Link contention-constrained scheduling and mapping of tasks and messages to a network of heterogeneous processors

In this paper, we consider the problem of scheduling and mapping precedence-constrained tasks to a network of heterogeneous processors. In such systems, processors are usually physically distributed, implying that the communication cost is considerably higher than in tightly coupled multiprocessors. Therefore, scheduling and mapping algorithms for such systems must schedule the tasks as well as the communication traffic by treating both the processors and communication links as important resources. We propose an algorithm that achieves these objectives and adapts its tasks scheduling and mapping decisions according to the given network topology. Just like tasks, messages are also scheduled and mapped to suitable links during the minimization of the finish times of tasks. Heterogeneity of processors is exploited by scheduling critical tasks to the fastest processors. Our extensive experimental study has demonstrated that the proposed algorithm is efficient, robust, and yields consistent performance over a wide range of scheduling parameters.published_or_final_versio

Static Scheduling Strategies for Heterogeneous Systems

In this paper, we consider static scheduling techniques for heterogeneous systems, such as clusters and grids. We successively deal with minimum makespan scheduling, divisible load scheduling and steady-state scheduling. Finally, we discuss the limitations of static scheduling approaches

Multiprocessor System-on-Chips based Wireless Sensor Network Energy Optimization

Wireless Sensor Network (WSN) is an integrated part of the Internet-of-Things (IoT) used to monitor the physical or environmental conditions without human intervention. In WSN one of the major challenges is energy consumption reduction both at the sensor nodes and network levels. High energy consumption not only causes an increased carbon footprint but also limits the lifetime (LT) of the network. Network-on-Chip (NoC) based Multiprocessor System-on-Chips (MPSoCs) are becoming the de-facto computing platform for computationally extensive real-time applications in IoT due to their high performance and exceptional quality-of-service. In this thesis a task scheduling problem is investigated using MPSoCs architecture for tasks with precedence and deadline constraints in order to minimize the processing energy consumption while guaranteeing the timing constraints. Moreover, energy-aware nodes clustering is also performed to reduce the transmission energy consumption of the sensor nodes. Three distinct problems for energy optimization are investigated given as follows: First, a contention-aware energy-efficient static scheduling using NoC based heterogeneous MPSoC is performed for real-time tasks with an individual deadline and precedence constraints. An offline meta-heuristic based contention-aware energy-efficient task scheduling is developed that performs task ordering, mapping, and voltage assignment in an integrated manner. Compared to state-of-the-art scheduling our proposed algorithm significantly improves the energy-efficiency. Second, an energy-aware scheduling is investigated for a set of tasks with precedence constraints deploying Voltage Frequency Island (VFI) based heterogeneous NoC-MPSoCs. A novel population based algorithm called ARSH-FATI is developed that can dynamically switch between explorative and exploitative search modes at run-time. ARSH-FATI performance is superior to the existing task schedulers developed for homogeneous VFI-NoC-MPSoCs. Third, the transmission energy consumption of the sensor nodes in WSN is reduced by developing ARSH-FATI based Cluster Head Selection (ARSH-FATI-CHS) algorithm integrated with a heuristic called Novel Ranked Based Clustering (NRC). In cluster formation parameters such as residual energy, distance parameters, and workload on CHs are considered to improve LT of the network. The results prove that ARSH-FATI-CHS outperforms other state-of-the-art clustering algorithms in terms of LT.University of Derby, Derby, U

