制程變異下溫度感知的MPSoC任務(wù)分配及調(diào)度策略的評估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制程變異下MPSoC (多核片上系統(tǒng))任務(wù)分配及調(diào)度策略的評估方法，尤其涉及一種溫度感知的帶有制程變異的MPSoC任務(wù)分配及調(diào)度策略的評估方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，片上系統(tǒng)(System-on-a-chip，SoC)以其高集成度，體積小，低功耗的特點(diǎn)在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用。而各個(gè)應(yīng)用行業(yè)的不斷發(fā)展對嵌入式電子產(chǎn)品的功能和性能也提出了更高的要求，多核片上系統(tǒng)(Multiprocessor System-on-a-chip, MPSoC)由此而產(chǎn)生，成為了片上系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
[0003]隨著工藝的不斷進(jìn)步，芯片單位面積上集成的晶體管數(shù)量也呈指數(shù)增長，這使得整個(gè)芯片的功耗劇烈增加，同時(shí)也帶來了芯片溫度過高的問題。高溫會(huì)使芯片的性能下降，加速芯片的老化，帶來許多問題，因此芯片的溫度及功耗控制成為了當(dāng)前的研宄熱點(diǎn)。
[0004]制程變異(Process Variat1n)是集成電路在制造的過程中晶體管的屬性(長，寬，柵氧化層厚度等)自然發(fā)生的變化。當(dāng)工藝發(fā)展到較小的節(jié)點(diǎn)(小于65nm)時(shí)，制程變異給芯片帶來的影響越發(fā)明顯，因此制程變異成為了集成電路芯片性能提升的瓶頸之一。即使是完全相同環(huán)境下生產(chǎn)出的MPSoC，在性能上也會(huì)存在著微小的差別，而過高的溫度會(huì)將MPSoC間的微小差別放大，對性能和功耗產(chǎn)生顯著的影響，被放大的不確定性會(huì)使得MPSoC的表現(xiàn)不符合設(shè)計(jì)者的預(yù)期，加大芯片設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)難度。
[0005]在MPSoC的設(shè)計(jì)中，合理的任務(wù)分配與調(diào)度(Task Allocat1n and Scheduling，TAS)能夠在滿足設(shè)計(jì)約束(如響應(yīng)時(shí)間，峰值溫度，能量消耗等)的條件下提升處理單元(Processing Elements, PEs)的利用率。然而，制程變異的存在使得MPSoC的設(shè)計(jì)約束并不能輕易達(dá)到，傳統(tǒng)的用來產(chǎn)生可行解的最壞時(shí)間分析法已不再適用。由于時(shí)間延遲、功率、溫度等相關(guān)變化帶來的復(fù)雜性，對于MPSoC的設(shè)計(jì)者來說，很難決定在特定的約束條件下，哪種任務(wù)調(diào)度策略更好。因此，為了保障調(diào)度算法的性能產(chǎn)出(Performance Yield)，對不同任務(wù)分配以及調(diào)度策略進(jìn)行定量分析評估和比較成為了重要的問題。
[0006]構(gòu)建一套制程變異下溫度感知的MPSoC任務(wù)分配及調(diào)度策略的評估方法，能幫助MPSoC設(shè)計(jì)者們在芯片設(shè)計(jì)時(shí)作出正確的決策。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了彌補(bǔ)當(dāng)前在制程變異下考慮溫度影響的MPSoC任務(wù)分配和調(diào)度策略的評估方面的空白，提供了一種制程變異下溫度感知的MPSoC任務(wù)分配和調(diào)度策略的評估方法，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)將任務(wù)分配及調(diào)度策略轉(zhuǎn)化為模型的過程，并可以給出對模型進(jìn)行屬性查詢的結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)對制程變異下不同的任務(wù)分配及調(diào)度策略的評估選擇。
[0008]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
一種制程變異下溫度感知的MPSoC任務(wù)分配及調(diào)度策略的評估方法，特點(diǎn)是該方法包括以下步驟:
步驟一:結(jié)合MPSoC平臺(tái)的設(shè)計(jì)信息，在不考慮制程變異信息的情況下根據(jù)任務(wù)分配和調(diào)度策略計(jì)算出所有可能的TAS映射解決方案并生成TAS映射實(shí)例；
步驟二:在考慮制程變異的前提下對任務(wù)、任務(wù)完成狀態(tài)、PE、功耗、溫度、熱點(diǎn)數(shù)及熱點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)將功耗模型、溫度模型以及MPSoC平臺(tái)的制程變異信息的整合，并自動(dòng)將TAS映射實(shí)例轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的可執(zhí)行NPTA模型；同時(shí)自動(dòng)生成后臺(tái)配置，提供給各個(gè)模型訪問；
步驟三:將用戶給定的MPSoC設(shè)計(jì)約束轉(zhuǎn)化成屬性查詢語句，使用UPPAAL-SMC作為查詢引擎對NPTA模型進(jìn)行隨機(jī)性模擬，生成統(tǒng)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)；
步驟四:分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)，評估當(dāng)前任務(wù)分配和調(diào)度策略是否滿足設(shè)計(jì)約束，若滿足則從中選出最優(yōu)解，若不滿足則進(jìn)行參數(shù)調(diào)優(yōu)，修改任務(wù)分配方式和調(diào)度策略，找出最優(yōu)解；其中:
