人們很容易忘記，嵌入式Linux不能為所有嵌入式開發者做所有的事情。雖然它適用于一些具有許多兆字節內存和強大處理器的應用程序，但有越來越多的使用案例表明，嵌入式Linux和類似操作系統的開銷會對確定性和內存消耗產生負面影響。
蜂窩調制解調器、高性能視頻處理和復雜的汽車控制器只是在小尺寸、低功耗多核平臺上的對稱多處理(SMP)架構下運行的高度確定性應用的幾個例子。這種系統需要底層操作系統的核心分配和任務調度支持，以滿足嚴格的實時要求，同時不影響資源的使用。
對于資源受限的平臺上的SMP來說，嵌入式Linux不是一個可行的選擇，而且很少有實時操作系統(RTOS)支持SMP。因此，開發人員必須創建自己的方法來跨多個內核調度和管理任務。
隨著越來越多的嵌入式設備需要在多個內核上部署確定性工作負載，RTOS級的動態負載平衡需求只會越來越大。
對稱多處理與非對稱多處理
SMP和非對稱多處理(AMP)是兩個或多個處理器協同工作來調度和運行工作負載的架構模型。雖然SMP系統具有相同的內核，可以運行分配給它們的任何任務，但AMP系統通常依賴單個主內核來根據可用性和優先級調度和分配任務。在AMP下，內核本身不需要相同的類型或架構(例如，MPU可以與GPU協同工作)，任務通常特定于內核類型。
當嵌入式開發人員可以依賴一個穩定且可預測的環境，以便操作系統可以有效地分配工作負載而沒有顯著的開銷時，AMP模型工作得最好。相比之下，對于在事件不斷變化并需要在內核間動態轉移工作負載的環境中運行的應用程序，SMP模型通常效果最佳。例如，許多手機使用SMP，例如那些在ArmCortex-A53平臺上實現蜂窩調制解調器功能的手機。
為了在多個內核之間有效地分配應用線程，嵌入式軟件開發人員使用了動態負載平衡技術。主要目標是確保應用在運行時在內核之間平均分配計算工作負載，并保證優先級最高的線程不會被優先級較低的線程搶占。
動態負載平衡背后的原則
動態負載平衡中的“動態”是指在運行時對線程調度的持續評估，它使應用程序能夠適應不斷變化的任務需求和系統條件。動態負載平衡對于以下方面至關重要:
l提高利用率：通過在多個內核之間分配任務，嵌入式開發人員可以充分利用每個內核的計算能力，從而提高整體系統利用率。
l縮短響應時間：適當的負載平衡可確保將關鍵任務分配給競爭最少的內核，從而縮短響應時間并提高任務執行的可預測性。
l容錯：負載平衡可將任務重新分配給未發生故障的內核，從而確保系統功能持續運行，有助于減輕軟件故障和硬件故障的影響。
l可擴展性：隨著系統需求的增長和更多內核的添加，平均分配任務對于擴展容量而不引入瓶頸至關重要。
嵌入式Linux帶有負載平衡機制，但有一個缺點:操作系統會產生很高的開銷，這可能會嚴重影響確定性。由于大多數硬實時RTOS不支持SMP架構上的負載平衡，開發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：
l資源使用：由于每個內核都有自己的緩存、寄存器和其他獨特的功能，嵌入式開發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內存訪問：如果開發人員將具有公共內存池的任務分配給不同的內核，如果沒有充分考慮應用程序的控制和數據流，就可能會出現內存訪問爭用問題。
l任務優先級：開發人員必須了解所有任務的優先級和截止日期，以確保高優先級任務被分配了足夠的資源和時間來避免延遲。
l動態適應：因為負載平衡是一個適應不斷變化的系統條件的過程，所以開發人員必須實現某種反饋循環或控制機制，以便在運行時不斷重新評估線程分配并調整策略。
l同步開銷：開發人員必須最大限度地減少內核間任務切換所需的開銷，以減少延遲并保持系統的實時響應能力。
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，它提供了內置的負載平衡，與嵌入式Linux和其他操作系統相比，它可以以顯著更低的開銷滿足硬實時決定論。PX5RTOS實現了本機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.給定任意數量的內核，RTOS會跟蹤每個內核上運行的線程。當一個內核變得空閑并且一個線程可用于調度時，RTOS調度該線程在該內核上運行。
2.如果沒有空閑的內核，并且有一個新線程準備就緒，則RTOS使用該線程的優先級進行調度:如果其優先級高于當前正在運行的任何其他線程，則RTOS會調度新線程來搶占正在運行的線程。如果其優先級低于當前運行的任何線程，RTOS將等待下一個可用的內核運行。
這種方法使用與嵌入式Linux相同的處理器親和API，使得開發人員可以輕松地將線程分配給特定的內核，并依靠RTOS來執行這種分配。與大多數RTOS一樣，開發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、基于優先級的搶占式調度環境中，嵌入式開發人員一次只能運行一個線程。在SMP環境中，這種情況無法保證，因為多線程可以在任意數量的內核上并行運行。為了避免這種行為對要求在給定時間只運行最高優先級線程的系統的潛在負面影響，PX5RTOS使開發人員能夠配置調度，只允許同等優先級的線程在所有內核上并行運行。這種方法加強了更嚴格的并行度，使開發人員對他們系統的可預測性更有信心。
結論
開發人員必須實現動態負載平衡，才能在占地面積小、功耗低的多核平臺上實現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核的動態配對，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開發人員能夠專注于應用程序邏輯和測試，而不必構建自己的跨多個處理器分配工作負載的方法。
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