一種基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度方法及系統的製作方法
2023-04-24 14:59:16
專利名稱：一種基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度方法及系統。
背景技術：
隨著嵌入式技術的發展，嵌入式設備，比如MP3，GPS導航，行動電話等的功能越來越複雜。相同大小的晶片上集成的電晶體呈數量級增長的趨勢，因此能耗也越來越大。而電池工藝卻遠遠跟不上處理器的發展速度。所以能耗問題成為當下嵌入式設備的一個很重要的問題。在嵌入式設備中，任務執行時間不固定，但其完成有一定的時間限制。所以，在傳統嵌入式系統設計中，為了嚴格滿足不同任務的實時性，系統通常在最快主頻下執行任務。在相同製造工藝下，處理器主頻越高，其功耗也越高，並且功耗隨著處理器主頻的增大成二次方增長的趨勢。因此，傳統的嵌入式系統中處理任務時能耗相當高。動態電壓調節(DVS)技術時解決能耗問題的一個有效方法。對於某些時間限制較松的任務可以以一個較低的處理器主頻執行，這就需要靠調低電壓的方法來實現。這樣既滿足任務的實時性，也能降低處理器的能耗。當前處理器廠商Intel，AMD等都已研發自己的可動態調節電壓的處理器。在已有硬體支持的條件下，為了實現嵌入式系統任務執行的節能，同時滿足任務自身的實時性要求，嵌入式系統中調度器採用的任務調度方法顯得尤其重要。動態電壓調 節技術的一個主要特徵是，隨著電壓降低，處理器主頻降低，也就是說同一任務在低級電壓下執行所需要的時間更長，因此，如何調節電壓使得既滿足實時性要求，同時最大程度的減少能耗是一個較複雜的問題。嵌入式設備的飛速發展，使得人們對電池工藝的發展要求越來越高。然而至今為止，在改進電池性能方面仍未有為之有效的技術突破，需要提出一種能夠基於動態電壓調節的嵌入式系統任務調度方法及系統來克服現有問題。
發明內容
本發明提供一種基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度方法及系統，其目的在於克服現有技術中的不足，全面的、有效的減少嵌入式系統任務執行時的能耗，滿足任務的實時性，方法複雜度低。一種基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度方法，嵌入式系統中同時執行有多個任務T，T= IT1J2，…，TJ ;每個任務凡的執行表示為Ti= ICi,Di,PiK其中Pi為任務Ti重複執行的最小周期，Di為任務Ti從當前周期任務釋放開始的相對截至時限，Ci為任務Ti每個周期最壞執行時間；任務的實際執行時間記為aCi ；所述任務的最壞執行時間是指系統處理器執行該任務需要的最長時間；調度方法包括以下步驟:第一步，調度器構建任務就緒隊列Qr和任務完成隊列Qc ;將處理器主頻調節因子P sum初始化為O,令處理器處於休眠狀態；
第二步，調度器連續偵聽各種事件，對偵聽到的事件進行響應；所述事件包括任務釋放事件、任務當前周期結束事件和任務完成事件；調度器對事件的響應分述如下:a)調度器對任務釋放事件的響應:所述任務釋放，是指某個任務新的周期開始，即該任務重新被創建等待被執行；對於當前的釋放任務，即當前任務Tj,計算其絕對截至時限dj=rj+Dj,按照絕對截止時限對就緒隊列中的任務進行升序排列，將L插入到任務就緒隊列Qr中，使用雙向鍊表LI指向該任務就緒隊列；其中，dj為任務L當前周期的絕對截至時限，rj為任務L當前周期的釋放時間；1彡j彡η ;處理器主頻調節因子P sum更新為P sum+Cj/Pj,更新處理器主頻為f=P SumXfmax ；b)調度器對任務完成事件的響應:將已經完成的當前任務Tj從任務就緒隊列Qr中刪除，並將Tj插入到任務完成隊列Qc中；處理器主頻調節因子P sum更新為P sum-Cj/Pj+aCj/Pj,更改處理器主頻為f=P SumXfmax ；c)調度器對任務當前周期結束事件的響應:將當前周期結束的任務TjW任務完成隊列Qc中刪除；處理器主頻調節因子P sum更新為P sum-aCj/Pj,更改處理器主頻為f=p SumXfmax ；其中，fmax是處理器的最大主頻；第三步:判斷嵌入式系統是否關閉，若未關閉，則返回第二步；否則，結束任務調度。 更改處理器主頻通過調節處理器工作電壓實現，即改變處理器的內核電源控制弓I腳VCC_C0RE上的電壓。隨著商用CMOS晶片電源供給技術的發展，處理器內核的工作電壓在運行期間進行實時調節已被實現；而高效DC-DC電壓轉換器的出現也為處理器內核工作電壓的動態調節提供了條件。另外在實時系統中，任務只需在規定的截止時間之前執行完畢就能達到系統的性能要求，不要求立即得到系統的響應。動態調壓/調頻技術(DVFS)就是根據任務的緊迫程度來動態調節處理器運行電壓和主頻，以達到任務響應時間和系統低能耗之間的平衡。DVS技術基於處理器的電壓與主頻成近似線性關係，而處理器的能量消耗與工作電壓的平方成正比關係。因為能耗與任務執行時間和執行功耗成正比，所以能耗隨著電壓調節呈線性關係。