CN101226421A - 实时嵌入式系统edf低功耗调度的msr方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时嵌入式系统EDF低功耗调度的MSR方法。提供了一种新的方法和技术用来解决并实时嵌入式系统中EDF低功耗调度的问题。该发明基于一个EDF的任务模型，采用EDF调度方法确保调度的实时性。本发明通过采用离线最高需求频率确定方法确定任务在保证实时性的情况下，运行需要的最高处理器频率。然后在运行的过程中利用实时动态调频调压技术，调整处理器电压频率，达到低功耗调度的目的。

Description

实时嵌入式系统EDF低功耗调度的MSR方法

技术领域

本发明涉及基于嵌入式系统软件节能技术，特别是涉及一种实时嵌入式系统EDF低功耗调度的MSR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实时嵌入式系统EDF低功耗调度的MSR方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案的步骤如下：

1)EDF实时调度任务模型：

EDF实时调度任务模型采用最早截止期最先调度的方法对任务调度；在EDF实时调度模型中，每个任务T_i需要采用三个参数表示：任务到达时间、任务最坏执行时间C_i、任务完成的最终期限D_i，其中i为任务的编号；

在本EDF实时调度模型中规定任务集{T₁，...T_N}是在调度之前已经确定的，即任务数N是确定的、任务集中所有任务到达时间均为0；任务集中任务最坏执行时间C的单位为时钟数cycles；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EDF实时模型的调度方法，任务集将按照每个任务的最终期限D排列；即当任务的编号i小于任务编号j时任务T_i的最终期限D_i小于任务T_j的最终期限D_i；

2)任务模型扩展

本发明在EDF实时调度任务模型的基础上为每个任务T_i添加了两个参数：处理器利用率u_i、处理器最大频率需求f_i；其中f_i被初始化为处理器支持的最大频率f_max；

3)任务T_i处理器利用率u_i计算

任务集中每个任务T_i处理器利用率u_i通过一个离线的遍历过程完成，每个任务T_i处理器利用率u_i的计算公式如下：

$u_i=\underset{0<j\&le;i}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{C_j/f_j}{D_j-\mathrm{\&sigma;}}$

其中

i为任务在任务集中的编号，

u_i为任务T_i处理器利用率，

C_j为任务T_j最坏执行时间，单位为时钟数，

f_j为任务T_j处理器最大频率需求，

D_j为任务T_j任务完成的最终期限，

σ为时间逝去参数，初始化为0；

4)时间逝去参数σ更新

时间参数σ用来控制处理器剩余计算能力，初始值为0；当任务集中每个任务的处理器利用率通过第一遍遍历计算完成后，从任务集中，挑选出处理器利用率最大的任务T_p，把任务T_p的任务完成最终期限D_p赋值给σ，坐位下次遍历中计算处理器利用率的新时间逝去参数；

5)任务T_i处理器最大频率需求f_i计算

任务T_i的处理器最大频率需求f_i通过处理器最大频率需求计算方法MSR方法计算，如下公式所示：

f_j＝f_max×u_i

其中

i为任务在任务集中的编号，

f_max是处理器支持的最大频率，

u_i为任务T_i处理器利用率；

6)处理器利用率离线遍历过程的循环控制

任务集中每个任务T_i处理器利用率u_i通过一个离线的遍历过程完成，这个遍历过程不是一次遍历，而是通过多次多遍的遍历完成的；每次遍历的任务数是不一样的；本发明通过一个循环控制参数q来控制每次遍历的任务数和任务范围，q在第一次遍历之前被初始化为1；

在每一遍遍历计算完成后，从任务集中，挑选出处理器利用率最大的任务T_p，把任务T_p的任务编号p赋值给q作为新的循环控制参数；

每次遍历过程中，通过更新的循环控制参数和时间逝去参数σ来计算每个任务新的处理器利用率和处理器最大频率需求；

7)处理器动态频率设置

当任务T_i被EDF调度方法调度到处理器上执行时，调度方法根据T_i的处理器最大频率需求f_i动态设置处理器的运行时频率，达到节能的目的。

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EDF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EDF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)时间损耗小。利用离线计算的方式，确定每个任务的处理器最大频率需求，不需要在调度的过程中计算，只需在调度的过程中设置处理器频率即可。

附图说明

附图是整个系统离线计算和调度工作的流程图；

具体实施方式

在实施实时嵌入式系统EDF低功耗调度的MSR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)EDF实时调度任务模型

EDF实时调度任务模型采用最早截止期最先调度的方法对任务调度；在EDF实时调度模型中，每个任务T_i需要采用三个参数表示：任务到达时间、任务最坏执行时间C_i、任务完成的最终期限D_i，其中i为任务的编号；

