CN100580632C - 嵌入式系统rm低功耗调度中松弛时间在线重分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式系统RM低功耗调度中松弛时间在线重分配方法。该发明基于一个RM的任务调度模型，采用RM调度方法确保调度的实时性。本发明通过对任务集运行时松弛时间进行收集，并在低优先级的任务间将收集的松弛时间进行重分配，解决调度模型与实际运行之间的差别。然后在运行的过程中利用实时动态调频调压技术，根据松弛时间重分配后与任务最坏运行时间之间的比值，调整处理器电压频率，达到低功耗调度的目的。

Description

嵌入式系统RM低功耗调度中松弛时间在线重分配方法

技术领域

本发明涉及基于嵌入式系统软件节能技术，特别是涉及一种嵌入式系统RM低功耗调度中松弛时间在线重分配方法。

背景技术

在便携式嵌入式设备电源管理领域，目前的困难在于既要满足便携式终端对电源供电的要求，又要做到占用空间小、重量轻和供电时间更长。下一代消费类电子产品的电源解决方案重点应该集中在硬件和软件两方面技术，包括：(1)在小巧外形尺寸下，如何实现所需电源性能的工艺和技术，涉及热管理、降噪、电池管理和功能整合等技术；(2)动态功率管理技术，它取决于CPU性能、软件、中间件以及用户对更换电池的时间间隔等要求；(3)动态功率管理技术对操作系统内核和驱动器，以及应用编程接口(API)对驱动器、中间件和应用本身的影响。

现在嵌入式设备的功能变得越来越强大，功能也越来越丰富。随着嵌入式设备功能越来越多，用户对嵌入式设备电池的能量需求也越来越高，现有的锂离子电池已经越来越难以满足消费者对正常使用时间的要求。对此，业界主要采取两种方法，一是开发具备更高能量密度的新型电池技术，如燃料电池，在可以预见的5年内，电池技术不可能有很大的突破；二是在电池的能量转换效率和节能方面下功夫。在目前新的高能电池技术(如燃料电池)仍不成熟的情况下，下一代手持设备的电源管理只能从提高电源利用率和降低功耗这二个方面着手。

如何延长电池的使用寿命，以及尽量减少电池能量的消耗已经成为嵌入式领域的一个研究热点。现在主要集中在硬件设计和软件优化两方面。其中软件优化方面现在主要包括系统软件和应用软件两方面。系统软件主要集中在编译器和操作系统内核两块。

在操作系统领域，现在主要的电源管理方法是利用操作系统内核，动态的调整系统处理器和总线的频率，降低系统的整体能耗。而且系统可以通过动态频率指令改变系统状态，是系统处于低功耗状态，以达到节能的目的。在编译器方面，现在主要通过编译器在编译应用程序阶段，对代码进行优化，使代码尽量的紧凑以及访问设备尽量集中，以达到节能的目的。

上面的方法中，实现起来都需要比较繁琐的过程，而且没有考虑实时性，在现在嵌入式系统领域的应用存在一定的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种嵌入式系统RM低功耗调度中松弛时间在线重分配方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1)RM实时调度任务模型：

RM实时调度任务模型采用任务按单调速率优先级分配的调度算法，称为单调速率调度；它根据任务的执行周期的长短来决定调度优先级，那些具有小的执行周期的任务具有较高的优先级，周期长的任务优先级低；

在RM实时调度模型中，每个任务T_i需要采用三个参数表示：任务执行周期P_i、任务最坏执行时间C_i、任务完成的最终期限D_i，其中下标i为任务的编号；

在RM实时调度模型中任务集{T₁，…T_N}是在调度之前已经确定的，即任务数N是确定的、任务集中每个的任务执行周期P_i的单位为毫秒ms；任务集中任务最坏执行时间C的单位为毫秒ms；任务集中每个任务完成的最终期限D的单位为毫秒ms；

