系統(tǒng)級處理器熱量控制的研究和設(shè)計.pdf

1、微處理器設(shè)計技術(shù)的進步導(dǎo)致了芯片上更大密度的晶體管數(shù)量以及更高的性能，處理器的功耗也隨著晶體管密度的增加而增大，但日益增加的功耗和不斷積累的芯片熱量也造成越來越嚴重的散熱問題。芯片上的高溫不僅降低了處理器的可用性，縮短了處理器的生命周期，還增加了冷卻處理器的成本，近些年來隨著單芯片多處理器（CMP），多線程處理器（SMT）以及對稱多處理器（SMP）的出現(xiàn)，使得單個芯片上晶體管的密度更大，功耗問題變得更加嚴重。多種多樣的用來運行時熱量控制

2、的動態(tài)熱量管理（DTM）技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。然而，這些技術(shù)只單純考慮了處理器的溫度卻沒有考慮到運行在處理器上的各種各樣的任務(wù)的熱量特征?；谟布軜?gòu)級的熱量控制技術(shù)通過在處理器上增加溫度控制單元來監(jiān)控處理器溫度，在處理器溫度超過閾值是降低處理器速度來對處理器降溫，但同時也降低了處理器的性能。另外，基于操作系統(tǒng)層面的溫度控制方法也越來越多，而且比架構(gòu)級溫度控制更加的靈活，本人在前人的工作基礎(chǔ)上提出了在操作系統(tǒng)級別通過對任務(wù)調(diào)度器的優(yōu)化來進行熱量

3、控制。本文在基于Linux內(nèi)核中的默認輪詢調(diào)度器的基礎(chǔ)上，增加了任務(wù)溫度特征的在線采集模塊，并以所采集數(shù)據(jù)為元數(shù)據(jù)實現(xiàn)了一個面向任務(wù)的基于溫度感知的任務(wù)調(diào)度器，這個調(diào)度器綜合任務(wù)本身的動態(tài)溫度特征、運行時負載的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及芯片上的實時溫度統(tǒng)計來決定處理器上的哪一個應(yīng)用會被調(diào)度以及是否需要進行時間片動態(tài)擴展。本文以IntelCoreSolo處理器作為硬件實驗平臺，實現(xiàn)了此調(diào)度器，并從Mibench和SPEC2000測試應(yīng)用集合中挑了16個

4、具有代表性的應(yīng)用來評估此調(diào)度器。與Linux默認的調(diào)度器相比，傳統(tǒng)的基于溫度感知的調(diào)度器對于芯片的平均溫度和峰值溫度改進非常有限，但本文所提出的面向應(yīng)用的溫度感知的調(diào)度器將平均溫度平均減少了2℃，為正常溫度的5％（最多到3℃，為正常溫度的10％），并將峰值溫度平均減少了1℃（最多到2℃)，而所付出的代價幾乎可以忽略，很好的降低了處理器的功耗以及芯片上的溫度。主要工作包括：
　　 ⑴總結(jié)了現(xiàn)代處理器的發(fā)展歷程，并闡述了在處理器的頻

5、率遵循摩爾定律飛速發(fā)展的同時，處理器所產(chǎn)生的熱量也越來越大，并逐漸成為一個影響處理器性能的主要原因，對現(xiàn)代處理器的發(fā)展提出了嚴重挑戰(zhàn)，如何在不損失處理器性能的情況下減少處理器的所產(chǎn)生的熱量的必要性。并介紹了相關(guān)領(lǐng)域所研究的成果，分析了當(dāng)前的研究成果的優(yōu)勢以及不足，介紹了從操作系統(tǒng)的層面對任務(wù)調(diào)度器的改進來降低處理器的功耗是一個非常靈活有效的方案。
　　 ⑵介紹了現(xiàn)代處理器中的一種特殊的硬件監(jiān)測電路PMU（PerformanceM

6、onitoringUnit，硬件監(jiān)測單元），利用PMU來監(jiān)測和統(tǒng)計處理器中的底層硬件操作相關(guān)的事件，以及如何通過所統(tǒng)計出來的數(shù)據(jù)來估算每個任務(wù)的溫度特征，在Linux操作系統(tǒng)中實現(xiàn)了在線統(tǒng)計PMU中不同事件的數(shù)據(jù)模塊，利用所統(tǒng)計出來的數(shù)據(jù)可以用來指導(dǎo)任務(wù)調(diào)度器制定調(diào)度策略。
　　 ⑶提出了一種面向任務(wù)的基于溫度感知的任務(wù)調(diào)度算法和時間片動態(tài)調(diào)整算法，在Linux操作系統(tǒng)默認的任務(wù)調(diào)度器的基礎(chǔ)上，本文實現(xiàn)了該溫度感知的任務(wù)調(diào)度算法