Minimizing cache usage with fixed-priority and earliest deadline first scheduling

doi:10.1007/s11241-024-09423-7

Minimizing cache usage with fixed-priority and earliest deadline first scheduling

2024-06-28

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DOI：10.1007/s11241-024-09423-7

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摘要缓存分区是一种用于减少在共享缓存的处理器上运行的任务之间干扰的技术。为使该技术有效，缓存段应分配给能从其数据及指令存储在缓存中获益最多的任务。缓存数据和指令的请求可从缓存内存中更快获取，而非从主内存获取，从而减少总体执行时间。实时系统中现有的分区方案将可用缓存分配给任务，以将可调度性作为唯一且主要的优化标准来保证。然而，在功耗受限或具有混合关键性（其中低关键性和高关键性工作负载并行执行）的系统中，减少实时任务的总缓存使用量也更为可取。作为设计空间探索的一部分，缓存最小化也有助于在嵌入式系统中实现最优系统性能和资源利用率。在本文中，我们开发了缓存分区优化算法，除了确保可调度性外，还最小化缓存使用量。我们考虑了单处理器系统上的抢占式和非抢占式调度策略，以及固定优先级和动态优先级调度算法（分别为Rate Monotonic (RM) 和 Earliest Deadline First (EDF))。对于抢占式调度，我们将问题表述为整数二次约束规划，并提出一种高效的启发式算法以实现近最优解。对于非抢占式调度，我们结合了线性与二分搜索技术，并应用不同的固定优先级可调度性测试以及针对EDF的快速处理器需求分析（QPA）。基于从真实嵌入式应用中获取参数的合成任务集进行的实验表明，所提出的启发式算法：(i) 在数学规划求解器运行时间的0.1倍内实现平均最优性间隙为0.79%；(ii) 相比现有缓存分区方法，平均减少39.15%的缓存使用量。此外，我们发现对于高利用率的任务集，非抢占式调度在保证可调度性方面使用的缓存可能少于抢占式调度。

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