根据RM实时模型的调度策略，任务集将按照每个任务的执行周期P_i的长短排列；即当任务的编号i小于任务编号j时，任务T_i的执行周期P_i小于任务T_j的执行周期P_j；

2)RM实时调度任务模型扩展：

本发明在RM实时调度任务模型的基础上为每个任务T_i添加了一个参数：任务松弛时间因子S_i初始化为0，它的单位为毫秒ms；

3)任务T_i运行实例的参数定义和扩展：

本发明用I_i ^k表示任务T_i第k次的运行实例，任务T_i的不同运行实例实际运行的时间不同，任务T_i第k次的运行实例实际运行的时间为X_i ^k单位为毫秒ms；由于任务T_i的最坏运行时间为C_i，那么运行实例I_i ^k的松弛时间可由下公式计算得到：

$\mathrm{\Δ}{C}_i^k=C_i-X_i^k$

其中

ΔC_i ^k为运行实例I_i ^k的松弛时间，所谓的任务松弛时间是指运行实例的运行时间与最坏运行时间的差，

C_i是任务T_i的最坏运行时间，

X_i ^k为任务T_i第k次的运行实例实际运行的时间；

4)任务松弛时间因子更新：

任务松弛时间因子S_i用来纪录所有优先级在任务T_i之前的任务运行实例产生的任务松弛时间，即所有任务编号小于i的任务运行实例所产生的松弛时间；

当任务T_i第k次运行实例I_i ^k执行结束后，可计算出运行实例I_i ^k的松弛时间ΔC_i ^k，然后可计算更新所有任务T_j的松弛时间因子：

$S_j=\left\{\begin{array}{c}{S}_j,j\≤i\\ S_j+\mathrm{\Δ}{C}_i^k,j>i\end{array}\right.$

其中

S_j为任务T_j的松弛时间因子，

这里的“＝”是计算机程序设计中的赋值符号，

ΔC_i ^k为运行实例I_i ^k的松弛时间，

j为当前需要更新松弛时间的任务编号j大于等于0小于等于任务数N，

i为执行结束的任务编号；

5)任务松弛时间重分配：

当一个任务T_i的第k次运行实例I_i ^k准备执行时，由于存在优先级比任务T_i高的任务执行之后产生的松弛时间，因此运行实例I_i ^k在执行前，可从松弛因子S_i中抽取一定的时间ΔS_i ^k作为本次运行的补偿，即第k次运行实例I_i ^k的最坏运行时间可调整为：

$A_i^k=C_i+{\mathrm{\ΔS}}_i^k$

其中

A_i ^k为实例I_i ^k的新的最坏运行时间，

C_i是任务T_i的最坏运行时间，

ΔS_i ^k是从松弛因子S_i中抽取的作为本次运行的补偿时间；

ΔS_i ^k从松弛因子S_i中抽取多少是由操作系统中，ready进程队列内任务的平均运行时间决定的，可通过如下公式计算得到：

其中

ΔS_i ^k是从松弛因子S_i中抽取的作为本次运行的补偿时间，

S_i为i号任务T_i的松弛时间因子，

X_i是i号任务T_i的平均运行时间，

T_j是ready任务队列中的任务，

X_i是j号任务T_j的平均运行时间；

ΔS_i ^k被从松弛因子S_i中抽取后，所有任务T_j的松弛因子都要被再次更新：

$S_j=\left\{\begin{array}{c}0,j\≤i\\ S_j-\mathrm{\Δ}{S}_i^k,j>i\end{array}\right.$

其中

S_j为任务T_j的松弛时间因子，

这里的“＝”是计算机程序设计中的赋值符号，

ΔS_i ^k为运行实例I_i ^k从松弛因子S_i中抽取出去的补偿时间，

j为当前需要更新松弛时间的任务编号j大于等于0小于等于任务数N，

i为当前准备执行的任务编号；

6)任务运行实例处理器频率计算：

运行实例I_i ^k的新的最坏运行时间A_i ^k计算出来之后，可通过A_i ^k和任务T_i的最坏运行时间C_i以及处理器的最高运行频率f_max计算出新的处理器频率，如下公式所示：

