一種高效的浮點(diǎn)上下文切換算法

張東　梅濤

摘 要：為了提升基于浮點(diǎn)運(yùn)算的任務(wù)上下文切換性能，本文提出了一種高效的浮點(diǎn)上下文切換算法；基于某型嵌入式實(shí)時(shí)操作系，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了所提出的浮點(diǎn)上下文切換算法，并進(jìn)行任務(wù)上下文切換的性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的浮點(diǎn)上下文切換算法可以有效地提高混合環(huán)境下任務(wù)切換的效率，顯著減小浮點(diǎn)任務(wù)上下文切換的時(shí)間消耗。

關(guān)鍵詞：浮點(diǎn)任務(wù)；上下文切換；性能對(duì)比

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、背景

隨著嵌入式領(lǐng)域信息處理技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的應(yīng)用需要使用浮點(diǎn)運(yùn)算來(lái)完成其功能，對(duì)操作系統(tǒng)[ 1 ]提出了新的功能和性能要求。在信息處理領(lǐng)域，通常情況下浮點(diǎn)任務(wù)和非浮點(diǎn)任務(wù)配合使用，完成各種計(jì)算。如果操作系統(tǒng)在任務(wù)切換的過(guò)程中，對(duì)每一個(gè)任務(wù)均保存和恢復(fù)浮點(diǎn)上下文，則會(huì)造成大量的時(shí)間和空間開(kāi)銷，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，需要提出新的浮點(diǎn)任務(wù)和非浮點(diǎn)任務(wù)切換算法，為混合任務(wù)環(huán)境下任務(wù)的高效切換提供支持。

二、浮點(diǎn)上下文切換算法

上下文切換[ 2 ]的基本原理就是當(dāng)發(fā)生任務(wù)切換時(shí)，保存當(dāng)前任務(wù)的寄存器到內(nèi)存中，將下一個(gè)即將要切換過(guò)來(lái)的任務(wù)的寄存器狀態(tài)恢復(fù)到當(dāng)前 CPU 寄存器中，使其繼續(xù)執(zhí)行，同一時(shí)刻只允許一個(gè)任務(wù)獨(dú)享寄存器。在任務(wù)切換的過(guò)程中是涉及任務(wù)上下文的保存和恢復(fù)操作，而任務(wù)上下文切換操作的性能是衡量操作系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。任務(wù)上下文切換指標(biāo)可以反映出操作系統(tǒng)在多任務(wù)環(huán)境下的處理能力。由于浮點(diǎn)運(yùn)算應(yīng)用的大量普及，已有的操作系統(tǒng)上下文切換算法已不能有效滿足實(shí)時(shí)高效處理的需求。

為了提高任務(wù)切換的性能，減少浮點(diǎn)上下文的保存和恢復(fù)次數(shù)，本文設(shè)計(jì)了一種高效浮點(diǎn)上下文切換算法。該浮點(diǎn)上下文切換的基本原理為：盡量延遲浮點(diǎn)上下文的保存和恢復(fù)操作，僅在切換到使用浮點(diǎn)運(yùn)算的任務(wù)時(shí)，才進(jìn)行浮點(diǎn)上下文的保存和恢復(fù)操作。使用浮點(diǎn)運(yùn)算的任務(wù)稱為浮點(diǎn)任務(wù)，否則稱為普通任務(wù)。如果當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)為普通任務(wù)，那么該任務(wù)在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，不會(huì)破壞浮點(diǎn)上下文，則不需要進(jìn)行浮點(diǎn)上下文的保存和恢復(fù)操作；如果當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)為浮點(diǎn)任務(wù)，那么直到換到另一個(gè)浮點(diǎn)任務(wù)時(shí)，才進(jìn)行浮點(diǎn)上下文的保存和恢復(fù)操作。根據(jù)該原理，系統(tǒng)中需要進(jìn)行浮點(diǎn)上下文的切換操作的影響范圍僅與系統(tǒng)中使用浮點(diǎn)運(yùn)算的任務(wù)相關(guān)，有效地提高了系統(tǒng)中任務(wù)切換的性能和效率。圖1給出了浮點(diǎn)上下文切換的示意。

由圖可知，假設(shè)系統(tǒng)當(dāng)前有4個(gè)任務(wù)，浮點(diǎn)任務(wù)A，普通任務(wù)B，浮點(diǎn)任務(wù)C和普通任務(wù)D。根據(jù)前述浮點(diǎn)上下文切換原理，在任務(wù)A切換任務(wù)B的過(guò)程中，并不需要保存浮點(diǎn)任務(wù)A的浮點(diǎn)上下文，僅僅將浮點(diǎn)任務(wù)A的浮點(diǎn)上下文向任務(wù)B傳遞；當(dāng)由普通任務(wù)B切換到浮點(diǎn)任務(wù)C的時(shí)候，才需要保存浮點(diǎn)任務(wù)A的浮點(diǎn)上下文。在進(jìn)行了兩次任務(wù)切換時(shí)，僅需要一次浮點(diǎn)上下文的切換操作，可以有效降低由于浮點(diǎn)運(yùn)算導(dǎo)致的系統(tǒng)性能的下降。

