略51-55
• 4.1.1 众核系统温度感知功耗管控问题描述51-52
• 4.1.2 功耗约束下的温度优化实现策略52-53
• 4.1.3 任务调度优先级分析53-54
• 4.1.4 性能影响因子分析54-55
• 4.2 众核系统功耗管控需求分析及架构设计55-58
• 4.2.1 功耗管控单元需求分析55-56
• 4.2.2 功耗管控单元架构设计56-57
• 4.2.3 众核系统功耗管控工作流程57-58
• 4.3 众核系统实时功耗管控方案58-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第五章 系统仿真及方案效果评估62-78
• 5.1 嵌入式众核系统验证平台搭建62-67
• 5.1.1 系统软件平台62-63
• 5.1.2 实时温度反馈工具63-64
• 5.1.3 实时功耗反馈工具64
• 5.1.4 仿真平台搭建64-67
• 5.2 评估方案设计67
• 5.3 TWeNA任务映射算法评估67-72
• 5.3.1 系统性能优化评估68-70
• 5.3.2 系统温度优化评估70-72
• 5.4 功耗管控方案评估72-75
• 5.4.1 系统性能优化评估72-74
• 5.4.2 系统温度优化评估74-75
• 5.5 系统能量利用效率评估75-77
• 5.6 本章小结77-78
• 第六章 总结与展望78-80
• 6.1 工作总结78-79
• 6.2 研究展望79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-85
• 个人简历及攻读硕士学位期间的研究成果85-86

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本文编号：513107