$f_{\mathrm{new}}=C_i/A_i^k\×f_{\max }$

其中

A_i ^k为实例I_i ^k的新的最坏运行时间，

C_i是任务T_i的最坏运行时间，

f_max为处理器的最高运行频率，

f_new为实例I_i ^k的执行频率；

在这种情况下，实例I_i ^k就能够在保证实时性的情况下更加节省能耗；

7)处理器动态频率设置：

处理器通过动态调频调压技术DVFS设置处理器的运行时频率和运行时电压，RM调度算法在每个任务运行实例准备运行之前根据计算出的f_new为运行实例设置相应的运行时频率。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：

本发明将操作系统的实时性和低功耗调度工作相结合，利用现有RM调度方法的实时性来保证任务的实时性要求。本发明通过将低功耗调度方法融入到实时的任务调度中，在保证实时性的同时，达到低功耗的目的，延长系统电池的使用时间。

(1)实时性。应用程序在系统中运行时，利用RM调度方法来保证实时性。

(2)稳定性。操作系统将动态调整系统状态的权利掌握在自己手中，而不是下放给应用程序，这样系统就能在兼顾全局的情况下动态调整系统的状态，保证系统的稳定。

(3)精确性。利用在线计算的方式，根据任务的完成情况确定整个调度过程中产生的松弛时间，并利用这些松弛时间计算出新的处理器运行频率，充分利用了任务在运行时的随机特性。

附图说明

附图是系统工作的流程图。

具体实施方式

在实施实时嵌入式系统RM低功耗调度中松弛时间在线重分配方法时，操作系统在调度过程中，考虑了实时和节能两个约束。

1)RM实时调度任务模型

RM实时调度任务模型采用任务按单调速率优先级分配的调度算法，称为单调速率调度；它根据任务的执行周期的长短来决定调度优先级，那些具有小的执行周期的任务具有较高的优先级，周期长的任务优先级低；

在RM实时调度模型中，每个任务T_i需要采用三个参数表示：任务执行周期P_i、任务最坏执行时间C_i、任务完成的最终期限D_i，其中下标i为任务的编号；

在RM实时调度模型中任务集{T₁，…T_N}是在调度之前已经确定的，即任务数N是确定的、任务集中每个的任务执行周期P_i的单位为毫秒ms；任务集中任务最坏执行时间C的单位为毫秒ms；任务集中每个任务完成的最终期限D的单位为毫秒ms；

根据RM实时模型的调度策略，任务集将按照每个任务的执行周期P_i的长短排列；即当任务的编号i小于任务编号j时，任务T_i的执行周期P_i小于任务T_j的执行周期P_j；比如现在有三个任务分别为A任务、B任务、C任务，他们的执行周期分别为：10000ms，7000ms，和9000ms。那么根据RM算法对任务优先级的定义，可以得到任务B的优先级最高，而任务A的优先级最低，根据优先级对任务进行编号为：T₁任务为B任务，T₂任务为C任务，T₃任务为A任务。

2)任务模型扩展

本发明在RM实时调度任务模型的基础上为每个任务T_i添加了一个参数：任务松弛时间因子S_i初始化为0，他的单位为毫秒ms；任务松弛时间因子S_i主要用来记录任务优先级在i之前的任务运行实例产生的松弛时间。

3)任务T_i运行实例的参数定义和扩展

本发明用I_i ^k表示任务T_i第k次的运行实例。任务T_i的不同运行实例实际运行的时间不同，任务T_i第k次的运行实例实际运行的时间为X_i ^k单位为毫秒ms；由于任务T_i的最坏运行时间为C_i，那么运行实例I_i ^k的松弛时间可由下公式计算得到：