三、浮點(diǎn)上下文切換算法的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前述浮點(diǎn)上下文切換原理，選擇某型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件（RTOS）實(shí)現(xiàn)該上下文切換算法。為了敘述方便，定義前繼任務(wù)為當(dāng)前即將切換出去的任務(wù)；后繼任務(wù)為即將切換進(jìn)入CPU執(zhí)行的任務(wù)。為了能夠簡(jiǎn)潔高效地實(shí)現(xiàn)該浮點(diǎn)上下文切換算法，在所選擇的RTOS的任務(wù)控制塊中增加了一個(gè)任務(wù)浮點(diǎn)屬性，標(biāo)識(shí)當(dāng)前任務(wù)是否為浮點(diǎn)任務(wù)。如果在創(chuàng)建任務(wù)時(shí)，設(shè)置了任務(wù)的浮點(diǎn)屬性，則所創(chuàng)建的任務(wù)即為浮點(diǎn)任務(wù)；否則為普通任務(wù)。

為了充分發(fā)揮浮點(diǎn)運(yùn)算的性能，浮點(diǎn)上下文地址通常要求按CPU字長(zhǎng)的整數(shù)倍對(duì)齊，本文所選擇的RTOS中，浮點(diǎn)上下文按照8字節(jié)對(duì)齊。在實(shí)現(xiàn)前文提出的浮點(diǎn)上下文切換方法的過(guò)程中，使用了任務(wù)浮點(diǎn)上下文的最低位，作為任務(wù)浮點(diǎn)上下文傳遞的標(biāo)記。當(dāng)浮點(diǎn)上下文傳遞標(biāo)記被置位，則認(rèn)為當(dāng)前任務(wù)中的浮點(diǎn)上下文為傳遞過(guò)來(lái)的，當(dāng)前任務(wù)為普通任務(wù)，并不是浮點(diǎn)任務(wù)；否則，表示當(dāng)前任務(wù)就是浮點(diǎn)任務(wù)。

任務(wù)切換的過(guò)程中，根據(jù)前繼任務(wù)和后繼任務(wù)的不同類型，需要進(jìn)行不同的操作。

本文設(shè)計(jì)的浮點(diǎn)上下文切換算法的具體步驟如下：

1）判斷所創(chuàng)建的任務(wù)是否為浮點(diǎn)任務(wù)。

2）如果是浮點(diǎn)任務(wù)，則申請(qǐng)浮點(diǎn)上下文空間，并將申請(qǐng)的浮點(diǎn)上下文空間記錄在任務(wù)控制塊的浮點(diǎn)上下文成員中；否則，則設(shè)置任務(wù)控制塊中的浮點(diǎn)上下文成員為空。

3）任務(wù)切換時(shí)，判斷前繼任務(wù)和后繼任務(wù)的類型；可能存在的任務(wù)類型組合包括：

a.浮點(diǎn)任務(wù)/浮點(diǎn)任務(wù)；

b.浮點(diǎn)任務(wù)/非浮點(diǎn)任務(wù)；

c.非浮點(diǎn)任務(wù)/浮點(diǎn)任務(wù)；

d.非浮點(diǎn)任務(wù)/非浮點(diǎn)任務(wù)。

4）根據(jù)前繼任務(wù)和后繼任務(wù)的類型對(duì)浮點(diǎn)上下文進(jìn)行切換操作：

①如果為步驟3）的a.組合，則對(duì)浮點(diǎn)任務(wù)的上下文進(jìn)行保存和恢復(fù)；

②如果為步驟3）的b.組合，暫時(shí)不進(jìn)行浮點(diǎn)上下文的保存，將前繼任務(wù)控制塊中的浮點(diǎn)上下文成員傳遞給后繼任務(wù)，而將浮點(diǎn)上下文的保存操作推遲到切換浮點(diǎn)任務(wù)時(shí)才進(jìn)行；

③如果為步驟3）的c.組合，任務(wù)上下文切換操作過(guò)程如下：

（a）判斷前繼任務(wù)控制塊中的浮點(diǎn)上下文成員是否為空；如果為空，則進(jìn)行步驟（b）；否則，則進(jìn)行步驟（c）；

（b）在當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行前，沒(méi)有浮點(diǎn)任務(wù)運(yùn)行，不需要進(jìn)行浮點(diǎn)上下文的保存工作，僅需要恢復(fù)浮點(diǎn)上下文；