在本EDF实时调度模型中规定任务集{T₁，...T_N}是在调度之前已经确定的，即任务数N是确定的、任务集中所有任务到达时间均为0；任务集中任务最坏执行时间C的单位为时钟数cycles；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EDF实时模型的调度方法，任务集将按照每个任务的最终期限D排列；即当任务的编号i小于任务编号j时任务T_i的最终期限D_i小于任务T_j的最终期限D_j；

假设现在有一个任务集他有5个任务即N等于5，他们的最终期限分别为4ms、8ms、9ms、14ms、20ms，最坏执行时间分别为1×10⁶、3×10⁶、2×10⁶、1×10⁶、3×10⁶个时钟周期，那么任务集可以表示为{T₁，...T₅}。T₁到T₅按照最坏执行时间从小到大排列，即T₁的最坏执行时间最短，T₅的最坏执行时间最长。其中T₁有两个参数C₁和D₁，C₁＝1×10⁶，D₁＝4ms，T₅有两个参数C₅和D₅，D₅＝C₅×10⁶，D₁＝20ms。

2)任务模型扩展

本发明在EDF实时调度任务模型的基础上为每个任务T_i添加了两个参数：处理器利用率u_i、处理器最大频率需求f_i；其中f_i被初始化为处理器支持的最大频率f_max；

以上例中任务T₅为例，在原有的两个参数C₅和D₅的基础上，添加了两个新的参数分别为u₅和f₅。

3)任务T_i处理器利用率u_i计算

任务集中每个任务T_i的处理器利用率u_i通过一个离线的遍历过程完成，每个任务T_i处理器利用率u_i的计算公式如下：

$u_i=\underset{0<j\&le;i}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{C_j/f_j}{D_j-\mathrm{\&sigma;}}$

其中

i为任务在任务集中的编号，

u_i为任务T_i处理器利用率，

C_j为任务T_j最坏执行时间，单位为时钟数，

f_j为任务T_j处理器最大频率需求，

D_j为任务T_j任务完成的最终期限，

σ为时间逝去参数，初始化为0；

4)时间逝去参数σ更新

时间参数σ用来控制处理器剩余计算能力，初始值为0；当任务集中每个任务的处理器利用率通过第一遍遍历计算完成后，从任务集中，挑选出处理器利用率最大的任务T_p，把任务T_p的任务完成最终期限D_p赋值给σ，坐位下次遍历中计算处理器利用率的新时间逝去参数；

5)任务T_i处理器最大频率需求f_i计算

任务T_i的处理器最大频率需求f_i通过处理器最大频率需求计算方法MSR方法计算，如下公式所示：

f_i＝f_max×u_i

其中

i为任务在任务集中的编号，

f_max是处理器支持的最大频率，

u_i为任务T_i处理器利用率；

6)处理器利用率离线遍历过程的循环控制

任务集中每个任务T_i处理器利用率u_i通过一个离线的遍历过程完成，这个遍历过程不是一次遍历，而是通过多次多遍的遍历完成的；每次遍历的任务数是不一样的；本发明通过一个循环控制参数q来控制每次遍历的任务数和任务范围，q在第一次遍历之前被初始化为1；

在每一遍遍历计算完成后，从任务集中，挑选出处理器利用率最大的任务T_p，把任务T_p的任务编号p赋值给q作为新的循环控制参数；

每次遍历过程中，通过更新的循环控制参数和时间逝去参数σ来计算每个任务新的处理器利用率和处理器最大频率需求；

7)处理器动态频率设置

当任务T_i被EDF调度方法调度到处理器上执行时，调度方法根据任务T_i的处理器最大频率需求f_i动态设置处理器的运行时频率，达到节能的目的。动态调频调压DVS技术是动态调整处理器执行时的处理器频率和内核电压的技术，通过DVS技术的使用可降低处理器的功耗。DVS可以通过软件来进行控制。

现在有一个任务集他有5个任务即N等于5，他们的最终期限分别为4ms、8ms、9ms、14ms、20ms，最坏执行时间分别为1×10⁶、3×10⁶、2×10⁶、1×10⁶、3×10⁶个时钟周期，那么任务集根据EDF调度方法的原理根据最坏执行时间从小到大进行排序表示为{T₁，...T₅}如下表中任务集属性单元所示。假设这个任务集运行在最大频率为1G的可调频处理器上。

