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CN108984292B - 混合关键系统固定优先级周期任务能耗优化方法 - Google Patents

混合关键系统固定优先级周期任务能耗优化方法 Download PDF

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CN108984292B CN201810921498.3A CN201810921498A CN108984292B CN 108984292 B CN108984292 B CN 108984292B CN 201810921498 A CN201810921498 A CN 201810921498A CN 108984292 B CN108984292 B CN 108984292B
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Abstract

本发明涉及一种混合关键系统固定优先级周期任务能耗优化方法，包括以下步骤:建立包括若干个混合关键周期任务的混合关键周期任务模型；利用关键层次划分方法确定混合关键周期任务的优先级；计算出混合关键周期任务可行调度的最低速度S；计算出高关键层次任务在低模式下产生的空闲时间ST，利用该空闲时间确定处理器的执行速度Si；低关键层次任务以及高关键层次任务在低模式下始终以速度Si执行；高关键层次任务在高模式下其额外负载以最大处理器速度执行；利用动态功耗管理技术降低处理器能耗。本发明的方法通过利用高关键层次任务产生的空闲时间以及动态功耗管理技术，有效地降低系统能耗。

Description

混合关键系统固定优先级周期任务能耗优化方法
技术领域
本发明涉及混合关键系统低能耗实时调度，特别涉及一种混合关键系统固定优先级周期任务能耗优化方法。
背景技术
混合关键系统是指在同一个平台上完成多种功能且满足功耗、成本、体积限制的嵌入式实时系统。混合关键系统可以执行不同关键层次的功能。这些功能大致可以分为安全关键功能和任务关键功能。无人机就是混合关键系统的典型应用，其轨迹计算和飞行控制功能被认为是安全关键功能；而其用于监视目的的对象跟踪功能被认为是任务关键功能。由于该系统受重量和体积的限制，且用电池供电，再加上处理器技术的快速发展，能耗问题已经成为制约该系统发展的重要因素。
目前针对混合关键系统的研究主要集中在系统的可行性分析上，针对混合关键系统能耗的研究相对较少，仅有的少数研究主要采用动态优先级策略调度的系统，不能够适用于固定优先级策略的调度的系统，且这些研究的能耗偏高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种混合关键系统固定优先级周期任务能耗优化方法，利用高关键层次任务产生的空闲时间以及动态功耗管理技术，有效地降低系统能耗。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种混合关键系统固定优先级周期任务能耗优化方法，包括：
建立包括若干个混合关键周期任务的混合关键周期任务模型；
利用关键层次划分方法确定混合关键周期任务的优先级；
计算混合关键周期任务可行调度的最低速度S；
计算高关键层次任务在低模式下产生的空闲时间ST，利用该空闲时间确定处理器的执行速度Si；如果处理器的执行速度Si大于最低速度S，令Si＝S；
低关键层次任务以及高关键层次任务在低模式下始终以速度Si执行，高关键层次任务在高模式下其额外负载以最大处理器速度执行；
利用动态功耗管理技术降低处理器能耗；
所述利用动态功耗管理技术降低处理器能耗，具体包括：
当处理器处于空闲状态时，比较此时处理器的空闲时间与处理器速度切换开销；如果处理器空闲时间比处理器状态切换开销大时，将处理器切换到低功耗状态，直到新的周期任务释放；如果处理器空闲时间小于或等于处理器状态切换开销时，处理器依然保持空闲状态。
优选的，所述建立包括若干个混合关键周期任务的混合关键周期任务模型，具体包括：
混合关键周期任务模型为由n个混合关键周期任务组成的集合Γ＝{τ1,τ2,…,τn}，每个混合关键周期任务τi(1≤i≤n,i为整数)由四元组{Ti,Di,ξi,Ci}组成，其中Ti表示混合关键周期任务τi的周期；Di表示混合关键周期任务τi的相对截止期限，且其等于Ti；ξi表示混合关键周期任务τi的关键层次，其可以表示为ξi＝{LO,HI}，混合关键周期任务τi的关键层次为LO时，其为低关键层次任务，混合关键周期任务τi的关键层次为HI时，其为高关键层次任务；Ci表示混合关键周期任务τi的不同模式下的最坏情况下执行时间；Ci(LO)和Ci(HI)分别表示混合关键周期任务τi在低模式和高模式下的执行时间；如果混合关键周期任务τi为低关键层次任务，则Ci(HI)＝Ci(LO)；如果混合关键周期任务τi为高关键层次任务，则Ci(HI)>＝Ci(LO)。
