CN103176590A - 一种基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度方法及系统，针对目前缺少一个对从周期性任务到偶发性任务普遍适用的有效降低能耗的任务调度方法，统一、综合考虑动态电压调节对能耗及实时性相互矛盾的性质，设计了一个既满足任务实时性，又同时最小化能耗的双目标任务调度方法。基于已有动态电压调节技术，采用事件驱动的任务调度方法，调度器在任务执行状态切换时做出响应，将主频调至最节能但能保证任务实时性的水平，使得全面的、有效的减少嵌入式系统任务执行时的能耗，满足任务的实时性，方法复杂度低。

Description

一种基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度方法及系统。

背景技术

随着嵌入式技术的发展，嵌入式设备，比如MP3，GPS导航，移动电话等的功能越来越复杂。相同大小的芯片上集成的晶体管呈数量级增长的趋势，因此能耗也越来越大。而电池工艺却远远跟不上处理器的发展速度。所以能耗问题成为当下嵌入式设备的一个很重要的问题。在嵌入式设备中，任务执行时间不固定，但其完成有一定的时间限制。所以，在传统嵌入式系统设计中，为了严格满足不同任务的实时性，系统通常在最快主频下执行任务。在相同制造工艺下，处理器主频越高，其功耗也越高，并且功耗随着处理器主频的增大成二次方增长的趋势。因此，传统的嵌入式系统中处理任务时能耗相当高。

动态电压调节（DVS）技术时解决能耗问题的一个有效方法。对于某些时间限制较松的任务可以以一个较低的处理器主频执行，这就需要靠调低电压的方法来实现。这样既满足任务的实时性，也能降低处理器的能耗。当前处理器厂商Intel，AMD等都已研发自己的可动态调节电压的处理器。在已有硬件支持的条件下，为了实现嵌入式系统任务执行的节能，同时满足任务自身的实时性要求，嵌入式系统中调度器采用的任务调度方法显得尤其重要。动态电压调节技术的一个主要特征是，随着电压降低，处理器主频降低，也就是说同一任务在低级电压下执行所需要的时间更长，因此，如何调节电压使得既满足实时性要求，同时最大程度的减少能耗是一个较复杂的问题。

嵌入式设备的飞速发展，使得人们对电池工艺的发展要求越来越高。然而至今为止，在改进电池性能方面仍未有为之有效的技术突破，需要提出一种能够基于动态电压调节的嵌入式系统任务调度方法及系统来克服现有问题。

发明内容

本发明提供一种基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度方法及系统，其目的在于克服现有技术中的不足，全面的、有效的减少嵌入式系统任务执行时的能耗，满足任务的实时性，方法复杂度低。

一种基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度方法，嵌入式系统中同时执行有多个任务T，T={T₁,T₂,...,T_n}；每个任务T_i的执行表示为T_i={C_i,D_i,P_i}，其中P_i为任务T_i重复执行的最小周期，D_i为任务T_i从当前周期任务释放开始的相对截至时限，C_i为任务T_i每个周期最坏执行时间；任务的实际执行时间记为ac_i；

所述任务的最坏执行时间是指系统处理器执行该任务需要的最长时间；

调度方法包括以下步骤：

第一步，调度器构建任务就绪队列Qr和任务完成队列Qc；将处理器主频调节因子ρsum初始化为0，令处理器处于休眠状态；

第二步，调度器连续侦听各种事件，对侦听到的事件进行响应；所述事件包括任务释放事件、任务当前周期结束事件和任务完成事件；调度器对事件的响应分述如下：

a）调度器对任务释放事件的响应：

所述任务释放，是指某个任务新的周期开始，即该任务重新被创建等待被执行；

对于当前的释放任务，即当前任务T_j，计算其绝对截至时限d_j=r_j+D_j，按照绝对截止时限对就绪队列中的任务进行升序排列，将T_j插入到任务就绪队列Qr中，使用双向链表L1指向该任务就绪队列；其中，d_j为任务T_j当前周期的绝对截至时限，r_j为任务T_j当前周期的释放时间；1≤j≤n；

