鑒于處理器和應(yīng)用程序的復(fù)雜性增加，當(dāng)前一代操作系統(tǒng)（OS）主要關(guān)注軟件完整性，而部分忽略了從現(xiàn)有硬件中提取最大性能的需求。

處理器的性能與操作系統(tǒng)允許的一樣。嵌入式或其他計(jì)算平臺(tái)不僅包括物理資源（內(nèi)存、CPU 內(nèi)核、外圍設(shè)備和總線），通過資源分區(qū)（虛擬化）進(jìn)行管理，還包括性能資源，如 CPU 周期、時(shí)鐘速度、內(nèi)存和 I/O 帶寬，以及主/緩存內(nèi)存空間。這些資源通過優(yōu)先級(jí)或時(shí)間片等古老方法進(jìn)行管理，或者根本不管理。結(jié)果，處理器未得到充分利用并消耗過多的能量，從而剝奪了它們真正的性能潛力。

大多數(shù)現(xiàn)有的管理計(jì)劃都是零散的。CPU 周期由優(yōu)先級(jí)和時(shí)間隔離管理，這意味著需要在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)完成的應(yīng)用程序?qū)⒈槐Ａ粼摃r(shí)間，無論它們是否實(shí)際需要它。由于緩存未命中、未命中推測(cè)和 I/O 阻塞，無法安全地預(yù)測(cè)執(zhí)行時(shí)間，因此保留時(shí)間通常比所需時(shí)間長(zhǎng)。為了確保智能手機(jī)中的調(diào)制解調(diào)器堆棧接收足夠的 CPU 周期來進(jìn)行呼叫，其他應(yīng)用程序可能會(huì)被限制為不同時(shí)運(yùn)行。這就解釋了為什么一些未命名品牌手機(jī)的用戶抱怨說，當(dāng)手機(jī)響起時(shí)，GPS會(huì)掉線。

除此之外，電源管理最近引起了極大的興趣。請(qǐng)注意“單獨(dú)”特征。大多數(shù)部署的解決方案都擅長(zhǎng)檢測(cè)空閑時(shí)間、使用系統(tǒng)響應(yīng)緩慢的模式，或 CPU 可以以較低時(shí)鐘速度運(yùn)行從而節(jié)省能源的特定應(yīng)用程序。例如，英特爾提出了Hurry Up and Get Idle（HUGI）。要理解HUGI，請(qǐng)考慮以下類比：有人可以使用印地汽車全速到達(dá)目的地，然后將其停放，但也許使用普銳斯及時(shí)到達(dá)那里會(huì)更實(shí)用。您認(rèn)為哪個(gè)使用更少的氣體？基于使用模式的電源管理過于粗糙，無法始終有效地挖掘所有節(jié)能機(jī)會(huì)。

理想情況下，開發(fā)人員希望改變時(shí)鐘速度/電壓以匹配瞬時(shí)工作負(fù)載，但這不能僅通過關(guān)注正在運(yùn)行的應(yīng)用程序來完成。開發(fā)人員也許能夠確定應(yīng)用程序按時(shí)完成的最低時(shí)鐘速度，但是他們是否可以放慢時(shí)鐘速度，不知道其他等待運(yùn)行的應(yīng)用程序如果延遲會(huì)受到怎樣的影響？單獨(dú)管理任務(wù)和時(shí)鐘速度（電源）不能導(dǎo)致最佳能耗。獲勝的方法將同時(shí)管理/優(yōu)化所有性能資源，但至少要管理時(shí)鐘速度和任務(wù)調(diào)度。想象一下，任務(wù)調(diào)度員是行程計(jì)劃員，時(shí)鐘經(jīng)理是汽車司機(jī)。如果汽車減速，則必須重新計(jì)劃行程。驅(qū)動(dòng)程序可能由于路況不佳（緩存未命中）而必須減速，或者在鐵路障礙處停車（多線程中的障礙，由于分配的 I/O 帶寬不足而阻塞緩沖區(qū)為空等）。表現(xiàn)出數(shù)據(jù)依賴執(zhí)行時(shí)間的應(yīng)用程序也存在一個(gè)問題，因?yàn)樗鼈兺瓿傻臅r(shí)間在完成之前是未知的。應(yīng)該提前為這些應(yīng)用分配什么時(shí)鐘速度？

