嵌入式開發(fā)：如何用RTOS實現(xiàn)實時動態(tài)負載平衡

嵌入式Linux帶有負載平衡機制，但有一個缺點:操作系統(tǒng)會產(chǎn)生很高的開銷，這可能會嚴重影響確定性。由于大多數(shù)硬實時RTOS不支持SMP架構上的負載平衡，開發(fā)者通常求助于構建他們自己的支持。這項工作本身也存在挑戰(zhàn)：

l資源使用：由于每個內(nèi)核都有自己的緩存、寄存器和其他獨特的功能，嵌入式開發(fā)人員必須花時間徹底了解平臺，以便在不影響性能或資源爭用的情況下有效地分配任務。

l內(nèi)存訪問：如果開發(fā)人員將具有公共內(nèi)存池的任務分配給不同的內(nèi)核，如果沒有充分考慮應用程序的控制和數(shù)據(jù)流，就可能會出現(xiàn)內(nèi)存訪問爭用問題。

l任務優(yōu)先級：開發(fā)人員必須了解所有任務的優(yōu)先級和截止日期，以確保高優(yōu)先級任務被分配了足夠的資源和時間來避免延遲。

l動態(tài)適應：因為負載平衡是一個適應不斷變化的系統(tǒng)條件的過程，所以開發(fā)人員必須實現(xiàn)某種反饋循環(huán)或控制機制，以便在運行時不斷重新評估線程分配并調(diào)整策略。

l同步開銷：開發(fā)人員必須最大限度地減少內(nèi)核間任務切換所需的開銷，以減少延遲并保持系統(tǒng)的實時響應能力。

RTOS級別的負載平衡

像PX5RTOS這樣的RTOS是為基于多核MPU的應用程序設計的，它提供了內(nèi)置的負載平衡，與嵌入式Linux和其他操作系統(tǒng)相比，它可以以顯著更低的開銷滿足硬實時決定論。PX5RTOS實現(xiàn)了本機POSIXpthreadsAPI，運行所需空間小于10KB，具有極強的可移植性和資源效率，使嵌入式開發(fā)人員無需構建自己的負載均衡器。

這款RTOS本地負載平衡器的運行方式與許多流行的負載平衡技術相同：

1.給定任意數(shù)量的內(nèi)核，RTOS會跟蹤每個內(nèi)核上運行的線程。當一個內(nèi)核變得空閑并且一個線程可用于調(diào)度時，RTOS調(diào)度該線程在該內(nèi)核上運行。

2.如果沒有空閑的內(nèi)核，并且有一個新線程準備就緒，則RTOS使用該線程的優(yōu)先級進行調(diào)度:如果其優(yōu)先級高于當前正在運行的任何其他線程，則RTOS會調(diào)度新線程來搶占正在運行的線程。如果其優(yōu)先級低于當前運行的任何線程，RTOS將等待下一個可用的內(nèi)核運行。

這種方法使用與嵌入式Linux相同的處理器親和API，使得開發(fā)人員可以輕松地將線程分配給特定的內(nèi)核，并依靠RTOS來執(zhí)行這種分配。與大多數(shù)RTOS一樣，開發(fā)人員必須確保共享資源的正確管理，以避免爭用問題。

并非所有線程都被認為是平等的

在典型的單核、基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度環(huán)境中，嵌入式開發(fā)人員一次只能運行一個線程。在SMP環(huán)境中，這種情況無法保證，因為多線程可以在任意數(shù)量的內(nèi)核上并行運行。為了避免這種行為對要求在給定時間只運行最高優(yōu)先級線程的系統(tǒng)的潛在負面影響，PX5RTOS使開發(fā)人員能夠配置調(diào)度，只允許同等優(yōu)先級的線程在所有內(nèi)核上并行運行。這種方法加強了更嚴格的并行度，使開發(fā)人員對他們系統(tǒng)的可預測性更有信心。

結論

開發(fā)人員必須實現(xiàn)動態(tài)負載平衡，才能在占地面積小、功耗低的多核平臺上實現(xiàn)硬實時性能和響應能力。像PX5RTOS加載平衡功能這樣的機制支持就緒應用程序線程與可用內(nèi)核的動態(tài)配對，所有這些都在一個超小型(小于10KB)、超可移植(具有完全兼容的pthreadsAPI)和經(jīng)過嚴格測試(每個版本的100%C語句和分支決策覆蓋率)的包中。

RTOS本機負載平衡使嵌入式開發(fā)開發(fā)人員能夠?qū)Ｗ⒂趹贸绦蜻壿嫼蜏y試，而不必構建自己的跨多個處理器分配工作負載的方法。