一種基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度系統，採用上述所述的基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度方法，基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度系統包括就緒隊列模塊、調度器、處理器、電壓調節器及處理器監控器；其中，就緒隊列模塊、調度器、 處理器及處理器監控器依次相連，電壓調節器的輸入端與調度器相連，電壓調節器的輸出端與處理器相連，處理器監控器的輸出端與調度器相連。有益效果本發明提供了一種基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度方法及系統，針對目前缺少一個對從周期性任務到偶發性任務普遍適用的有效降低能耗的任務調度方法，統一、綜合考慮動態電壓調節對能耗及實時性相互矛盾的性質，設計了一個既滿足任務實時性，又同時最小化能耗的雙目標任務調度方法。基於已有動態電壓調節技術，採用事件驅動的任務調度方法，調度器在任務執行狀態切換時做出響應，將主頻調至最節能但能保證任務實時性的水平，使得全面的、有效的減少嵌入式系統任務執行時的能耗，滿足任務的實時性，方法複雜度低。
圖1為任務調度系統結構示意圖；圖2為本發明方法的流程圖；圖3為電壓變化與處理器主頻變化關係圖；圖4為其他算法(NonDVS、DVSST)與本發明中的算法(CC-DVST)隨任務負載變化的對比示意圖，其中圖(a)和圖(b)分別表示任務實際執行時間與最壞執行時間之比(AET/WCET)分別為0.1和0.7時，各種算法隨任務負載變化的對比示意圖；圖5為其他算法(NonDVS、DVSST)與本發明中的算法(CC-DVST)隨執行實行時間與最壞執行時間比變化的對比示意圖。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明做進一步說明。本發明提出的基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度方法的基本思想是在系統中維護一個按任務優先級遞減的就緒任務隊列，調度器每次從就緒隊列隊頭讀取任務進行調度。同時，當任務到達、任務結束或任務周期結束時，調度器會根據不同情況對主頻調節因子進行計算，並動態調節電壓使處理器在合適的主頻下執行任務。初始時，任務隊列為空，處理器處於休眠狀態，當有任務到達，處理器啟動並在調度器指定的主頻下開始執行任務；當任務執行完成時，調度器根據任務實際執行時間稍微降低處理器主頻；當任務周期結束時，調度器可以完全不考慮該任務對實時性的影響，將主頻調至一個更低的水平。根據任務的執行情況，調度器動態調節主頻，使得整個系統的能耗降低到最低水平。在線任務節能調度器的具體工作是在滿足任務實時性條件的前提下，讓任務在較低主頻下執行，以達到減少能耗的目的。基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度策略賦予了最早截止時限的任務較高的優先級和優先調度的權利。當新到達任務的優先級比當前正執行任務高時，調度器立刻切換執行新到達的任務。這樣對任務的及時響應處理，使得任務的實時性得到滿足。如圖1所示，為本發明一種基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度系統的結構示意圖，包括就緒隊列模塊、調度器、處理器、電壓調節器及處理器監控器；其中，就緒隊列模塊、調度器、處理器及處理器監控器依次相連，電壓調節器的輸入端與調度器相連，電壓調節器的輸出端與處理器相連，處理器監控器的輸出端與調度器相連。如圖2所示，為本發明一種基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度方法的流程圖，在嵌入式系統中同時執行有多個任務T，T=IT1, T2, , TJ ;每個任務Ti的執行周期包括Ti=ICi, Di, PJ，其中Pi為任務Ti重複執行的最小周期,Di為任務Ti從當前周期任務釋放開始的相對截至時限，Ci為任務Ti每個周期最壞執行時間；任務的實際執行時間記為ac,;所述任務的最壞執行時間是指系統處理器執行該任務需要的最長時間；其具體步驟如下:第一步，在調度器中構建任務就緒隊列Qr和任務完成隊列Qc ;將處理器主頻調節因子P sum初始化為0，令處理器處於休眠狀態；Qr—任務就緒隊列，該數據結構用於保存當前正在執行的任務和等待執行的任務，隊列中的任務按照絕對截止時限從早到晚排列，使得優先級最高的任務位於隊首。當新任務到達時，比較新任務與就緒隊列中所有任務的優先級，將其按順序插入到隊列中。當有任務執行完畢時，將任務從就緒隊列中刪除，處理器取隊首任務執行。Qc—完成任務隊列，該數據結構用於保存已經執行完畢，但其當前周期未結束的任務的集合。同理，如果某任務的當前周期結束，將其從完成任務隊列中刪除。