先進(jìn)的性能管理解決方案

管理性能資源的一個(gè)例子是VirtualMetrix性能管理（PerfMan），它通過參數(shù)驅(qū)動(dòng)的算法控制所有性能資源。該軟件調(diào)度任務(wù)、更改時(shí)鐘速度、確定空閑周期，并根據(jù)性能數(shù)據(jù)（如消耗的帶寬和停用的指令）分配 I/O 帶寬和緩存空間。這種方法（如圖 1 所示）解決了碎片問題，甚至可以實(shí)現(xiàn)最佳資源分配，甚至可以考慮現(xiàn)代處理器和數(shù)據(jù)相關(guān)應(yīng)用程序的執(zhí)行速度的不可預(yù)測(cè)性。

圖1：PerfMan 使用參數(shù)驅(qū)動(dòng)的算法控制所有性能資源，從而實(shí)現(xiàn)最佳資源分配。

正在申請(qǐng)專利的已完成工時(shí)分配算法使用閉環(huán)方法，該方法通過將已完成的工作與仍要執(zhí)行的工作進(jìn)行比較來做出分配決策，以系統(tǒng)提供的任何可測(cè)量的性能量表示。例如，如果應(yīng)用程序是填充緩沖區(qū)的視頻播放器或通信協(xié)議，則 PerfMan 可以跟蹤緩沖區(qū)填充級(jí)別并確定時(shí)鐘速度和運(yùn)行時(shí)間，以便及時(shí)填充緩沖區(qū)。完成的時(shí)間不可避免地會(huì)有所不同，因此決策會(huì)周期性地更新。在許多情況下，緩沖區(qū)會(huì)過度填充，以防止在緩沖區(qū)空時(shí)阻塞，這可能導(dǎo)致計(jì)時(shí)沖突。PerfMan 能夠精確分配性能，將緩沖保持在最低限度并減少內(nèi)存占用。該算法可以處理混合在一起的硬、軟和非實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。

如果將應(yīng)用程序執(zhí)行圖量化為簡(jiǎn)單的性能參數(shù)，并且截止時(shí)間在重要時(shí)已知，則算法將動(dòng)態(tài)調(diào)度以及時(shí)滿足截止時(shí)間。即使是非實(shí)時(shí)應(yīng)用程序也需要一些性能分配，以避免無限期推遲。分配應(yīng)用程序所需的最小處理器資源會(huì)增加系統(tǒng)利用率，從而導(dǎo)致更高的可能工作負(fù)載。該方法不依賴于嚴(yán)格的優(yōu)先級(jí)，盡管可以使用它們。執(zhí)行中的優(yōu)先級(jí)或順序是應(yīng)用程序在等待輪到運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)出的緊迫性的直接結(jié)果，這是要執(zhí)行的基本工作/已完成范式的函數(shù)。

擴(kuò)展到更多維度

如果任務(wù)已準(zhǔn)備好在現(xiàn)有操作系統(tǒng)中運(yùn)行，它們將運(yùn)行，但它們是否需要運(yùn)行？如果操作系統(tǒng)知道它們不會(huì)影響它們的運(yùn)行，它們是否可以延遲（強(qiáng)制空閑）？

了解每個(gè)任務(wù)的時(shí)間以及它是正在運(yùn)行還是等待運(yùn)行，使軟件能夠自動(dòng)確定最小時(shí)鐘速度和運(yùn)行時(shí)間。因此，在所有負(fù)載條件下，一切都按時(shí)完成。將時(shí)鐘速度與瞬時(shí)工作負(fù)載相匹配并不意味著時(shí)鐘速度始終最小化。低能耗的目標(biāo)有時(shí)需要高速爆發(fā)，然后是空閑，就像英特爾的 HUGI 一樣。但即便如此，運(yùn)行速度超過最佳利用率（每單位時(shí)間執(zhí)行的操作）所指示的速度也沒有好處。在等待內(nèi)存操作完成時(shí)快速計(jì)時(shí)不會(huì)節(jié)省能源。

該算法的口號(hào)是“以最低的能耗實(shí)現(xiàn)最高的利用率/工作負(fù)載”，這在很大程度上是通過管理所有性能資源的閉環(huán)算法來實(shí)現(xiàn)的。

