嵌入式系统/ARM技术中的Linux超线程感知的调度算法研究

随着计算机应用的日益普及，用户对计算机的处理能力的需求成指数级增长。为了满足用户的需求，处理器生产厂商采用了诸如超流水、分支预测、超标量、乱序执行及缓存等技术以提高处理器的性能。但是这些技术的采用增加了微处理器的复杂性，带来了诸如材料、功耗、光刻、电磁兼容性等一系列问题。因此处理器设计人员开始寻找新的途径来提高处理器的性能。Intel公司于2002年底推出了超线程技术，通过共享处理器的执行资源，提高CPU的利用率，让处理单元获得更高的吞吐量。 　　1 超线程技术背景 　　传统的处理器内部存在着多种并行操作方式。①指令级并行ILP(Instruction Level Paramllelism 嵌入式系统与ARM技术是计算机科学领域的重要组成部分，尤其在现代科技的快速发展中，它们在各种设备和应用中扮演着关键角色。嵌入式系统是集成在硬件设备中的小型计算机系统，通常用于特定功能的控制，而ARM（Advanced RISC Machines）是一种广泛使用的微处理器架构，以其低功耗和高性能而闻名。随着对处理能力需求的增加，处理器设计者开始探索新的技术以提升性能。 超线程技术是Intel公司在2002年推出的一种创新方法，以解决传统处理器面临的性能提升限制。传统的处理器通过指令级并行（ILP）实现一定的并行性，但只能同时执行一个线程。而超线程技术，即同时多线程（SMT），允许一个物理处理器被视为两个逻辑处理器，每个逻辑处理器都能运行独立的线程。这样，即使在一个线程等待数据时，处理器的其他部分也能被用来执行另一个线程的任务，从而提高了CPU资源的利用率。 在超线程技术中，物理处理器的资源被复制、划分和共享。复制的资源如寄存器和状态信息，使得每个逻辑处理器都能独立工作；划分的资源如缓冲区在多任务时分配给两个逻辑处理器，而在单任务时合并；共享的资源如缓存和执行单元，由两个逻辑处理器共同使用。这种设计使得处理器可以在同一时间处理更多的计算任务，提升了整体的系统吞吐量。 Linux操作系统从2.4.17版本开始支持超线程技术。然而，最初的Linux O(1)调度器并未考虑到超线程的特性，导致可能无法充分利用这一优势。为解决这个问题，Ingo Molnar提出了一个名为“HT-aware scheduler patch”的补丁，对O(1)调度器进行了优化，使其能够识别和有效地利用超线程处理器。优化策略包括优先调度到空闲的物理CPU的逻辑核心，减少因线程迁移产生的开销，并考虑到了逻辑CPU之间的资源共享，比如缓存，这可以减少数据传输的时间，提高效率。 在Linux后续版本中，这些优化策略被采纳，调度算法更加智能，能够更好地适应超线程环境，从而实现更高的系统性能。通过这样的调度优化，嵌入式系统/ARM技术中的Linux平台能够更好地利用超线程技术，提供更强大的计算能力和更高效的资源管理，这对于嵌入式设备的性能提升和能效优化至关重要。