$\mathrm{\Δ}{C}_i^k=C_i-X_i^k$

其中

ΔC_i ^k为运行实例I_i ^k的松弛时间，所谓的任务松弛时间是指运行实例的运行时间与最坏运行时间的差

C_i是任务T_i的最坏运行时间，

X_i ^k为任务T_i第k次的运行实例实际运行的时间；

比如前面所述的3个任务，假设T₁任务的最坏执行时间C₁为800ms，而他第3次执行过程中实际只用了650ms，即X₁ ³为650ms，那么他的松弛时间为 $\mathrm{\Δ}{C}_1^3=800\mathrm{ms}-650\mathrm{ms}=150\mathrm{ms}.$

4)任务松弛时间因子更新

任务松弛时间因子S_i用来纪录所有优先级在任务T_i之前的任务运行实例产生的任务松弛时间，即所有任务编号小于i的任务运行实例所产生的松弛时间；

当任务T_i第k次运行实例I_i ^k执行结束后，可计算出运行实例I_i ^k的松弛时间ΔC_i ^k，然后可计算更新所有任务Tj的松弛时间因子：

$S_j=\left\{\begin{array}{c}{S}_j,j\≤i\\ S_j+\mathrm{\Δ}{C}_i^k,j>i\end{array}\right.$

其中

S_j为任务T_j的松弛时间因子，

这里的“＝”是计算机程序设计中的赋值符号，

ΔC_i ^k为运行实例I_i ^k的松弛时间，

j为当前需要更新松弛时间的任务编号j大于等于0小于等于任务数N，

i为执行结束的任务编号；

假设现在的有三个进程T₁，T₂，T₃，与他们对应的S₁为200ms，S₂为300ms，S₃为400ms。假设T₁第2次运行实例I₁ ²执行结束后， $\mathrm{\Δ}{C}_1^3=150\mathrm{ms},$ 那么S₁不用更新，因为S的下标为1，和执行的任务下标1相等，而S₂更新为300ms+150＝450ms，S₃更新为400ms+150ms＝550ms。

5)松弛时间重分配

当一个任务T_i的第k次运行实例I_i ^k准备执行时，由于存在优先级比任务T_i高的任务执行之后产生的松弛时间，因此运行实例I_i ^k在执行前，可从松弛因子S_i中抽取一定的时间ΔS_i ^k作为本次运行的补偿，即第k次运行实例I_i ^k的最坏运行时间可调整为：

$A_i^k=C_i+{\mathrm{\ΔS}}_i^k$

其中

A_i ^k为实例I_i ^k的新的最坏运行时间，

C_i是任务T_i的最坏运行时间，

ΔS_i ^k是从松弛因子S_i中抽取的作为本次运行的补偿时间；

假设T₂第3次运行实例I₂ ³准备执行，那么将从松弛因子S₂中抽取一定的时间 ${\mathrm{\ΔS}}_2^3=100\mathrm{ms}$ 作为本次运行的补偿且T₂的最坏执行时间600ms，那么A₂ ³等于700ms。

ΔS_i ^k从松弛因子S_i中抽取多少是由操作系统中，ready进程队列内任务的平均运行时间决定的，可通过如下公式计算得到：

其中

ΔS_i ^k是从松弛因子S_i中抽取的作为本次运行的补偿时间，

S_i为i号任务T_i的松弛时间因子，

X_i是i号任务T_i的平均运行时间，

T_j是ready任务队列中的任务，

X_j是j号任务T_j的平均运行时间；

ΔS_i ^k被从松弛因子S_i中抽取后，所有任务T_j的松弛因子都要被再次更新：

$S_j=\left\{\begin{array}{c}0,j\≤i\\ S_j-{\mathrm{\ΔS}}_i^k,j>i\end{array}\right.$