第二步，調度器連續 偵聽各種事件，對偵聽到的事件進行響應；所述事件包括任務釋放事件，任務當前周期結束事件和任務完成事件；調度器對事件的響應具體如下:a)調度器對任務釋放事件的響應:所述任務釋放，是指某個任務新的周期開始，即該任務重新被創建等待被執行；對於當前的釋放任務，即當前任務Tj,計算其絕對截至時限dj=rj+Dj,按照絕對截止時限對就緒隊列中的任務進行升序排列，將L插入到任務就緒隊列Qr中，使用雙向鍊表LI指向該任務就緒隊列；其中，dj為任務L當前周期的絕對截至時限，rj為任務L當前周期的釋放時間；1彡j彡η ;處理器主頻調節因子P sum更新為P sum+Cj/Pj,更新處理器主頻為f=P SumXfmax ；b)調度器對任務完成事件的響應:將已經完成的當前任務Tj從任務就緒隊列Qr中刪除，並將Tj插入到任務完成隊列Qc中；處理器主頻調節因子P sum更新為P sum-Cj/Pj+aCj/Pj,更改處理器主頻為f=P SumXfmax ；c)調度器對任務當前周期結束事件的響應:將當前周期結束的任務Tj從任務完成隊列Qc中刪除；處理器主頻調節因子P sum更新為P sum-aCj/Pj,更改處理器主頻為f=p SumXfmax ；其中，fmax是處理器的最大主頻；通過調節處理器工作電壓可以更改處理器主頻，處理器電壓與處理器主頻的關係如圖3所示，本實例中Table處理器PXA270的主頻、電壓和功率對應關係如表I所示。表ITable處理器PXA270的主頻、工作電壓和功率對應關係
權利要求
1.一種基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度方法，其特徵在於，嵌入式系統中同時執行有多個任務LT=IT1, T2,, TJ ;每個任務凡的執行表示為Ti=ICi, Di, PJ，其中Pi為任務Ti重複執行的最小周期，Di為任務Ti從當前周期任務釋放開始的相對截至時限，Ci為任務Ti每個周期最壞執行時間；任務的實際執行時間記為aCi ； 所述任務的最壞執行時間是指系統處理器執行該任務需要的最長時間； 調度方法包括以下步驟: 第一步，調度器構建任務就緒隊列Qr和任務完成隊列Qc ;將處理器主頻調節因子P sum初始化為O,令處理器處於休眠狀態； 第二步，調度器連續偵聽各種事件，對偵聽到的事件進行響應；所述事件包括任務釋放事件、任務當前周期結束事件和任務完成事件；調度器對事件的響應分述如下: a)調度器對任務釋放事件的響應: 所述任務釋放，是指某個任務新的周期開始，即該任務重新被創建等待被執行； 對於當前的釋放任務，即當前任務Tj,計算其絕對截至時限dj=rj+Dj,按照絕對截止時限對就緒隊列中的任務進行升序排列，將L插入到任務就緒隊列Qr中，使用雙向鍊表LI指向該任務就緒隊列；其中，4為任務L當前周期的絕對截至時限，rj為任務L當前周期的釋放時間；1≤j≤η ; 處理器主頻調節因子P sum更新為P sum+Cj/Pj,更新處理器主頻為f=p sumXfmax ； b)調度器對任務完成事件的響應: 將已經完成的當前任務Tj從任務就緒隊列Qr中刪除，並將Tj插入到任務完成隊列Qc中；處理器主頻調節因子P sum更新為P sum-Cj/Pj+aCj/Pj ,更改處理器主頻為f=P SumXfmax ； c)調度器對任務當前周期結束事件的響應: 將當前周期結束的任務Tj從任務完成隊列Qc中刪除；處理器主頻調節因子P sum更新為P sum-aCj/Pj,更改處理器主頻為f=p sumXfmax ； 其中，fmax是處理器的最大主頻； 第三步:判斷嵌入式系統是否關閉，若未關閉，則返回第二步；否則，結束任務調度。
2.根據權利要求1所述的基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度方法，其特徵在於，更改處理器主頻通過調節處理器工作電壓實現，即改變處理器的內核電源控制引腳VCC_C0RE上的電壓。
3.一種基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度系統，其特徵在於，採用權利要求1-2任一項所述的基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度方法，基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度系統包括就緒隊列模塊、調度器、處理器、電壓調節器及處理器監控器； 其中，就緒隊列模塊、調度器、處理器及處理器監控器依次相連，電壓調節器的輸入端與調度器相連，電壓調節器的輸出端與處理器相連，處理器監控器的輸出端與調度器相連。
全文摘要
本發明公開了一種基於動態電壓調節的嵌入式系統任務節能調度方法及系統，針對目前缺少一個對從周期性任務到偶發性任務普遍適用的有效降低能耗的任務調度方法，統一、綜合考慮動態電壓調節對能耗及實時性相互矛盾的性質，設計了一個既滿足任務實時性，又同時最小化能耗的雙目標任務調度方法。基於已有動態電壓調節技術，採用事件驅動的任務調度方法，調度器在任務執行狀態切換時做出響應，將主頻調至最節能但能保證任務實時性的水平，使得全面的、有效的減少嵌入式系統任務執行時的能耗，滿足任務的實時性，方法複雜度低。
文檔編號G06F9/50GK103176590SQ20131009208
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月21日 優先權日2013年3月21日
發明者梅晶, 李肯立, 鄭偉華, 徐雨明, 唐卓, 肖正 申請人:湖南大學