所述MPSoC平臺(tái)的設(shè)計(jì)信息包括帶任務(wù)執(zhí)行信息的任務(wù)圖DAG以及MPSoC的平臺(tái)規(guī)格信息；
所述TAS映射實(shí)例由改變?nèi)蝿?wù)與MPSoC平臺(tái)間的映射關(guān)系以及采用不同的調(diào)度策略生成。
[0009]所建的任務(wù)模型中所有任務(wù)擁有相同的行為模式；該模型會(huì)將整個(gè)NPTA模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化，其中任務(wù)圖中的第一個(gè)任務(wù)會(huì)將與時(shí)間和功耗相關(guān)的PE的制程變異信息初始化；任務(wù)在“接收”狀態(tài)將接收該任務(wù)所有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)完成情況通知；當(dāng)任務(wù)所有的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)任務(wù)完成之后，模型將跳轉(zhuǎn)到“運(yùn)行”狀態(tài)，將任務(wù)發(fā)送到PE上并通知相應(yīng)PE ;當(dāng)任務(wù)完成之后，模型跳轉(zhuǎn)到“結(jié)束”狀態(tài)，并通過“發(fā)送”狀態(tài)通知該任務(wù)的所有后繼節(jié)點(diǎn)該任務(wù)已經(jīng)完成。
[0010]所述對任務(wù)完成狀態(tài)進(jìn)行建模是建立任務(wù)監(jiān)視器模型，任務(wù)監(jiān)視器模型用于監(jiān)控任務(wù)的執(zhí)行情況；根據(jù)DAG圖的語義，當(dāng)某幾個(gè)特定的任務(wù)執(zhí)行完成時(shí)，判斷所有的任務(wù)都已完成；當(dāng)所有任務(wù)完成時(shí)，任務(wù)監(jiān)視器模型向功耗模型、溫度模型等模型發(fā)送所有任務(wù)結(jié)束的通知。
[0011]所建PE模型中所有PE擁有相同的行為模式；每個(gè)PE維護(hù)一個(gè)任務(wù)隊(duì)列，按順序保存并執(zhí)行已經(jīng)就緒的任務(wù)；任務(wù)實(shí)際執(zhí)行時(shí)間與后臺(tái)配置中的制程變異信息有關(guān)，即服從后臺(tái)配置中的概率分布；所述PE模型通過同步信號向任務(wù)模型、功耗模型、溫度模型發(fā)送通知以更新各自的狀態(tài)。
[0012]所建功耗模型負(fù)責(zé)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)功率消耗，并計(jì)算累計(jì)的能量消耗；其中，功耗模型在“等待”狀態(tài)下更新系統(tǒng)功率，并根據(jù)當(dāng)前功率計(jì)算系統(tǒng)的能量消耗情況。
[0013]所建溫度模型負(fù)責(zé)監(jiān)控PE的實(shí)時(shí)溫度，每個(gè)PE對應(yīng)一個(gè)溫度模型；溫度模型根據(jù)PE的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)用后臺(tái)配置中的函數(shù)實(shí)時(shí)更新PE溫度。
[0014]所述對熱點(diǎn)數(shù)及熱點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行建模是建立熱點(diǎn)監(jiān)視器模型和熱點(diǎn)計(jì)時(shí)器模型，熱點(diǎn)監(jiān)視器模型和熱點(diǎn)計(jì)時(shí)器模型實(shí)現(xiàn)了熱點(diǎn)統(tǒng)計(jì)功能；熱點(diǎn)監(jiān)視器模型統(tǒng)計(jì)MPSoC的熱點(diǎn)數(shù)量；當(dāng)超過溫度閥值的PE數(shù)量不為O時(shí)，即認(rèn)為該MPSoC出現(xiàn)熱點(diǎn)；熱點(diǎn)計(jì)時(shí)器模型負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)MPSoC出現(xiàn)熱點(diǎn)的時(shí)間。
[0015]所述后臺(tái)配置包括任務(wù)依賴關(guān)系矩陣、制程變異信息、溫度模型和功耗模型信息以及設(shè)計(jì)約束信息；所述后臺(tái)配置能夠被各個(gè)模型訪問。
[0016]所述屬性查詢使用了一種簡化TCTL(Timed Computat1n Tree Logic，即時(shí)間計(jì)算樹邏輯)查詢語言進(jìn)行描述，具體形式如下:
Pr[<= X] (<>task_finish && energy <= e)；
Pr [energy <= e] (〈> task_finish && time <=x && hotspot_time <= y)；
式中，task_finish表示整個(gè)任務(wù)DAG的完成，time <= x表示響應(yīng)時(shí)間不超過x，hotspot_time <= y表示熱點(diǎn)時(shí)間不超過y，energy <= e表示消耗的能量不超過e。本發(fā)明中X，y，e采用的值分別為70，75，10000。
[0017]所述參數(shù)調(diào)優(yōu)的具體實(shí)現(xiàn)方式為:通過修改任務(wù)與PE的映射關(guān)系或者修改MPSoC平臺(tái)規(guī)格得到不同的映射方案，使用UPPAAL-SMC進(jìn)行屬性查詢后根據(jù)生成的結(jié)果對不同的映射方案進(jìn)行評估，選擇滿足設(shè)計(jì)約束的任務(wù)分配方式；或者采用不同的調(diào)度策略，得到不同的TAS解決方案，對UPPAAL-SMC生成的結(jié)果進(jìn)行分析，幫助MPSoC設(shè)計(jì)者選擇出滿足設(shè)計(jì)約束的最優(yōu)調(diào)度策略。
[0018]本發(fā)明的有益效果:可以準(zhǔn)確地反映受溫度影響的任務(wù)分配與調(diào)度實(shí)例在