其中

S_j为任务T_j的松弛时间因子，

这里的“＝”是计算机程序设计中的赋值符号，

ΔS_i ^k为运行实例I_i ^k从松弛因子S_i中抽取出去的补偿时间，

j为当前需要更新松弛时间的任务编号j大于等于0小于等于任务数N，

i为当前准备执行的任务编号；

假设现在有三个进程T₁，T₂，T₃，与他们对应的S₁为200ms，S₂为300ms，S₃为400ms，其中三个进程的平均执行时间X₁为500ms，X₂为600ms，X₃为700ms，那么T₂第3次运行实例I₂ ³准备执行时，从松弛因子S₂中抽取一定的时间 $\mathrm{\Δ}{S}_2^3=300\×600/(500+600+700)=100\mathrm{ms}.$ 计算出ΔS₂ ³之后，可以分别更新S₁为0ms，S₂为0ms，S₃为400-100＝300ms。

6)任务运行实例处理器频率计算

运行实例I_i ^k的新的最坏运行时间A_i ^k计算出来之后，可通过A_i ^k和任务T_i的最坏运行时间C_i以及处理器的最高运行频率f_max计算出新的处理器频率，如下公式所示：

$f_{\mathrm{new}}=C_i/A_i^k\×f_{\max }$

其中

A_i ^k为实例I_i ^k的新的最坏运行时间，

C_i是任务T_i的最坏运行时间，

f_max为处理器的最高运行频率，

f_new为实例I_i ^k的执行频率；

在这种情况下，实例I_i ^k就能够在保证实时性的情况下更加节省能耗；

假设T₂第3次运行实例I₂ ³准备执行，那么将从松弛因子S₂中抽取一定的时间 ${\mathrm{\ΔS}}_2^3=100\mathrm{ms}$ 作为本次运行的补偿且T₂的最坏执行时间600ms，那么A₂ ³等于700ms。而运行实例I₂ ³的处理器最高频率为700MHZ，那么可以计算出：F_new＝600/700×700＝600MHZ。

7)处理器动态频率设置

处理器通过动态调频调压技术DVFS设置处理器的运行时频率和运行时电压，RM调度算法在每个任务运行实例准备运行之前根据计算出的f_new为运行实例设置相应的运行时频率。

附图是系统工作的流程图。

Claims (1)

1.一种嵌入式系统RM低功耗调度中松弛时间在线重分配方法，其特征在于：

1)建立RM实时调度任务模型：

RM实时调度任务模型采用任务按单调速率优先级分配的调度算法，称为单调速率调度；它根据任务的执行周期的长短来决定调度优先级，那些具有小的执行周期的任务具有较高的优先级，周期长的任务优先级低；

在RM实时调度模型中，每个任务T_i需要采用三个参数表示：任务执行周期P_i、任务最坏运行时间C_i、任务完成的最终期限D_i，其中下标i为任务的编号；

在RM实时调度模型中任务集{T₁，…T_N}是在调度之前已经确定的，即任务数N是确定的、任务集中每个任务的执行周期P_i的单位为毫秒ms；任务集中任务最坏运行时间C_i的单位为毫秒ms；任务集中每个任务完成的最终期限D_i的单位为毫秒ms；

根据RM实时模型的调度策略，任务集将按照每个任务的执行周期P_i的长短排列；即当任务的编号i小于任务编号j时，任务T_i的执行周期P_i小于任务T_j的执行周期P_j；

2)对RM实时调度任务模型进行扩展：

在RM实时调度任务模型的基础上为每个任务T_i添加了一个参数：任务松弛时间因子S_i初始化为0，它的单位为毫秒ms；

3)任务T_i运行实例的参数定义和扩展：

用I_i ^k表示任务T_i第k次的运行实例，任务T_i的不同运行实例实际运行的时间不同，任务T_i第k次的运行实例实际运行的时间为X_i ^k单位为毫秒ms；由于任务T_i的最坏运行时间为C_i，那么运行实例I_i ^k的松弛时间可由下公式计算得到：