优选的，所述利用关键层次划分方法确定混合关键周期任务的优先级，包括如下处理步骤：
先按照混合关键周期任务的关键层次确定任务的优先级：关键层次越高，其优先级就越高；关键层次越低，其优先级就越低；
在此基础上，按照混合关键周期任务的周期进一步确认任务的优先级：周期越短，其优先级越高；周期越长，其优先级就越低；如果任务的周期相同，任务的下标越小，其优先级越高。
优选的，所述计算混合关键周期任务可行调度的最低速度S，其计算方式如下：
Figure BDA0001764351830000021
其中，F(n)表示单调速率策略调度周期任务集的利用率上界；UEX表示高关键层次任务额外负载的利用率；
Figure BDA0001764351830000022
表示低关键层次任务低模式下的利用率；
Figure BDA0001764351830000023
表示高关键层次任务低模式下的利用率。
优选的，所述计算高关键层次任务在低模式下产生的空闲时间ST，利用该空闲时间确定处理器的执行速度Si；如果处理器的执行速度Si大于最低速度S，令Si＝S；具体包括：
空闲时间ST的计算方式如下：
Figure BDA0001764351830000024
其中，Γ表示混合关键周期任务集，ζi表示混合关键周期任务τi的关键层次；
处理器的执行速度Si的计算方式如下：
Figure BDA0001764351830000031
其中，如果Si>S,Si＝S。
优选的，所述低关键层次任务以及高关键层次任务在低模式下始终以速度Si执行，高关键层次任务在高模式下其额外负载以最大处理器速度执行；其处理步骤如下：
如果任务τi是低关键层次任务，其以速度Si执行；如果任务τi是高关键层次任务，其开始以速度Si执行，当其执行时间超过
Figure BDA0001764351830000032
时，系统将从低模式切换到高模式，所有的低关键层次任务将被取消，高关键层次任务的额外负载将以最大处理器速度执行。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的方法比现有的混合关键系统周期任务调度方法相比节约大约15.69％能耗；
(2)本发明方法能够确保周期任务在其截止期限内完成执行；
(3)混合关键系统能耗的降低，可以降低产品的生产成本，延长设备的使用时间，减少电池的更换周期。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种混合关键系统固定优先级周期任务能耗优化方法不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明方法的流程图示意图；
图2为本发明实施例的归一化能耗与高关键层次任务高模式下的利用率的仿真实验结果图。
具体实施方式
以下将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述和讨论。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1所示，本发明一种混合关键系统固定优先级周期任务能耗优化方法，包括如下步骤：
步骤101：建立包括若干个混合关键周期任务的混合关键周期任务模型。
混合关键周期任务模型为由n个混合关键周期任务组成的集合Γ＝{τ1,τ2,…,τn}，每个混合关键周期任务τi(1≤i≤n,i为整数)由四元组{Ti,Di,ξi,Ci}组成，其中Ti是混合关键周期任务τi的周期；Di是混合关键周期任务τi的相对截止期限，且其等于Ti；ξi是混合关键周期任务τi的关键层次，其可以表示为ξi＝{LO,HI}，混合关键周期任务τi的关键层次为LO时，其为低关键层次任务，混合关键周期任务τi的关键层次为HI时，其为高关键层次任务；Ci为混合关键周期任务τi的不同模式下的最坏情况下执行时间；Ci(LO)和Ci(HI)分别为混合关键周期任务τi在低模式和高模式下的执行时间；如果混合关键周期任务τi为低关键层次任务时，其Ci(HI)＝Ci(LO)；如果混合关键周期任务τi为高关键层次任务时，其Ci(HI)>＝Ci(LO)。
步骤102：利用关键层次划分方法确定混合关键周期任务的优先级。
先按照任务的关键层次确定任务的优先级；关键层次越高，其优先级就越高；关键层次越低，其优先级就越低；在此基础上，按照任务的周期进一步确认任务的优先级；周期越短，其优先级越高；周期越长，其优先级就越低；如果任务的周期相同，任务的下标越小，其优先级越高。
