Dynamic task management in MPSoC platformson

Zhang, Diandian; Ascheid, Gerd; Leupers, Rainer

doi:HT019428074

Dynamic task management in MPSoC platformson = Dynamisches Task-Management in MPSoC Plattformen

Zhang, Diandian^RWTH*

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Ingenieur Diandian Zhang

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (vi, 183 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Ascheid, Gerd (Thesis advisor)^RWTH* ; Leupers, Rainer (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-04-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-07257
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/697772/files/697772.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/697772/files/697772.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Integrierte Systeme der Signalverarbeitung (611810)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
application-specific instruction-set processor (ASIP) (frei) ; communication architecture (frei) ; dynamic task management (frei) ; multi-processor system-on-chip (MPSoC) (frei) ; spinlock (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die heutige Siliziumtechnologie im Submikronbereich ermöglicht die Integration von mehr Funktionalitäten auf einem einzelnen Chip als je zuvor. Gleichzeitig wird aber die Lücke zwischen Chip-Rechenleistung und -Kapazität immer größer, und damit Verlustleistung bzw. Energieverbrauch besonders kritisch. Die Multi-Processor System-on-Chip (MPSoC) Technologie bietet aus der Perspektive der Systemarchitektur eine vielversprechende Problemlösung. Der Schlüssel liegt in der Parallelisierung auf der Task-Ebene. Wenn die Tasks parallel auf mehreren Prozessoren ausgeführt werden, können MPSoCs mit einer niedrigen Taktfrequenz hohe Rechenleistung erreichen. Somit können die Systeme mit einer niedrigen Spannung versorgt werden, wodurch die Verlustleistung und der Energieverbrauch stark reduziert werden. Dafür ist ein effizientes Task-Management in MPSoCs sehr wichtig. Das Verhalten heutiger eingebetteter Systeme ist sehr dynamisch. Dies fordert außerdem ein entsprechendes dynamisches Task-Management, damit sich das System an unterschiedlichen Situationen und Szenarien anpassen kann.Die Umsetzung vom dynamischen Task-Management in MPSoCs ist eine anspruchsvolle Aufgabe, weil sowohl die Effizienz, als auch die Flexibilität betrachtet werden müssen, die aber typischerweise im Widerspruch zueinander stehen. In der Literatur basieren die meisten Implementierungen vom dynamischen Task-Management entweder auf Reduced Instruction Set Computers (RISCs) oder auf Application-Specific Integrated Circuits (ASICs). Beide können die Anforderungen von gutem dynamischem Task-Management aber nur teilweise erfüllen. Während RISCs für große Systeme nicht effizient genug sind, bieten ASICs wenig Flexibilität. In dieser Arbeit wird eine Implementierung vorgestellt, die auf dem Konzept von Application-Specific Instruction-set Processors (ASIPs) basiert, um die Flexibilität von RISCs und die Effizienz von ASICs zu kombinieren. Das Ergebnis der Entwicklung ist ein spezieller ASIP, der hier als OSIP (Operating System application-specific Instruction-set Processor) bezeichnet wird. Dieser Prozessor hat spezielle Architektureigenschaften und spezifische Instruktionen, um typische Operationen im dynamischen Task-Management, wie z.B. Vergleich auf der Task-Ebene und Operationen auf verketteten Listen, zu beschleunigen.Der OSIP wird hinsichtlich seiner Effizienz mit einem RISC-basierten und einem hypothetischen, extrem schnellen ASIC-basierten Task-Manager im Systemzusammenhang vergleichen, wobei unterschiedliche Systemgrößen und Belastungen des Task-Managers betrachtet werden. Insbesondere wird der Einfluss verschiedener Kommunikationsarchitekturen auf die OSIP-Effizienz untersucht. Die Analyseergebnisse bestätigen die hohe Effizienz des OSIPs im Task-Management und zeigen, dass die Kommunikationsarchitektur wichtig für die Ausnutzung der OSIP-Effizienz ist. Ein weiterer Vorteil der OSIP-Lösung ist die Möglichkeit von Software-Änderungen. Diese wird hier ausgenutzt, um einen verbesserten Kontrollmechanismus für Spinlocks zu realisieren, der auf a-priori Anwendungskenntnissen basiert. Mit dieser Erweiterung wird die Systemleistung signifikant erhöht, und die OSIP-basierten Systeme zeigen damit in vielen Fällen sogar eine bessere Leistung als die Systeme mit dem hypothetischen ASIC Task-Manager. Durch die Analyse der OSIP-Effizienz und -Flexibilität wird eindeutig gezeigt, dass ein ASIP-basierter Task-Manager die Anforderungen vom dynamischen Task-Management voll erfüllen kann.Das Task-Management in OSIP-basierten Systemen wird üblicherweise zentral organisiert, was für MPSoCs mit traditionell Bus-basierten Kommunikationsarchitekturen gut geeignet ist. Heutzutage sind Networks-on-Chip (NoCs) aufgrund ihrer hohen Skalierbarkeit in großen Systemen immer weiter verbreitet. Diese Kommunikationsarchitektur hat eine verteilte Charakteristik, was nicht direkt zu dem Konzept eines zentralen Task-Managers passt. In dieser Arbeit wird ein Proxy-basierter Ansatz vorgeschlagen, um den OSIP in NoC-basierte Systeme zu integrieren. Dabei wird die Kommunikation zwischen mehreren Prozessoren und dem OSIP über ein NoC in die lokale Kommunikation über einen einfachen Bus effektiv konvertiert, damit der Kommunikationsaufwand für das Task-Management des OSIPs reduziert wird.