处理器主频调节因子ρsum更新为ρsum+C_j/P_j，更新处理器主频为f=ρsum×f_max；

b）调度器对任务完成事件的响应：

将已经完成的当前任务T_j从任务就绪队列Qr中删除，并将T_j插入到任务完成队列Qc中；处理器主频调节因子ρsum更新为ρsum-C_j/P_j+ac_j/P_j，更改处理器主频为f=ρsum×f_max；

c）调度器对任务当前周期结束事件的响应：

将当前周期结束的任务T_j从任务完成队列Qc中删除；处理器主频调节因子ρsum更新为ρsum-ac_j/P_j，更改处理器主频为f=ρsum×f_max；

其中，f_max是处理器的最大主频；

第三步：判断嵌入式系统是否关闭，若未关闭，则返回第二步；否则，结束任务调度。

更改处理器主频通过调节处理器工作电压实现，即改变处理器的内核电源控制引脚VCC_CORE上的电压。

随着商用CMOS芯片电源供给技术的发展，处理器内核的工作电压在运行期间进行实时调节已被实现；而高效DC-DC电压转换器的出现也为处理器内核工作电压的动态调节提供了条件。另外在实时系统中，任务只需在规定的截止时间之前执行完毕就能达到系统的性能要求，不要求立即得到系统的响应。动态调压/调频技术（DVFS）就是根据任务的紧迫程度来动态调节处理器运行电压和主频，以达到任务响应时间和系统低能耗之间的平衡。DVS技术基于处理器的电压与主频成近似线性关系，而处理器的能量消耗与工作电压的平方成正比关系。因为能耗与任务执行时间和执行功耗成正比，所以能耗随着电压调节呈线性关系。

一种基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度系统，采用上述所述的基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度方法，基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度系统包括就绪队列模块、调度器、处理器、电压调节器及处理器监控器；

其中，就绪队列模块、调度器、处理器及处理器监控器依次相连，电压调节器的输入端与调度器相连，电压调节器的输出端与处理器相连，处理器监控器的输出端与调度器相连。

有益效果

本发明提供了一种基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度方法及系统，针对目前缺少一个对从周期性任务到偶发性任务普遍适用的有效降低能耗的任务调度方法，统一、综合考虑动态电压调节对能耗及实时性相互矛盾的性质，设计了一个既满足任务实时性，又同时最小化能耗的双目标任务调度方法。基于已有动态电压调节技术，采用事件驱动的任务调度方法，调度器在任务执行状态切换时做出响应，将主频调至最节能但能保证任务实时性的水平，使得全面的、有效的减少嵌入式系统任务执行时的能耗，满足任务的实时性，方法复杂度低。

附图说明

图1为任务调度系统结构示意图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为电压变化与处理器主频变化关系图；

图4为其他算法（NonDVS、DVSST）与本发明中的算法（CC-DVST）随任务负载变化的对比示意图，其中图（a）和图（b）分别表示任务实际执行时间与最坏执行时间之比（AET/WCET）分别为0.1和0.7时，各种算法随任务负载变化的对比示意图；

图5为其他算法（NonDVS、DVSST）与本发明中的算法（CC-DVST）随执行实行时间与最坏执行时间比变化的对比示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提出的基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度方法的基本思想是在系统中维护一个按任务优先级递减的就绪任务队列，调度器每次从就绪队列队头读取任务进行调度。同时，当任务到达、任务结束或任务周期结束时，调度器会根据不同情况对主频调节因子进行计算，并动态调节电压使处理器在合适的主频下执行任务。初始时，任务队列为空，处理器处于休眠状态，当有任务到达，处理器启动并在调度器指定的主频下开始执行任务；当任务执行完成时，调度器根据任务实际执行时间稍微降低处理器主频；当任务周期结束时，调度器可以完全不考虑该任务对实时性的影响，将主频调至一个更低的水平。根据任务的执行情况，调度器动态调节主频，使得整个系统的能耗降低到最低水平。

在线任务节能调度器的具体工作是在满足任务实时性条件的前提下，让任务在较低主频下执行，以达到减少能耗的目的。基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度策略赋予了最早截止时限的任务较高的优先级和优先调度的权利。当新到达任务的优先级比当前正执行任务高时，调度器立刻切换执行新到达的任务。这样对任务的及时响应处理，使得任务的实时性得到满足。

如图1所示，为本发明一种基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度系统的结构示意图，包括就绪队列模块、调度器、处理器、电压调节器及处理器监控器；