步骤103：计算混合关键周期任务可行调度的最低速度S。
混合关键周期任务可行调度的最低速度S计算方式如下：
Figure BDA0001764351830000041
其中F(n)是单调速率策略调度周期任务集的利用率上界；其由下式计算：
Figure BDA0001764351830000042
其中，n为混合关键周期任务集周期任务的数量；UEX是高关键层次任务额外负载的利用率；其计算方式如下：
Figure BDA0001764351830000043
其中，Γ是混合关键周期任务集，ζi是混合关键周期任务τi的关键层次，HI代表高关键层次任务，Ci(LO)和Ci(HI)分别为混合关键周期任务τi在低模式和高模式下的执行时间；Ti是混合关键周期任务τi的周期；
Figure BDA0001764351830000044
是低关键层次任务低模式下的利用率，其计算方式如下：
Figure BDA0001764351830000045
其中，Γ是混合关键周期任务集，ζi是混合关键周期任务τi的关键层次，LO代表低关键层次任务，Ci(LO)为混合关键周期任务τi在低模式下的执行时间；Ti是混合关键周期任务τi的周期；
Figure BDA0001764351830000051
是高关键层次任务低模式下的利用率，其计算方式如下：
Figure BDA0001764351830000052
其中，Γ是混合关键周期任务集，ζi是混合关键周期任务τi的关键层次，HI代表高关键层次任务，Ci(HI)分别为混合关键周期任务τi在高模式下的执行时间；Ti是混合关键周期任务τi的周期。
步骤104：计算高关键层次任务在低模式下产生的空闲时间ST，利用该空闲时间确定处理器的执行速度Si；如果处理器的执行速度Si大于最低速度S，令Si＝S。
空闲时间ST的计算方式如下：
Figure BDA0001764351830000053
其中，Γ是混合关键周期任务集，ζi是混合关键周期任务τi的关键层次，HI代表高关键层次任务，Ci(LO)和Ci(HI)分别为混合关键周期任务τi在低模式和高模式下的执行时间；处理器的执行速度Si的计算方式如下：
Figure BDA0001764351830000054
其中，ST为空闲时间；如果Si>S,Si＝S。
步骤105：低关键层次任务以及高关键层次任务在低模式下始终以速度Si执行，高关键层次任务在高模式下其额外负载以最大处理器速度执行；其处理步骤如下：
如果任务τi是低关键层次任务，其以速度Si执行；如果任务τi是高关键层次任务，其开始以速度Si执行，当其执行时间超过
Figure BDA0001764351830000055
时，系统将从低模式切换到高模式，所有的低关键层次任务将被取消，高关键层次任务的额外负载将以最大处理器速度执行；高关键层次任务的额外负载为Ci(HI)-Ci(LO)。
步骤106：利用动态功耗管理技术降低处理器能耗。
当处理器处于空闲状态时，比较此时处理器的空闲时间与处理器速度切换开销；如果处理器空闲时间比处理器状态切换开销大时，将处理器切换到低功耗状态，直到新的周期任务释放；如果处理器空闲时间小于或等于处理器状态切换开销时，处理器依然保持空闲状态。
参见图2所示，本实施例中，每个混合关键周期任务集包含11个周期任务，其中7个是高关键层次周期任务，4个是低关键层次周期任务。高关键层次与低关键层次周期任务的周期在[1000,5000]中选择。低关键层次周期任务τi的Ci(LO)与Ci(HI)在1到其周期之间进行选择。高低关键层次周期任务τi的Ci(LO)在1到其周期之间进行选择；高低关键层次周期任务τi的Ci(HI)在Ci(LO)到其周期之间进行选择。通过调整任务的Ci(LO)与Ci(HI)以确保混合关键周期任务集的利用率不超过给定的值。设置实验的仿真时间为1000000个时间片，系统模式切换的时间设置为500000。设置低关键层次任务集的低模式的利用率为0.3和低关键层次任务集的高模式的利用率为0.18，考察高关键层次高模式下利用率对系统能耗的影响。
图2中比较了三种方法。第一，PCS(没有利用节能技术的关键层次划分方法)方法，任务始终以最大处理器速度执行。第二，OSS(任务始终以最低速度执行，但不能利用动态空闲时间降低能耗)。第三，本发明的方法(利用DVS技术和DPM技术节能，且能利用高关键层次任务产生的空闲时间降低能耗)。从图2中可以看出，所有方法的归一化能耗都受到高关键层次高模式下利用率的影响。随着高关键层次高模式下利用率增加，所有方法的归一化能耗都上升。这是因为高关键层次高模式下利用率增加，导致任务的执行时间与其最低速度增加，所以系统能耗增加。本发明方法的归一化能耗低于PCS和OSS方法的归一化能耗。本发明方法与PCS和OSS方法相比分别节约大约50.23％和15.69％的能耗。