在多核系統(tǒng)中，無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)平衡的負(fù)載、低多線程屏障延遲和最低的總體能耗。若要解決此問題，可以將 PerfMan 配置為優(yōu)化一個(gè)或多個(gè)性能屬性。如果目標(biāo)是最低能耗，那么不平衡的系統(tǒng)（某些內(nèi)核負(fù)載高，而其他內(nèi)核為空并因此關(guān)閉）可能會(huì)提供最低的能耗，但代價(jià)是執(zhí)行延遲更長(zhǎng)，整體性能較低。

加速線程以減少屏障延遲也可能導(dǎo)致更高的能耗。但是，滿足截止日期（硬或軟）會(huì)覆蓋所有其他考慮因素。基于閉環(huán)的精確性能資源分配算法可以安全地保持更高的工作負(fù)載水平，這反過來又允許將核心整合比現(xiàn)有方法進(jìn)一步推動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)更高的能耗降低。

在 VMX Linux 上的實(shí)現(xiàn)

PerfMan已實(shí)現(xiàn)為獨(dú)立于常駐操作系統(tǒng)運(yùn)行的瘦內(nèi)核（sdKernel）。它已移植到 Linux 2.6.29 （VMX Linux），如圖 2 所示。安卓端口即將完成。該軟件接管 Linux 任務(wù)調(diào)度并與現(xiàn)有的電源管理基礎(chǔ)架構(gòu)互通。sdKernel 的單獨(dú)版本提供虛擬化，并支持符合 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境中的硬實(shí)時(shí)任務(wù)。在許多平臺(tái)上，調(diào)度/上下文切換都處于亞微秒級(jí)別，但由于大多數(shù) Linux 系統(tǒng)調(diào)用對(duì)于硬實(shí)時(shí)應(yīng)用程序來說太慢了，因此 sdKernel 為基本外圍設(shè)備、計(jì)時(shí)器和其他資源提供了 API。

圖2：在 Linux 實(shí)現(xiàn)中，PerfMan 接管 Linux 任務(wù)調(diào)度并與現(xiàn)有的電源管理基礎(chǔ)架構(gòu)互通。

通過監(jiān)控性能，該軟件可以檢測(cè)異常執(zhí)行模式，預(yù)測(cè)即將到來的操作系統(tǒng)崩潰和崩潰。在這種情況下，sdKernel 將通知任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用程序停止使用 Linux 系統(tǒng)調(diào)用，并在重新啟動(dòng) Linux 時(shí)暫時(shí)切換到 sdKernel API（安全模式）。

VMX Linux 支持真實(shí)和非實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的混合，具有高效的性能隔離，同時(shí)最大限度地降低了能耗。它還可以提供硬件隔離/安全性和安全著陸。

基準(zhǔn)測(cè)試顯示結(jié)果

使用 VMX 設(shè)計(jì)的電能表實(shí)時(shí)測(cè)量的能耗是系統(tǒng)累積的，并與各個(gè)應(yīng)用程序相關(guān)聯(lián)。媒體播放器應(yīng)用程序（視頻和音頻）首先使用標(biāo)準(zhǔn) Linux 2.6.29（圖 3 紅色圖表）和 VMX Linux（圖 3 藍(lán)色圖表）在 OMAP35xx BeagleBoard 上運(yùn)行。

圖3：在 OMAP35xx BeagleBoard 上使用 VMX Linux 可實(shí)現(xiàn) 95% 的平均負(fù)載，并及時(shí)完成。

性能合規(guī)性（性能組合圖）顯示應(yīng)用程序任務(wù)按時(shí)完成的程度（中心線）。該行下方表示違反最后期限。請(qǐng)注意，使用 VMX Linux，在沒有預(yù)緩沖和違反截止時(shí)間的情況下實(shí)現(xiàn)了 95% 的平均負(fù)載，但它已經(jīng)接近了。使用 VMX Linux 時(shí)，46 秒視頻的總電路板能耗從 68.7 W*sec 下降到 27.6 W*sec。顯示的數(shù)據(jù)表示預(yù)設(shè)間隔內(nèi)的平均值。作為額外的好處，當(dāng)Linux故意崩潰時(shí)，視頻會(huì)消失，但音樂以安全模式播放，沒有可聽見的故障。

簡(jiǎn)而言之，該實(shí)施創(chuàng)造了一種新的績(jī)效管理方法，并取得了令人興奮的結(jié)果。審核編輯：郭婷