Extending FreeRTOS to support dynamic and distributed task mapping in multiprocessor systems

Abstract

Embedded Multiprocessor systems are a reality, in both industry and academia sectors. Such devices offer parallel processing capabilities, aiming at covering the increasing requirements of complex applications. Underlying application workloads are susceptible to variation at runtime, which if not properly handled, may lead to the performance and power efficiency degradation. The continuous increase in the complexity of application workload and the size of emerging multiprocessor systems, calls for dynamic and distributed mapping solutions. The majority of the promoted mapping techniques are bespoke implementations, which consider an in-house operating system developed to a particular processor architecture. This practice restricts its adoption in other platforms, leading to extra design time, re-validation and, consequentially, a hidden cost that may well be quite high. In this scenario, this dissertation proposes a FreeRTOS extension that integrates the support to dynamic and distributed tasks mapping in multiprocessor systems. FreeRTOS is portable to more than 30 embedded processors architectures, increasing software portability and reducing development time. The proposed extension employs mapping techniques allowing FreeRTOS for handle high demands of application mapping in runtime. Another contribution of this work is the development of a framework, which enables the exploration of large systems while providing debugging facilities. The proposed framework provides the automatic generation of multiprocessor platforms, considering parameters of size, processor architecture, and an application set. The resulting platform description is high scalable while allows runtime data extraction and high debugging. These features allowed to validate the proposed FreeRTOS extension in more than one processor architecture from ARM Cortex-M family. Test cases were executed on large-scale platforms and at different levels of abstraction with cases of more than 120 applications incorporating more than 600 tasks processed. The results show that the proposed extension presents better or equal results to the literature.

Sistemas de Multiprocessados Embarcados são uma realidade, tanto no setor da indústria e quanto no setor acadêmico. Esses dispositivos oferecem capacidades de processamento paralelo objetivando cobrir requisitos cada vez maiores de aplicações complexas. A carga de trabalho subjacente das aplicações é suscetível a variação em tempo de execução o que, se não for tratada adequadamente, pode levar a degradação de eficiência em desempenho e energia. O aumento contínuo da complexidade da carga de trabalho das aplicações, bem como do tamanho dos sistemas multiprocessados emergentes, requer soluções de mapeamento dinâmicas e distribuídas. A maioria das técnicas de mapeamento propostas são implementações personalizadas, considerando um sistema operacional interno desenvolvido para uma arquitetura de processador específica. Essa prática restringe sua aplicação em outras plataformas, levando a um design extra, revalidação e, consequentemente, um custo oculto que pode ser um tanto quanto alto. Neste cenário, esta dissertação propõe a extensão do FreeRTOS para suportar mapeamento dinâmico e distribuído de tarefas em sistemas multiprocessados. O FreeRTOS tem portabilidade para mais de 30 arquiteturas de processadores embarcados, aumentando a portabilidade de software e reduzindo o tempo de desenvolvimento. A extensão proposta utiliza técnicas de mapeamento que permitem ao FreeRTOS atender a altas demandas de mapeamento de aplicações em tempo de execução. Outra contribuição deste trabalho é o desenvolvimento de um framework que permite a exploração de grandes sistemas fornecendo, simultaneamente, resultados para depuração. O framework proposto possibilita a geração automática de plataformas multiprocessadas considerando seu tamanho, a arquitetura do processador e um conjunto de aplicações. A descrição da plataforma resultante é altamente escalável permitindo extração de dados em tempo de execução e alta depuração. Estas características permitiram validar a extensão do FreeRTOS proposta em mais de uma arquitetura de processador da família ARM Cortex-M. Os casos de teste foram executados em plataformas de grande escala e em diferentes níveis de abstração com casos de mais de 120 aplicações incorporando mais de 600 tarefas processadas. Os resultados mostram que a extensão proposta apresenta resultados melhores ou iguais à literatura.