Predictable mapping of streaming applications on multiprocessors

Het ontwerp van nieuwe consumentenelektronica wordt voortdurend complexer omdat er steeds meer functionaliteit in deze apparaten ge¨integreerd wordt. Een voorspelbaar ontwerptraject is nodig om deze complexiteit te beheersen. Het resultaat van dit ontwerptraject zou een systeem moeten zijn, waarin iedere applicatie zijn eigen taken binnen een strikte tijdslimiet kan uitvoeren, onafhankelijk van andere applicaties die hetzelfde systeem gebruiken. Dit vereist dat het tijdsgedrag van de hardware, de software, evenals hun interactie kan worden voorspeld. Er wordt vaak voorgesteld om een heterogeen multi-processor systeem (MPSoC) te gebruiken in moderne elektronische systemen. Een MP-SoC heeft voor veel applicaties een goede verhouding tussen rekenkracht en energiegebruik. Onchip netwerken (NoCs) worden voorgesteld als interconnect in deze systemen. Een NoC is schaalbaar en het biedt garanties wat betreft de hoeveelheid tijd die er nodig is om gegevens te communiceren tussen verschillende processoren en geheugens. Door het NoC te combineren met een voorspelbare strategie om de processoren en geheugens te delen, ontstaat een hardware platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Om een voorspelbaar systeem te verkrijgen moet ook het tijdsgedrag van een applicatie die wordt uitgevoerd op het platform voorspelbaar en analyseerbaar zijn. Het Synchronous Dataflow (SDF) model is erg geschikt voor het modelleren van applicaties die werken met gegevensstromen. Het model kan vele ontwerpbeslissingen modelleren en het is mogelijk om tijdens het ontwerptraject het tijdsgedrag van het systeem te analyseren. Dit proefschrift probeert om applicaties die gemodelleerd zijn met SDF grafen op een zodanige manier af te beelden op een NoC-gebaseerd MP-SoC, dat garanties op het tijdsgedrag van individuele applicaties gegeven kunnen worden. De doorstroomsnelheid van een applicatie is vaak een van de belangrijkste eisen bij het ontwerpen van systemen voor applicaties die werken met gegevensstromen. Deze doorstroomsnelheid wordt in hoge mate be¨invloed door de beschikbare ruimte om resultaten (gegevens) op te slaan. De opslagruimte in een SDF graaf wordt gemodelleerd door de pijlen in de graaf. Het probleem is dat er een vaste grootte voor de opslagruimte aan de pijlen van een SDF graaf moet worden toegewezen. Deze grootte moet zodanig worden gekozen dat de vereiste doorstroomsnelheid van het systeem gehaald wordt, terwijl de benodigde opslagruimte geminimaliseerd wordt. De eerste belangrijkste bijdrage van dit proefschrift is een techniek om de minimale opslagruimte voor iedere mogelijke doorstroomsnelheid van een applicatie te vinden. Ondanks de theoretische complexiteit van dit probleem presteert de techniek in praktijk goed. Doordat de techniek alle mogelijke minimale combinaties van opslagruimte en doorstroomsnelheid vindt, is het mogelijk om met situaties om te gaan waarin nog niet alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. De ontwerpbeslissingen om twee taken van een applicatie op ´e´en processor uit te voeren, zou bijvoorbeeld de doorstroomsnelheid kunnen be¨invloeden. Hierdoor is er een onzekerheid in het begin van het ontwerptraject tussen de berekende doorstroomsnelheid en de doorstroomsnelheid die daadwerkelijk gerealiseerd kan worden als alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. Tijdens het ontwerptraject moeten de taken waaruit een applicatie is opgebouwd toegewezen worden aan de verschillende processoren en geheugens in het systeem. Indien meerdere taken een processor delen, moet ook de volgorde bepaald worden waarin deze taken worden uitgevoerd. Een belangrijke bijdrage van dit proefschrift is een techniek die deze toewijzing uitvoert en die de volgorde bepaalt waarin taken worden uitgevoerd. Bestaande technieken kunnen alleen omgaan met taken die een ´e´en-op-´e´en relatie met elkaar hebben, dat wil zeggen, taken die een gelijk aantal keren uitgevoerd worden. In een SDF graaf kunnen ook complexere relaties worden uitgedrukt. Deze relaties kunnen omgeschreven worden naar een ´e´en-op-´e´en relatie, maar dat kan leiden tot een exponenti¨ele groei van het aantal taken in de graaf. Hierdoor kan het onmogelijk worden om in een beperkte tijd alle taken aan de processoren toe te wijzen en om de volgorde te bepalen waarin deze taken worden uitgevoerd. De techniek die in dit proefschrift wordt gepresenteerd, kan omgaan met de complexe relaties tussen taken in een SDF graaf zonder de vertaling naar de ´e´en-op-´e´en relaties te maken. Dit is mogelijk dankzij een nieuwe, effici¨ente techniek om de doorstroomsnelheid van SDF grafen te bepalen. Nadat de taken van een applicatie toegewezen zijn aan de processoren in het hardware platform moet de communicatie tussen deze taken op het NoC gepland worden. In deze planning moet voor ieder bericht dat tussen de taken wordt verstuurd, worden bepaald welke route er gebruikt wordt en wanneer de communicatie gestart wordt. Dit proefschrift introduceert drie strategie¨en voor het versturen van berichten met een strikte tijdslimiet. Alle drie de strategie¨en maken maximaal gebruik van de beschikbare vrijheid die moderne NoCs bieden. Experimenten tonen aan dat deze strategie¨en hierdoor effici¨enter omgaan met de beschikbare hardware dan bestaande strategie¨en. Naast deze strategie¨en wordt er een techniek gepresenteerd om uit de ontwerpbeslissingen die gemaakt zijn tijdens het toewijzen van taken aan de processoren alle tijdslimieten af te leiden waarbinnen de berichten over het NoC gecommuniceerd moeten worden. Deze techniek koppelt de eerder genoemde techniek voor het toewijzen van taken aan processoren aan de drie strategie¨en om berichten te versturen over het NoC. Tenslotte worden de verschillende technieken die in dit proefschrift worden ge¨introduceerd gecombineerd tot een compleet ontwerptraject. Het startpunt is een SDF graaf die een applicatie modelleert en een NoC-gebaseerd MP-SoC platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Het doel van het ontwerptraject is het op een zodanige manier afbeelden van de applicatie op het platform dat de doorstroomsnelheid van de applicatie gegarandeerd kan worden. Daarnaast probeert het ontwerptraject de hoeveelheid hardware die gebruikt wordt te minimaliseren. Er wordt een experiment gepresenteerd waarin drie verschillende multimedia applicaties (H.263 encoder/decoder en een MP3 decoder) op een NoCgebaseerd MP-SoC worden afgebeeld. Dit experiment toont aan dat de technieken die in dit proefschrift worden voorgesteld, gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van systemen met een voorspelbaar tijdsgedrag. Hiermee is het voorgestelde ontwerptraject het eerste traject dat een met een SDF-gemodelleerde applicatie op een NoC-gebaseerd MP-SoC kan afbeelden, terwijl er garanties worden gegeven over de doorstroomsnelheid van de applicatie

CASCH: a tool for computer-aided scheduling

A software tool called Computer-Aided Scheduling (CASCH) for parallel processing on distributed-memory multiprocessors in a complete parallel programming environment is presented. A compiler automatically converts sequential applications into parallel codes to perform program parallelization. The parallel code that executes on a target machine is optimized by CASCH through proper scheduling and mapping.published_or_final_versio