其中，就绪队列模块、调度器、处理器及处理器监控器依次相连，电压调节器的输入端与调度器相连，电压调节器的输出端与处理器相连，处理器监控器的输出端与调度器相连。

如图2所示，为本发明一种基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度方法的流程图，在嵌入式系统中同时执行有多个任务T，T={T₁,T₂,...,T_n}；每个任务T_i的执行周期包括T_i={C_i,D_i,P_i}，其中P_i为任务T_i重复执行的最小周期，D_i为任务T_i从当前周期任务释放开始的相对截至时限，C_i为任务T_i每个周期最坏执行时间；任务的实际执行时间记为ac_i；所述任务的最坏执行时间是指系统处理器执行该任务需要的最长时间；

其具体步骤如下：

第一步，在调度器中构建任务就绪队列Qr和任务完成队列Qc；将处理器主频调节因子ρsum初始化为0，令处理器处于休眠状态；

Qr—任务就绪队列，该数据结构用于保存当前正在执行的任务和等待执行的任务，队列中的任务按照绝对截止时限从早到晚排列，使得优先级最高的任务位于队首。当新任务到达时，比较新任务与就绪队列中所有任务的优先级，将其按顺序插入到队列中。当有任务执行完毕时，将任务从就绪队列中删除，处理器取队首任务执行。

Qc—完成任务队列，该数据结构用于保存已经执行完毕，但其当前周期未结束的任务的集合。同理，如果某任务的当前周期结束，将其从完成任务队列中删除。

第二步，调度器连续侦听各种事件，对侦听到的事件进行响应；所述事件包括任务释放事件，任务当前周期结束事件和任务完成事件；调度器对事件的响应具体如下：

a）调度器对任务释放事件的响应：

所述任务释放，是指某个任务新的周期开始，即该任务重新被创建等待被执行；

对于当前的释放任务，即当前任务T_j，计算其绝对截至时限d_j=r_j+D_j，按照绝对截止时限对就绪队列中的任务进行升序排列，将T_j插入到任务就绪队列Qr中，使用双向链表L1指向该任务就绪队列；其中，d_j为任务T_j当前周期的绝对截至时限，r_j为任务T_j当前周期的释放时间；1≤j≤n；

处理器主频调节因子ρsum更新为ρsum+C_j/P_j，更新处理器主频为f=ρsum×f_max；

b）调度器对任务完成事件的响应：

将已经完成的当前任务T_j从任务就绪队列Qr中删除，并将T_j插入到任务完成队列Qc中；处理器主频调节因子ρsum更新为ρsum-C_j/P_j+ac_j/P_j，更改处理器主频为f=ρsum×f_max；

c）调度器对任务当前周期结束事件的响应：

将当前周期结束的任务T_j从任务完成队列Qc中删除；处理器主频调节因子ρsum更新为ρsum-ac_j/P_j，更改处理器主频为f=ρsum×f_max；

其中，f_max是处理器的最大主频；

通过调节处理器工作电压可以更改处理器主频，处理器电压与处理器主频的关系如图3所示，本实例中Table处理器PXA270的主频、电压和功率对应关系如表1所示。

表1Table处理器PXA270的主频、工作电压和功率对应关系

第三步：判断嵌入式系统是否关闭，若未关闭，则返回第二步；否则，结束任务调度。

驱动调度程序事件有3种：1）有新任务要求执行，新的执行周期开始；2）有任务执行完毕；3）有任务的当前周期结束。情况1）调度器调节处理器主频，并判断新任务的优先级是否高于当前正在执行的优先级，如果是，挂起当前任务，并切换执行新进任务；情况2）调度器根据任务实际执行时间调节主频，并切换执行任务队列中下一个任务；情况3）仅调节处理器主频。

调度算法的时间主要花销在对就绪任务队列及完成任务队列的插入和删除上。通常，系统就绪任务队列和完成任务队列中的任务数目不会维持在一个常数b，而是随着任务进入和完成不断的变化。调度算法运行的次数与达到系统的总任务数n相当，并且每个任务有三种情形会驱动调度器执行，即任务到达，任务结束，任务周期结束。因此算法总的时间复杂度为O(3n)。该方法的复杂度与现有的各种调度算法复杂度相当，总体来说算法复杂度低。