（c）在當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行前，有浮點(diǎn)任務(wù)運(yùn)行，如果前繼任務(wù)的浮點(diǎn)上下文與后繼任務(wù)的浮點(diǎn)上下文不一致，則將浮點(diǎn)上下文保存到前繼任務(wù)控制塊所傳遞的上下文中，并清除前繼任務(wù)控制塊浮點(diǎn)上下文傳遞標(biāo)記，恢復(fù)后繼任務(wù)的浮點(diǎn)上下文，否則清除前繼任務(wù)的浮點(diǎn)上下文；

④如果為步驟3）的d.組合，任務(wù)上下文切換操作的方式為：

（a）判斷前繼任務(wù)控制塊中的浮點(diǎn)上下文成員是否為空；如果為空，則進(jìn)行步驟（b）；否則，則進(jìn)行步驟（c）；

（b）在當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行前，沒(méi)有浮點(diǎn)任務(wù)運(yùn)行；不需要進(jìn)行浮點(diǎn)上下文保存/恢復(fù)操作；

（c）在當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行前，有浮點(diǎn)任務(wù)運(yùn)行，將前繼任務(wù)的浮點(diǎn)上下文傳遞到后繼任務(wù)，并清除前繼任務(wù)控制塊中的浮點(diǎn)上下文成員。

四、浮點(diǎn)上下文切換算法的性能

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的浮點(diǎn)上下文切換算法的性能，根據(jù)前文設(shè)計(jì)的上下文切換算法，在某型RTOS中實(shí)現(xiàn)了上述浮點(diǎn)上下文切換算法，并在PowerPC7450單核處理器[ 3 ]平臺(tái)上進(jìn)行性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。為了比較本文設(shè)計(jì)的浮點(diǎn)上下文切換算法的性能，在所選擇的RTOS中使用始終在任務(wù)上下文中保存和恢復(fù)浮點(diǎn)上下文方法切換上下文，即在每次任務(wù)切換時(shí)，均對(duì)每個(gè)前繼任務(wù)保存浮點(diǎn)上下文并且對(duì)后繼任務(wù)恢復(fù)浮點(diǎn)上下文，并在同一處理器平臺(tái)上進(jìn)行性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)兩個(gè)任務(wù)進(jìn)行切換操作，計(jì)算任務(wù)上下文切換操作的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景[ 4 ]如下，任務(wù)A和任務(wù)B進(jìn)行切換，在任務(wù)A從CPU中切換出來(lái)的點(diǎn)開(kāi)始第一次計(jì)時(shí)，在任務(wù)B切換進(jìn)入CPU的點(diǎn)記錄第一結(jié)束時(shí)間；然后，在任務(wù)B切換出來(lái)的點(diǎn)開(kāi)始第二次計(jì)時(shí)，在任務(wù)A切換進(jìn)入CPU的點(diǎn)記錄第二次結(jié)束時(shí)間，通過(guò)1000次任務(wù)切換操作，計(jì)算任務(wù)上下文切換操作的平均時(shí)間。

基于本文設(shè)計(jì)的浮點(diǎn)上下文切換方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示：

如果任務(wù)切換時(shí)按照始終進(jìn)行浮點(diǎn)上下文切換的算法進(jìn)行上下文切換操作時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可置本文設(shè)計(jì)的浮點(diǎn)上下文切換算法，在非浮點(diǎn)任務(wù)和浮點(diǎn)任務(wù)混雜的運(yùn)算環(huán)境下，可以有效地提高任務(wù)切換的性能，顯著地降低任務(wù)切換的時(shí)間消耗；對(duì)于計(jì)算資源相對(duì)有限的嵌入式環(huán)境，上下文切換性能的提升，可以有效提高系統(tǒng)的效率；對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的環(huán)境，任務(wù)上下文切換時(shí)間的降低，可以顯著提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

五、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種高效的浮點(diǎn)上下文切換算法，根據(jù)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了本文提出算法可以有效地提高系統(tǒng)的任務(wù)切換性能，顯著地降低任務(wù)上下文切換的時(shí)間消耗。通過(guò)與已有的任務(wù)上下文切換算法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的浮點(diǎn)上下文切換算法，在使用浮點(diǎn)運(yùn)算和非浮點(diǎn)運(yùn)算混合的情況下可以提高上下文切換的性能，可以顯著提高系統(tǒng)的效率，增強(qiáng)系統(tǒng)性能。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：

工信部民用飛機(jī)專項(xiàng)科研項(xiàng)目（MJ-S-2012-05）

作者簡(jiǎn)介：

張東（1983-），男，陜西西安人，碩士，主要研究方向?yàn)榍度胧綄?shí)時(shí)操作系統(tǒng)。