[論文レビュー] Scheduling of Hard Real-Time Multi-Thread Periodic Tasks

Irina Iulia Lupu, Joël Goossens|arXiv (Cornell University)|May 25, 2011

Real-Time Systems Scheduling参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、周期的タスクが複数の独立したスレッドから構成され、それらが異なるプロセッサ上で同時に実行可能な、ハードリアルタイムシステム向けの新しい並列タスクモデルを提案する。階層的およびグローバルスレッドスケジューラーを導入し、正確なスケジューラビリティテストを提示しており、シミュレーションを通じて、プロセッサ数が増加するにつれて、Gangスケジューリングに比べて成功確率と応答時間が優れていることを示している。

ABSTRACT

In this paper we study the scheduling of parallel and real-time recurrent tasks. Firstly, we propose a new parallel task model which allows recurrent tasks to be composed of several threads, each thread requires a single processor for execution and can be scheduled simultaneously. Secondly, we define several kinds of real-time schedulers that can be applied to our parallel task model. We distinguish between two scheduling classes: hierarchical schedulers and global thread schedulers. We present and prove correct an exact schedulability test for each class. Lastly, we also evaluate the performance of our scheduling paradigm in comparison with Gang scheduling by means of simulations.

研究の動機と目的

• 同一のマルチプロセッサプラットフォーム上における周期的でマルチスレッドのリアルタイムアプリケーションのための、現実的でないタスクモデルおよびスケジューラビリティ解析の欠如に取り組むこと。
• 複数のプロセッサ上でタスクの独立したスレッドが同時に実行可能である新しい並列タスクモデルを設計すること。
• 固定タスク優先度（FTP）および固定サブプログラム優先度（FSP）に基づく、予測可能なスケジューラー（階層的およびグローバルスレッドスケジューラー）を設計すること。
• 両スケジューラークラスの正確なスケジューラビリティテストを提供し、リアルタイムシステムの正しさと実現可能性の分析を保証すること。
• 提案されたモデルの性能をGangスケジューリングと比較して、特に成功確率および最悪応答時間（WCRT）の観点から実証的に評価すること。

提案手法

• 各周期的タスク τi がオフセット Oi、個々の最悪実行時間 C_i^j を持つ v_i 個のサブプログラムの集合、周期 Ti、相対デッドライン Di を持つ形式的なタスクモデルを導入する。
• タスク（オフライン定義）とプロセス／スレッド（ランタイムインスタンス）を区別し、スレッドが利用可能なプロセッサ上で独立してスケジューリングされることを明確にする。
• スケジューラーを2つのクラスに分類する：階層的（タスクおよびサブプログラムレベルで優先度を割り当てる）とグローバルスレッドスケジューラー（タスク構造とは独立してスレッド優先度を割り当てる）。
• スケジューリング動作の予測可能性とタスクの周期性に着目し、リアルタイム理論の既知の結果を活用して、正確なスケジューラビリティテストを構築する。
• 合成ワークロードを用いたシミュレーション評価により、提案されたマルチスレッドスケジューラーとGangスケジューリングの間で成功確率および最悪応答時間（WCRT）を比較する。
• 実用性を評価するため、複数段階のタスク（並列度が変化する順次段階を有する）へのモデルの拡張を試み、階層的スケジューラーにおける非予測的動作（タイミング異常）を示す反例を提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周期的タスクの独立したスレッドが複数のプロセッサ上で同時に実行可能である、現実的で適切な並列タスクモデルを定義できるか？
• RQ2 FTPおよびFSPに基づく階層的およびグローバルスレッドスケジューラーは、マルチスレッド周期的タスクの文脈で予測可能か？
• RQ3 これらのスケジューラークラスに対して、形式的に導出され、正しく証明された正確なスケジューラビリティテストを導出できるか？
• RQ4 提案されたマルチスレッドスケジューリング手法は、Gangスケジューリングに比べて、成功確率および応答時間の観点で優れているか？
• RQ5 順次実行段階と並列実行段階を有する複数段階タスクへのモデルの拡張には、どのような制限があるか？

主な発見

• 16プロセッサプラットフォーム上、利用度10.4の条件下で、提案されたマルチスレッドスケジューリング手法はGangスケジューリングに比べ、成功確率が最大7.5倍向上した。
• 4、8、16プロセッサ環境において、(DM, IM)スケジューラーはGang DMに比べ、最低優先度タスクの最悪応答時間（WCRT）を最大8%まで短縮した。プロセッサ数が増加するにつれて性能差は拡大した。
• 2プロセッサプラットフォームでは、(DM, IM)スケジューラーとGang DMの間で最低優先度タスクのWCRTは同一であったが、より大きなプラットフォームでは性能優位性が顕著に現れた。
• (DM, IM)スケジューラーは、測定されたタスクシステムの最大50%においてGang DMに比べてWCRTが優れており、大多数のケースで応答時間が優れている。
• 提案されたスケジューラーは予測可能であり、正確なスケジューラビリティテストを可能にした。これは、従来のヒューリスティクスや十分条件に依存する手法とは対照的である。
• 初期化、並列計算、最終化段階を有する複数段階タスクへのモデルの拡張は、反例を用いて階層的スケジューラーにおける非予測的動作（タイミング異常）を示した。