Today's submicron silicon technology enables integration of much more functionalities onto a single chip than ever before. At the same time, the gap between chip performance and capacity becomes larger and larger, and power as well as energy consumption issues become extremely critical. The Multi-Processor System-on-Chip (MPSoC) technology offers a promising solution to these problems from the system architecture perspective. The key is its task-level parallelism. By running tasks on multiple processors in parallel, MPSoCs are able to achieve high performance at a low clock frequency, consequently at a low supply voltage, which largely reduces power and energy consumption. This implies that efficient task management is highly important in MPSoCs. Furthermore, in today's embedded systems, the system behavior is very dynamic, which naturally calls for dynamic task management to enable the system to adapt to different situations and scenarios.Dynamic task management support in MPSoCs is a challenging task. It should consider both efficiency and flexibility, which are typically contradictory to each other. In literature, most implementations of dynamic task management systems are based on either Reduced Instruction Set Computers (RISCs) or Application-Specific Integrated Circuits (ASICs). However, they can only partly meet the requirements of good dynamic task management. While the former are not efficient enough for large systems, the latter lack in flexibility. This thesis proposes an implementation based on the concept of Application-Specific Instruction-set Processors (ASIPs) in order to combine the flexibility of RISCs and the efficiency of ASICs. As a result, an ASIP called OSIP (Operating System application-specific Instruction-set Processor) is developed. It employs special architectural features and customized instructions to speed up typical operations in dynamic task management, such as task-level comparisons and operations related to list-based data structures.The efficiency of OSIP is compared with a RISC-based and a hypothetical extremely fast ASIC task manager in a system context, considering different system sizes and OSIP workloads. Especially, the impact of communication architectures on the OSIP efficiency is investigated. The evaluation results confirm the high efficiency of OSIP in task management, and show that a well-designed communication architecture is important for full exploitation of the OSIP efficiency. The advantages of the OSIP flexibility are highlighted by extending the functionality of OSIP in software to support an advanced spinlock control mechanism based on a-priori application knowledge. With this extension, significant performance improvement is achieved, and the OSIP-based systems have even better performance than the systems using the hypothetical ASIC task manager in many cases. Based on the analysis of the OSIP efficiency and flexibility, it is clearly shown that an ASIP task manager can meet the challenges of dynamic task management.The task management in OSIP-based systems is organized in a centralized way, which is well suited for MPSoCs using traditional bus-based communication architectures. However, Networks-on-Chip (NoCs) are nowadays more and more widely used in modern large-scale systems due to their advantages in scalability. This communication architecture paradigm presents distributive architectural characteristics, which somehow do not fit into the concept of using a central task manager. In this thesis, a proxy-based approach is proposed for the integration of OSIP into NoC-based systems, which can effectively convert remote communications with OSIP over a NoC into local communications through a simple bus, thereby reducing the communication overhead caused by the task management of the OSIP.

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