实验及分析表明，在任务种类较多、任务密度较低、任务实际执行时间周期性差异较大的环境下，基于任务利用率的动态电压调节任务调度策略相对于其他两种策略在能耗方面具有很大的性能优势。

图4和图5中Utilization表示任务负载，AET/WCET为任务实际执行时间与估计最坏执行时间之比，Normalized Energy是各个节能算法调度任务的能耗与未使用DVS的算法能耗比，算法NonDVS表示未使用DVS技术的调度算法。

如图4所示，图4的（a）和（b）分别给出了任务实际执行时间与最坏执行时间之比（AET/WCET）分别为0.1和0.7时，本算法（CC-DVSST）与其他两个算法（NonDVS、DVSST）随着任务负载变化的能耗比。从图中可以看出，随着任务实际执行时间与预测最坏执行时间比的增大，运用了本发明所述算法的系统在能耗方面的性能会降低，这是因为任务执行产生的空闲时间减少，主频可调度降低，因此本算法CC-DVSST在任务总能耗方面明显优于其他两个算法。

图5给出了任务负载固定Utilization=0.7时，随着任务实际执行时间与最坏执行时间之比（AET/WCET）的变化，从图中可以看出本算法（CC-DVSST）与其他两个算法（NonDVS、DVSST）的能耗相对情况，本算法随着任务实际执行时间与最坏执行时间之比（AET/WCET）增加时，其能耗明显低于其他算法，因此运用本发明提到的算法具有能耗低有益效果。

Claims (3)

1.一种基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度方法，其特征在于，嵌入式系统中同时执行有多个任务T，T={T₁,T₂,...,T_n}；每个任务T_i的执行表示为T_i={C_i,D_i,P_i}，其中P_i为任务T_i重复执行的最小周期，D_i为任务T_i从当前周期任务释放开始的相对截至时限，C_i为任务T_i每个周期最坏执行时间；任务的实际执行时间记为ac_i；

所述任务的最坏执行时间是指系统处理器执行该任务需要的最长时间；

调度方法包括以下步骤：

第一步，调度器构建任务就绪队列Qr和任务完成队列Qc；将处理器主频调节因子ρsum初始化为0，令处理器处于休眠状态；

第二步，调度器连续侦听各种事件，对侦听到的事件进行响应；所述事件包括任务释放事件、任务当前周期结束事件和任务完成事件；调度器对事件的响应分述如下：

a）调度器对任务释放事件的响应：

所述任务释放，是指某个任务新的周期开始，即该任务重新被创建等待被执行；

对于当前的释放任务，即当前任务T_j，计算其绝对截至时限d_j=r_j+D_j，按照绝对截止时限对就绪队列中的任务进行升序排列，将T_j插入到任务就绪队列Qr中，使用双向链表L1指向该任务就绪队列；其中，d_j为任务T_j当前周期的绝对截至时限，r_j为任务T_j当前周期的释放时间；1≤j≤n；

处理器主频调节因子ρsum更新为ρsum+C_j/P_j，更新处理器主频为f=ρsum×f_max；

b）调度器对任务完成事件的响应：

将已经完成的当前任务T_j从任务就绪队列Qr中删除，并将T_j插入到任务完成队列Qc中；处理器主频调节因子ρsum更新为ρsum-C_j/P_j+ac_j/P_j，更改处理器主频为f=ρsum×f_max；

c）调度器对任务当前周期结束事件的响应：

将当前周期结束的任务T_j从任务完成队列Qc中删除；处理器主频调节因子ρsum更新为ρsum-ac_j/P_j，更改处理器主频为f=ρsum×f_max；

其中，f_max是处理器的最大主频；

第三步：判断嵌入式系统是否关闭，若未关闭，则返回第二步；否则，结束任务调度。

2.根据权利要求1所述的基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度方法，其特征在于，更改处理器主频通过调节处理器工作电压实现，即改变处理器的内核电源控制引脚VCC_CORE上的电压。

3.一种基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度系统，其特征在于，采用权利要求1-2任一项所述的基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度方法，基于动态电压调节的嵌入式系统任务节能调度系统包括就绪队列模块、调度器、处理器、电压调节器及处理器监控器；

其中，就绪队列模块、调度器、处理器及处理器监控器依次相连，电压调节器的输入端与调度器相连，电压调节器的输出端与处理器相连，处理器监控器的输出端与调度器相连。

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