Suporte para aplicações dinâmicas em sistemas multiprocessados intra-chip homogêneos

Abstract

Modern MPSoC systems use resources previously available only in general purpose computers providing more functionalities for the applications. The architectural evolution enables more resources to be implemented on these embedded systems and determines an increased complexity of new hardware and software designs. In addition to the increased design complexity of current MPSoC systems, it is evident the difficulty in efficient use of computational resources found on such platforms. As well as the determinism and response time prioritized in many embedded systems, the programmability of MPSoCs is very relevant. Thus, well-defined software interfaces help developers to create applications that utilize optimally the computational resources found in these systems. Most embedded applications are divided into tasks and statically mapped to processing elements at design time, in order to optimize a set of pre-stablished metrics. However, the dynamic nature of new applications requires efficient strategies for the dynamic mapping and task migration to be implemented. In this context, this thesis presents a model for dynamic applications and distributed management of these in homogeneous MPSoC systems. The system management uses task migration concepts and timing constraints, where tasks characterization parameters’ are used in scheduling decision making and optimization at runtime. In this work we used a homogeneous MPSoC architecture, consisting of processing elements with a local memory interconected by a NoC. This environment allows the execution of applications managed by a distributed operating system that implements the proposed model and offers many services for the development and optimization of embedded applications. Many works in this field make use of a centralized manager to perform the system optimization at runtime, however such solutions tend to be not very scalable. Results show that the use of distributed managers present greater efficiency in systems with a large number of processing elements and tasks, with a reduction in the system stabilization time and reduction of deadline misses for applications with realtime constraints.

Sistemas MPSoC modernos fazem uso de recursos que eram disponibilizados apenas em computadores de propósito geral provendo mais funcionalidades para as aplicações. A evolução arquitetural possibilita que mais recursos sejam implementados nestes sistemas embarcados e determina um aumento na complexidade dos novos projetos de hardware e software. Além do aumento da complexidade de projeto em sistemas MPSoC atuais, torna-se evidente a dificuldade na utilização eficiente dos recursos computacionais encontrados em tais plataformas. Assim como o determinismo e o tempo de resposta priorizado em muitos sistemas embarcados, a programabilidade de MPSoCs é muito relevante. Dessa forma, interfaces bem definidas de software ajudam o desenvolvedor a criar aplicações que utilizam de maneira otimizada os recursos computacionais encontrados nestes sistemas.A maior parte das aplicações embarcadas são divididas em tarefas e estaticamente mapeadas a elementos de processamento em tempo de projeto, de forma a otimizar um conjunto de métricas pré-estabelecidas. No entanto, a natureza dinâmica de novas aplicações estabelece que estratégias eficientes de mapeamento dinâmico e migração de tarefas sejam implementadas. Neste contexto, esta tese apresenta um modelo para aplicações dinâmicas e gerenciamento distribuído destas em sistemas MPSoC homogêneos. O gerenciamento do sistema faz uso dos conceitos de migração de tarefas e restrições temporais, onde parâmetros de caracterização das tarefas são utilizados nas tomadas de decisão de escalonamento e otimização em tempo de execução. Neste trabalho é utilizada uma arquitetura MPSoC homogênea, composta por elementos de processamento com memórias locais interconectados por uma NoC. Este ambiente permite a execução de aplicações gerenciadas por um sistema operacional distribuído que implementa o modelo proposto e oferece diversos serviços para o desenvolvimento e otimização de aplicações embarcadas. Muitos trabalhos na área fazem uso de um gerente centralizado para realizar a otimização do sistema em tempo de execução, no entanto tais soluções tendem a ser pouco escaláveis. Os resultados obtidos mostram que o uso de gerentes distribuídos apresentam maior eficiência para sistemas com um grande número de elementos de processamento e tarefas, com redução nos tempos de estabilização do sistema e redução nas perdas de deadline para aplicações com restrições de tempo real.