第一遍离线遍历时，时间逝去参数σ为0，此时可根据处理器利用率计算公式，计算每个任务的处理器利用率，可得到如小表第一次离线遍历单元格所示内容。从中可以发现处理器利用率最大的任务为3号任务，将3号任务T₃的最终期限D₃赋值给σ，即新的σ＝9。同时将调整离线遍历过程的循环控制参数q等于处理器利用率最大的任务编号，即q＝3。然后根据处理器利用率计算任务集中在编号3之前的所有任务的处理器最大频率需求。这样一次离线遍历完成。

根据循环控制参数判断任务集中的剩余任务数，如果还有任务则进行第二次遍历，第二次遍历重新计算剩余任务的处理器利用率，得到如小表第二次离线遍历单元格所示内容。然后重复处理器利用率以及任务最大频率需求的计算方法进行相应的计算。第二次离线遍历后任务最大频率需求如小表任务最大频率需求单元格所示。

任务集属性			处理器利用率		任务最大频率需求
						编号	最坏执行时间	最终期限	第一次离线遍历	第二次离线遍历σ＝9
1	1×106	4ms	1/4＝0.25	---							667
					2	3×106	8ms	(1+3)/8＝0.5	---	667
3	2×106	9ms	(4+2)/9＝0.6	---							667
					4	1×106	14ms	(6+1)/14＝0.5	1/5＝0.2	364
5	3×106	20ms	(7+3)/20＝0.5	(1+3)/11＝0.364							364

Claims (1)

1.一种实时嵌入式系统EDF低功耗调度的MSR方法，其特征在于：

1)EDF实时调度任务模型：

EDF实时调度任务模型采用最早截止期最先调度的方法对任务调度；在EDF实时调度模型中，每个任务T_i需要采用三个参数表示：任务到达时间、任务最坏执行时间C_i、任务完成的最终期限D_i，其中i为任务的编号；

在本EDF实时调度模型中规定任务集{T₁，...T_N}是在调度之前已经确定的，即任务数N是确定的、任务集中所有任务到达时间均为0；任务集中任务最坏执行时间C的单位为时钟数cycles；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EDF实时模型的调度方法，任务集将按照每个任务的最终期限D排列；即当任务的编号i小于任务编号j时任务T_i的最终期限D_i小于任务T_i的最终期限D_i；

2)任务模型扩展

本发明在EDF实时调度任务模型的基础上为每个任务T_i添加了两个参数：处理器利用率u_i、处理器最大频率需求f_i；其中f_i被初始化为处理器支持的最大频率f_max；

3)任务T_i处理器利用率u_i计算

任务集中每个任务T_i处理器利用率u_i通过一个离线的遍历过程完成，每个任务T_i处理器利用率u_i的计算公式如下：

$u_i=\underset{0<j\&le;i}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{C_j/f_j}{D_j-\mathrm{\&sigma;}}$

其中

i为任务在任务集中的编号，

u_i为任务T_i处理器利用率，

C_j为任务T_j最坏执行时间，单位为时钟数，

f_j为任务T_j处理器最大频率需求，

D_j为任务T_j任务完成的最终期限，

σ为时间逝去参数，初始化为0；

4)时间逝去参数σ更新

时间参数σ用来控制处理器剩余计算能力，初始值为0；当任务集中每个任务的处理器利用率通过第一遍遍历计算完成后，从任务集中，挑选出处理器利用率最大的任务T_p，把任务T_p的任务完成最终期限D_p赋值给σ，坐位下次遍历中计算处理器利用率的新时间逝去参数；

5)任务T_i处理器最大频率需求f_i计算

任务T_i的处理器最大频率需求f_i通过处理器最大频率需求计算方法MSR方法计算，如下公式所示：

f_i＝f_max×u_i

其中

i为任务在任务集中的编号，

f_max是处理器支持的最大频率，

u_i为任务T_i处理器利用率；

6)处理器利用率离线遍历过程的循环控制

任务集中每个任务T_i处理器利用率u_i通过一个离线的遍历过程完成，这个遍历过程不是一次遍历，而是通过多次多遍的遍历完成的；每次遍历的任务数是不一样的；本发明通过一个循环控制参数q来控制每次遍历的任务数和任务范围，q在第一次遍历之前被初始化为1；

在每一遍遍历计算完成后，从任务集中，挑选出处理器利用率最大的任务T_p，把任务T_p的任务编号p赋值给q作为新的循环控制参数；

每次遍历过程中，通过更新的循环控制参数和时间逝去参数σ来计算每个任务新的处理器利用率和处理器最大频率需求；

7)处理器动态频率设置

当任务T_i被EDF调度方法调度到处理器上执行时，调度方法根据T_i的处理器最大频率需求f_i动态设置处理器的运行时频率，达到节能的目的。

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