ARM big.LITTLE大小核架构在Linux和Android内核下多核调度算法

老匹夫 2015-06-08

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在2013年，big.LITTLE 家族又增加了新的SoC实现，有2个Cortex-A15+3个Cortex-A7核的ARM的参考测试芯片TC2，以及在三星Galaxy S4手机中应用的Samsung-LSI的4个Cortex-A15核+4个Cortex-A7核的'Octa-core'芯片。Linaro在ARM的big.LITTLE SoCs上针对Linux和Android内核做了很多的性能优化（包括负载控制、针对big.LITTLE架构的性能和电源管理），以提高多核multi-core程序的能效，增加待机时间。最新的多核多任务的调度方法包括内核里交换器（或者说CPU迁移算法CPU Migration/IKS In Kernel Switcher）、全局任务调度（Global Task Scheduling，或者大小核MP/ big.LITTLE MP)。

图1. big.LITTLE SoCs的多核任务调度算法

早期的big.LITTLE软模型才去簇迁移或者CPU迁移(cluster migration或者CPU migration)调度算法，即软件在核间切换，但不能把所有的核同时运行。最新的软件模型，全局任务调度(Global Task Scheduling)能同时使能所有的核，直接控制各核间的线程分配。大小核切换是使用动态电压和频率调整(dynamic voltage and frequency scaling (DVFS))方法让任务在高电压的大核和低电压的小核间切换，进而提高各种负载情况下的能效。核间任务切换时间为30微秒，而DVFS驱动每50微秒评估OS和核。GTS算法下会根据线程的负载进行负荷均衡。以上多核任务调度算法都是在内核层次进行的，因而不用对用户应用程序进行任何修改。

CPU迁移算法IKS – In Kernel Switcher (CPU Migration)

IKS是Linaro开发的适用于对称的Cortex-A7和Cortex-A15核组的芯片。每一对Cortex-A7和Cortex-A15核组在Linux内核里被视为虚拟的对称核。线程在互斥的两个对称核里运行，即要么在高性能的Cortex-A15内运行，要么在低功耗的Cortex-A7核内运行，即最高性能只取决于Cortex-A15的核。IKS算法在Linux内核里已经实现，容易测试和产品化。

图2. IKS(4+4)和Cortex-A7和Cortex-A15核组架构图

全局任务调度(Global Task Scheduling ,大小核MP/ big.LITTLE MP)

ARM开发的GTS算法也在Linaro里被称为big.LITTLE MP。此算法下，所有的大小核在Linxu内核下都可见用于任务调度，日前的Linaro构建里都包含了该调度算法。

图3. GTS(4+4)和Cortex-A7和Cortex-A15核组架构图

相比IKS算法，GTS算法有如下的优势：

更精细的核间负载控制，因为调度器Scheduler能直接切换核间任务，内核的额外开销减少从而减少功耗；
调度器Scheduler里的实现相比基于cpufreq框架的实现决策更快，相比IKS大概有10%的性能提升。
GTS支持非对称的架构，如2个Cortex-A15核加上4个Cortex-A7核；
可以同时应用所有的峰值处理能力，如图3中的处理能力为4个Cortex-A15核加上4个Cortex-A7核的处理能力。

big.LITTLE MP内核补丁能创建一个处理当前任务的Cortex-A15和Cortex-A7核列表，然后根据历史负载统计分配并跟踪每个任务并进行核间任务切换。高处理能力需求的往Cortex-A15转移，而低处理能力需求的往低功耗的Cortex-A7核迁移。

表1. big.LITTLE IKS vs big.LITTLE MP(GTS)内核调度算法比较

	big.LITTLE IKS CPU Migration	big.LITTLE MP、GTS
核配置	Cortex-A15+Cortex-A7核对	任意数量的Cortex-A15核+Cortex-A7核，并且可以同时运行。
对内核影响	最低限度的修改，修改只应用于governor	对内核修改较多，包括调度器scheduler、流程标注等
最大处理能力	所有的Cortex-A15	所有的Cortex-A15核+Cortex-A7核
任务切换	基于cpufreq框架	直接使用scheduler，10%性能提升；
可用性	存在Linaro的每月构建里	存在Linaro的每月构建里
Kernel.org	在3.11或者3.12里会存在	在后续的几个季度内会上传

以上的调度算法以Cortex-A15核+Cortex-A7核的多核SoCs为例，但更多的big.LITTLE SoCs可能采用ARM更新的Cortex-A57+ Cortex-A53的架构一样适用。

总结

以上的big.LITTLE架构的任务调度算法已经在Linaro的构建里存在，并且有些算法在实际的系统中做了性能评估。如三星最新的Galaxy S4手机采用的是8核系统，即4个Cortex-A15核加上4个Cortex-A7核的系统已经采用基于簇的迁移算法。即便是采用性能最不经济的cluster Migration算法在高通Qualcomm的多核Snapdragon系统中证明其能效的优越性。Samsung在Exynos 5中已经用Cortex-A7的能耗带来了类似Cortex-A15级别的性能。