$\mathrm{\Δ}{C}_i^k=C_i-X_i^k$

其中

ΔC_i ^k为运行实例I_i ^k的松弛时间，所谓的任务松弛时间是指最坏运行时间与运行实例实际运行的时间的差，

C_i是任务T_i的最坏运行时间，

X_i ^k为任务T_i第k次的运行实例实际运行的时间；

4)任务松弛时间因子更新：

任务松弛时间因子S_i用来记录所有优先级在任务T_i之前的任务运行实例产生的任务松弛时间，即所有任务编号小于i的任务运行实例所产生的松弛时间；

当任务T_i第k次运行实例I_i ^k执行结束后，可计算出运行实例I_i ^k的松弛时间ΔC_i ^k，然后可计算更新所有任务T_j的任务松弛时间因子：

$S_j=\left\{\begin{array}{c}{S}_j,j\≤i\\ S_j+\mathrm{\Δ}{C}_i^k,j>i\end{array}\right.$

其中

S_i为任务T_j的任务松弛时间因子，

这里的“＝”是计算机程序设计中的赋值符号，

ΔC_i ^k为运行实例I_i ^k的松弛时间，

j为当前需要更新松弛时间的任务编号j大于等于0小于等于任务数N，

i为执行结束的任务编号；

5)任务松弛时间重分配：

当一个任务T_i的第k次运行实例I_i ^k准备执行时，由于存在优先级比任务T_i高的任务执行之后产生的松弛时间，因此运行实例I_i ^k在执行前，可从任务松弛时间因子S_i中抽取一定的时间ΔS_i ^k作为本次运行的补偿，即第k次运行实例I_i ^k的最坏运行时间可调整为：

$A_i^k=C_i+\mathrm{\Δ}{S}_i^k$

其中

A_i ^k为实例I_i ^k的新的最坏运行时间，

C_i是任务T_i的最坏运行时间，

ΔS_i ^k是从任务松弛时间因子S_i中抽取的作为本次运行的补偿时间；

ΔS_i ^k从任务松弛时间因子S_i中抽取多少是由操作系统中，ready进程队列内任务的平均运行时间决定的，可通过如下公式计算得到：

其中

ΔS_i ^k是从任务松弛时间因子S_i中抽取的作为本次运行的补偿时间，

S_i为i号任务T_i的任务松弛时间因子，

X_i是i号任务T_i的平均运行时间，

T_j是ready任务队列中的任务，

X_j是j号任务T_j的平均运行时间；

ΔS_i ^k被从任务松弛时间因子S_i中抽取后，所有任务T_j的任务松弛时间因子都要被再次更新：

$S_j=\left\{\begin{array}{c}0,j\≤i\\ S_j-\mathrm{\Δ}{S}_i^k,j>i\end{array}\right.$

其中

S_j为任务T_j的任务松弛时间因子，

这里的“＝”是计算机程序设计中的赋值符号，

ΔS_i ^k为运行实例I_i ^k从任务松弛时间因子S_i中抽取出去的补偿时间，

j为当前需要更新松弛时间的任务编号j大于等于0小于等于任务数N，

i为当前准备执行的任务编号；

6)任务运行实例处理器频率计算：

运行实例I_i ^k的新的最坏运行时间A_i ^k计算出来之后，可通过A_i ^k和任务T_i的最坏运行时间C_i以及处理器的最高运行频率f_max计算出新的处理器频率，如下公式所示：

$f_{\mathrm{new}}=C_i/A_i^k\×f_{\max }$

其中

A_i ^k为实例I_i ^k的新的最坏运行时间，

C_i是任务T_i的最坏运行时间，

f_max为处理器的最高运行频率，

f_new为实例I_i ^k的执行频率；

在这种情况下，实例I_i ^k就能够在保证实时性的情况下更加节省能耗；

7)处理器动态频率设置：

处理器通过动态调频调压技术DVFS设置处理器的运行时频率和运行时电压，RM调度算法在每个任务运行实例准备运行之前根据计算出的f_new为运行实例设置相应的运行时频率。

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