ARM big.LITTLE大小核架构在Linux和Android内核下多核调度算法

2013年,big.LITTLE 家族又增加了新的SoC实现,有2Cortex-A15+3Cortex-A7核的ARM的参考测试芯片TC2,以及在三星Galaxy S4手机中应用的Samsung-LSI4Cortex-A15+4Cortex-A7核的'Octa-core'芯片。LinaroARMbig.LITTLE SoCs上针对LinuxAndroid内核做了很多的性能优化(包括负载控制、针对big.LITTLE架构的性能和电源管理),以提高多核multi-core程序的能效,增加待机时间。最新的多核多任务的调度方法包括内核里交换器(或者说CPU迁移算法CPU Migration/IKS In Kernel Switcher)、全局任务调度(Global Task Scheduling,或者大小核MP/ big.LITTLE MP)

ARM big.LITTLE大小核架构在Linux和Android内核下多核调度算法_第1张图片

1. big.LITTLE SoCs的多核任务调度算法

早期的big.LITTLE软模型才去簇迁移或者CPU迁移(cluster migration或者CPU migration)调度算法,即软件在核间切换,但不能把所有的核同时运行。最新的软件模型,全局任务调度(Global Task Scheduling)能同时使能所有的核,直接控制各核间的线程分配。大小核切换是使用动态电压和频率调整(dynamic voltage and frequency scaling (DVFS))方法让任务在高电压的大核和低电压的小核间切换,进而提高各种负载情况下的能效。核间任务切换时间为30微秒,而DVFS驱动每50微秒评估OS和核。GTS算法下会根据线程的负载进行负荷均衡。以上多核任务调度算法都是在内核层次进行的,因而不用对用户应用程序进行任何修改。

CPU迁移算法IKS – In Kernel Switcher (CPU Migration)

IKSLinaro开发的适用于对称的Cortex-A7Cortex-A15核组的芯片。每一对Cortex-A7Cortex-A15核组在Linux内核里被视为虚拟的对称核。线程在互斥的两个对称核里运行,即要么在高性能的Cortex-A15内运行,要么在低功耗的Cortex-A7核内运行,即最高性能只取决于Cortex-A15的核。IKS算法在Linux内核里已经实现,容易测试和产品化。

ARM big.LITTLE大小核架构在Linux和Android内核下多核调度算法_第2张图片

2. IKS(4+4)Cortex-A7Cortex-A15核组架构图

全局任务调度(Global Task Scheduling ,大小核MP/ big.LITTLE MP)

ARM开发的GTS算法也在Linaro里被称为big.LITTLE MP。此算法下,所有的大小核在Linxu内核下都可见用于任务调度,日前的Linaro构建里都包含了该调度算法。

ARM big.LITTLE大小核架构在Linux和Android内核下多核调度算法_第3张图片

3. GTS(4+4)Cortex-A7Cortex-A15核组架构图

相比IKS算法,GTS算法有如下的优势:

  • 更精细的核间负载控制,因为调度器Scheduler能直接切换核间任务,内核的额外开销减少从而减少功耗;
  • 调度器Scheduler里的实现相比基于cpufreq框架的实现决策更快,相比IKS大概有10%的性能提升。
  • GTS支持非对称的架构,如2Cortex-A15核加上4Cortex-A7核;
  • 可以同时应用所有的峰值处理能力,如图3中的处理能力为4Cortex-A15核加上4Cortex-A7核的处理能力。

big.LITTLE MP内核补丁能创建一个处理当前任务的Cortex-A15Cortex-A7核列表,然后根据历史负载统计分配并跟踪每个任务并进行核间任务切换。高处理能力需求的往Cortex-A15转移,而低处理能力需求的往低功耗的Cortex-A7核迁移。

1. big.LITTLE IKS vs big.LITTLE MP(GTS)内核调度算法比较

 

big.LITTLE IKS CPU Migration

big.LITTLE MPGTS

核配置

Cortex-A15+Cortex-A7核对

任意数量的Cortex-A15+Cortex-A7核,并且可以同时运行。

对内核影响

最低限度的修改,修改只应用于governor

对内核修改较多,包括调度器scheduler、流程标注等

最大处理能力

所有的Cortex-A15

所有的Cortex-A15+Cortex-A7

任务切换

基于cpufreq框架

直接使用scheduler10%性能提升;

可用性

存在Linaro的每月构建里

存在Linaro的每月构建里

Kernel.org

3.11或者3.12里会存在

在后续的几个季度内会上传

以上的调度算法以Cortex-A15核+Cortex-A7核的多核SoCs为例,但更多的big.LITTLE SoCs可能采用ARM更新的Cortex-A57+ Cortex-A53的架构一样适用。

总结

以上的big.LITTLE架构的任务调度算法已经在Linaro的构建里存在,并且有些算法在实际的系统中做了性能评估。如三星最新的Galaxy S4手机采用的是8核系统,即4Cortex-A15核加上4Cortex-A7核的系统已经采用基于簇的迁移算法。即便是采用性能最不经济的cluster Migration算法在高通Qualcomm的多核Snapdragon系统中证明其能效的优越性。SamsungExynos 5中已经用Cortex-A7的能耗带来了类似Cortex-A15级别的性能。

Reference

http://houh-1984.blog.163.com/blog/static/31127834201361593836748/

Versatile Express V2P-CA15_A7 CoreTile

http://blogs.arm.com/soc-design/1009-ten-things-to-know-about-biglittle/

http://www.linaro.org/linaro-blog/2013/07/10/big-little-software-update/

2013年,big.LITTLE 家族又增加了新的SoC实现,有2Cortex-A15+3Cortex-A7核的ARM的参考测试芯片TC2,以及在三星Galaxy S4手机中应用的Samsung-LSI4Cortex-A15+4Cortex-A7核的'Octa-core'芯片。LinaroARMbig.LITTLE SoCs上针对LinuxAndroid内核做了很多的性能优化(包括负载控制、针对big.LITTLE架构的性能和电源管理),以提高多核multi-core程序的能效,增加待机时间。最新的多核多任务的调度方法包括内核里交换器(或者说CPU迁移算法CPU Migration/IKS In Kernel Switcher)、全局任务调度(Global Task Scheduling,或者大小核MP/ big.LITTLE MP)

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