以上仅为本发明实例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种混合关键系统固定优先级周期任务能耗优化方法，其特征在于，包括：
建立包括若干个混合关键周期任务的混合关键周期任务模型；
利用关键层次划分方法确定混合关键周期任务的优先级；
计算混合关键周期任务可行调度的最低速度S；
计算高关键层次任务在低模式下产生的空闲时间ST，利用该空闲时间确定处理器的执行速度Si；如果处理器的执行速度Si大于最低速度S，令Si＝S；
低关键层次任务以及高关键层次任务在低模式下始终以速度Si执行，高关键层次任务在高模式下其额外负载以最大处理器速度执行；
利用动态功耗管理技术降低处理器能耗；
所述利用动态功耗管理技术降低处理器能耗，具体包括：
当处理器处于空闲状态时，比较此时处理器的空闲时间与处理器速度切换开销；如果处理器空闲时间比处理器状态切换开销大时，将处理器切换到低功耗状态，直到新的周期任务释放；如果处理器空闲时间小于或等于处理器状态切换开销时，处理器依然保持空闲状态；
所述利用关键层次划分方法确定混合关键周期任务的优先级，包括如下处理步骤：
先按照混合关键周期任务的关键层次确定任务的优先级：关键层次越高，其优先级就越高；关键层次越低，其优先级就越低；
在此基础上，按照混合关键周期任务的周期进一步确认任务的优先级：周期越短，其优先级越高；周期越长，其优先级就越低；如果任务的周期相同，任务的下标越小，其优先级越高。
2.如权利要求1所述的混合关键系统固定优先级周期任务能耗优化方法，其特征在于，所述建立包括若干个混合关键周期任务的混合关键周期任务模型，具体包括：
混合关键周期任务模型为由n个混合关键周期任务组成的集合Γ＝{τ1,τ2,…,τn}，每个混合关键周期任务τi，1≤i≤n，i为整数，由四元组{Ti,Di,ξi,Ci}组成，其中Ti表示混合关键周期任务τi的周期；Di表示混合关键周期任务τi的相对截止期限，且其等于Ti；ξi表示混合关键周期任务τi的关键层次，其可以表示为ξi＝{LO,HI}，混合关键周期任务τi的关键层次为LO时，其为低关键层次任务，混合关键周期任务τi的关键层次为HI时，其为高关键层次任务；Ci表示混合关键周期任务τi的不同模式下的最坏情况下执行时间；Ci(LO)和Ci(HI)分别表示混合关键周期任务τi在低模式和高模式下的执行时间；如果混合关键周期任务τi为低关键层次任务，则Ci(HI)＝Ci(LO)；如果混合关键周期任务τi为高关键层次任务，则Ci(HI)>＝Ci(LO)。
3.如权利要求2所述的混合关键系统固定优先级周期任务能耗优化方法，其特征在于，所述计算混合关键周期任务可行调度的最低速度S，其计算方式如下：
Figure FDA0003335706080000021
其中，F(n)表示单调速率策略调度周期任务集的利用率上界；UEX表示高关键层次任务额外负载的利用率；
Figure FDA0003335706080000022
表示低关键层次任务低模式下的利用率；
Figure FDA0003335706080000023
表示高关键层次任务低模式下的利用率。
4.如权利要求3所述的混合关键系统固定优先级周期任务能耗优化方法，其特征在于，所述计算高关键层次任务在低模式下产生的空闲时间ST，利用该空闲时间确定处理器的执行速度Si；如果处理器的执行速度Si大于最低速度S，令Si＝S；具体包括：
空闲时间ST的计算方式如下：
Figure FDA0003335706080000024
处理器的执行速度Si的计算方式如下：
Figure FDA0003335706080000025
其中，如果Si>S,Si＝S。
5.如权利要求4所述的混合关键系统固定优先级周期任务能耗优化方法，其特征在于，所述低关键层次任务以及高关键层次任务在低模式下始终以速度Si执行，高关键层次任务在高模式下其额外负载以最大处理器速度执行；其处理步骤如下：
如果任务τi是低关键层次任务，其以速度Si执行；如果任务τi是高关键层次任务，其开始以速度Si执行，当其执行时间超过
Figure FDA0003335706080000026
时，系统将从低模式切换到高模式，所有的低关键层次任务将被取消，高关键层次任务的额外负载将以最大处理器速度执行。
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