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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:廖健合
研究生(外文):Jian-HeLiao
論文名稱:嵌入式系統之排程硬體化加速設計
論文名稱(外文):Hardware Acceleration Design for Embedded Operating System Scheduling
指導教授:周哲民
指導教授(外文):Jer-Min Jou
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:電機工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:59
中文關鍵詞:排程硬體化作業系統紅黑樹
外文關鍵詞:SchedulingHardwareOperating systemARMRed black tree
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本篇論文中,我們主要探討嵌入式系統的排程硬體化。作業系統的排程中主要是實現任務的排序,選擇任務的執行,每當有新的任務進入作業系統中時就會執行排程。作業系統的排程往往都會限制住其效能,所以我們在此探討以ARM平台為基礎做Linux排程硬體化發展,利用硬體化加速提升作業系統效率。在排程硬體化中,我們主要實現紅黑樹的演算法,其中包含插入任務到紅黑樹、從紅黑樹中移除任務、檢查紅黑樹是否符合規定等。之後,加速排程硬體透過軟硬體的溝通傳輸資料,將任務傳輸給硬體做紀錄,建立紅黑樹,並且在紅黑樹中選擇下一個要執行的任務通知軟體端執行。
實驗當中,在插入任務方面大約節省有20%左右的時間,在移除任務方面大概有只有5%左右小幅縮減,所以平均下來至少有12%以上效能的提升,在任務越多的情況下,效能提升的幅度也越大。所以嵌入式系統的排程硬體化與一般嵌入式系統比較,能得到更佳的效能。

In this paper, we focus on the embedded system scheduling in hardware. The scheduling of the operating system achieves the sort of tasks and selects the next execution tasks. When a new task is forked by the operating system, the scheduler will start. Operating system scheduling often limits on its effectiveness, so we explore the Linux scheduling hardware on an ARM platform. We use hardware acceleration to enhance the efficiency of the operating system. In the scheduling hardware, we mainly implement red-black tree algorithm which contains inserting task into the red-black tree, removing the task from the red-black tree, and checking the red-black tree following rules. The scheduling hardware communication between the hardware and software transfer the task to record, build the red-black tree, select the next task which will be implement, and notice software side to receive data from the hardware.
In experiments, inserting the task can save about 20% of the time, and removing the task just can save only about 5%. In average, there is more than 12% time to be saved. When task numbers grow more and more, performance will be critical. Therefore, the hardware scheduling of embedded systems can gain a performance better.

摘 要 I
Abstract II
目 錄 IV
表 目 錄 VII
圖 目 錄 VIII
第1章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法 1
1.3 論文架構 1
第2章 相背景與相關研究關研究 2
2.1 嵌入式系統 2
2.2 開發平臺 3
2.2.1 PB926EJ-S架構 4
2.2.2 記憶體配置 5
2.2.3 Logic tile FPGA發展板 6
第3章 排程架構分析 8
3.1 系統架構設計 8
3.1.1 系統設計流程 9
3.1.2 排程之軟硬體系統架構 10
3.2 軟體模組設計 10
3.2.1 排程程式設計 12
3.2.2 排程資料結構 13
3.2.3 紅黑樹 14
3.2.3.1 插入節點 15
3.2.3.2 移除節點 20
第4章 排程 架構硬體設計與實現 26
4.1 硬體模組設計 27
4.2 排程硬體設計 28
4.2.1 接收資料 28
4.2.2 插入紅黑樹 29
4.2.2.1 修改插入節點顏色 30
4.2.3 選擇下一個任務 31
4.2.4 移除任務 32
4.2.5 回傳資料 35
4.2.6 初始化硬體狀態 35
4.3 排程 Wrapper設計 35
4.3.1 排程: 36
4.3.2 讀寫控制器: 36
4.3.2.1 ST_IDLE: 37
4.3.2.2 ST_READ: 37
4.3.2.3 ST_WRITE: 37
4.3.3 突發式傳輸的設計 39
4.3.3.1 ST_IDLE: 40
4.3.3.2 ST_BURST_READ: 40
4.3.3.3 ST_BURST_WRITE: 40
4.3.4 Data Selection Counter 42
4.3.5 Output Select 43
第5章 實驗環境與效能結果分析 44
5.1 開發環境 44
5.1.1 硬體開發環境 45
5.1.2 軟體開發環境 45
5.2 硬體合成結果 47
5.3 軟體與硬體量測方法 49
5.4 軟體/硬體系統驗證 50
5.5 實驗結果分析 50
第6章 結論和未來展望 56
6.1 結論 56
6.2 未來研究 57
參考文獻 58

[1]Takumi Nakanot ,Andy Utamaz, Mitsuyoshi Itabashis, Akichika Shiomiz, Masaharu Imai, “Hardware Implementation of a Real-time Operating System, TRON '95 Proceedings of the The 12th TRON Project International Symposium, 1995 Page 34
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[3]Andrew Morton and Wayne M. Loucks. “A hardware/software kernel for system on chip designs. In Proceedings of the 2004 ACM symposium on Applied computing (SAC '04), 869-875
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[7]Pramote Kuacharoen , Mohamed A. Shalan , Vincent J. Mooney III, “A Configurable Hardware Scheduler for Real-Time Systems, in Proceedings of the International Conference on Engineering of Reconfigurable Systems and Algorithms, 2003, P96-101
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[15]ARM , http://www.arm.com/
[16]Xilinx , http://www.xilinx.com/
[17]Linux Source , http://www.kernel.org/

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