CN104424017A - 一种适用于数控系统的容错低功耗调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实时系统领域任务的实时调度，具体的说是一种适用于数控系统的容错低功耗调度方法。本发明在任务集调度之前，计算任务T_i的优化检查点的数量OC_i，两个检查点之间的间距F_i，以及插入检查点后任务集的利用率U_tot；计算出任务在离线状态下的运行速度S_temp；计算任务T_i在S_temp下的执行时间，根据最早截止期限优先原则对任务集进行排序；当某个任务完成时，回收该任务的空闲时间ST_H(T_i,t)，利用该空闲时间ST_H(T_i,t)计算出该任务的运行速度S。采用本发明方法，充分利用系统的空闲时间，降低处理器的运行速度，比现有的容错低功耗调度算法节约0～47.66%的能耗。即使任务在执行过程发生错误，通过检查点机制仍然能够正确的恢复执行，因此提高了系统的可靠性。

Description

一种适用于数控系统的容错低功耗调度方法

技术领域

本发明涉及实时系统领域任务的实时调度，具体的说是一种适用于数控系统的容错低功耗调度方法。

背景技术

随着制造工艺的日益精密，集成电路规模的飞速发展，系统的功耗急剧上升。高功耗带来的高温会导致系统发生故障的可能性增加，降低整个系统的可靠性。数控系统是一种硬实时系统，不仅要确保任务的实时性、可靠性，而且要降低系统的能耗。

系统的可靠性可以通过容错技术解决。容错可以通过在线检测错误，检查点和回卷恢复实现。每个检查点都保存系统的状态，当发生错误时，任务从最近的检查点恢复执行。利用动态电压调节（DVS）技术降低系统的能耗。DVS技术是在保证任务不错过截止期限的情况下，利用空闲时间调节处理器的运行速度。

现有的容错低功耗调度算法通过利用检查点技术实现容错，并且在满足系统实时性的前提下，通过回收系统的空闲时间，利用空闲时间调节处理器的运行速度，以降低系统能耗；但其只利用任务的静态空闲时间节能，忽略了任务的动态空闲时间。

发明内容

针对现有容错低功耗调度算法的不足之处，本发明提出了一种适用于数控系统的容错低功耗调度方法，该方法能够有效地利用系统的空闲时间，降低系统的能耗。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种适用于数控系统的容错低功耗调度方法，包括以下步骤：

任务集调度之前，计算任务T_i的优化检查点的数量OC_i，两个检查点之间的间距F_i，以及插入检查点后任务集的利用率U_tot；

计算出任务在离线状态下的运行速度S_temp；

计算任务T_i在S_temp下的执行时间，根据最早截止期限优先原则对任务集进行排序；

当某个任务完成时，回收该任务的空闲时间ST_H(T_i,t)，利用该空闲时间ST_H(T_i,t)计算出该任务的运行速度S。

所述任务T_i的优化检查点的数量OC_i的计算方法为：

$O{C}_i=\sqrt{\frac{k_i{C}_i}{C_s}}-1$

其中，k_i为任务T_i能够容忍错误的数量，C_i为任务T_i的最坏情况下的执行时间，C_s为检查点的开销。

所述两个检查点之间的间距F_i的计算方法为：

$F_i=\frac{C_i}{{\mathrm{OC}}_i+1}$

其中，C_i为任务T_i的最坏情况下的执行时间，OC_i为任务T_i的优化检查点的数量。

所述插入检查点后任务集的利用率U_tot的计算方法为：

$U_{\mathrm{tot}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{R_i}{P_i}$

其中P_i为任务T_i的周期，任务的响应时间k_i为任务T_i能够容忍错误的数量，C_i为任务T_i的最坏情况下的执行时间，C_s为检查点的开销，OC_i为任务T_i的优化检查点的数量。

所述任务在离线状态下的运行速度S_temp的计算方法为：

$S_{\mathrm{temp}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{C_i+{\mathrm{OC}}_i\·C_s}{P_i}\frac{1}{1-k{\max }_{1\≤j\≤n}\left\{F_j\right\}/P_1}$

其中，C_i为任务T_i的最坏情况下的执行时间，C_s为检查点的开销，OC_i为优化检查点的数量，n为任务的数量，F_j为两个检查点之间的间距，k为任务发生错误的数量。

所述任务T_i在S_temp下的执行时间为：

${\mathrm{AC}}_i=\frac{C_i}{S_{\mathrm{temp}}}$

其中，C_i为任务T_i的最坏情况下的执行时间，S_temp为任务在离线状态下的运行速度。

所述最早截止期限优先原则为：截止期限越短，优先级越高，当任务T_i的截止期限相同时，早到达的任务T_i优先级高；当任务T_i的截止期限和到达时间均相同时，任务T_i系列的下标i小的有更高的优先级。

所述任务的空闲时间ST_H(T_i,t)的计算方法为：

${\mathrm{ST}}_H(T_i,t)=\underset{T_k\∈\mathrm{HP}(T_i,t)}{\mathrm{\Σ}}{U}_k^{\mathrm{rem}}\left(t\right)$

其中，为任务T_k在时刻t的剩余执行时间，HP(T_i,t)是优先级比任务T_i高并且在时刻t已经完成执行的任务集合。

所述任务的运行速度S的计算方法为：

$S=\frac{W_i^{\mathrm{rem}}}{W_i^{\mathrm{rem}}+{\mathrm{ST}}_H(T_i,t)}$

其中，为任务T_i剩余的最坏情况下的执行时间，ST_H(T_i,t)为任务的空闲时间，当S>S_temp时，S=S_temp；当S<S_cirt时，S=S_cirt，其中S_cirt为处理器的关键速度；当任务T_i发生错误，设置它的运行速度S=1.0。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.采用本发明方法，充分利用系统的空闲时间，降低处理器的运行速度，比现有的容错低功耗调度算法节约0～47.66%的能耗。

2.即使任务在执行过程发生错误，通过检查点机制仍然能够正确的恢复执行，因此提高了系统的可靠性。

3.高能耗会显著提高系统的发热量，增加了系统散热的成本，本发明的方法能够显著的降低系统能耗，因此降低系统封装和冷却的成本。

附图说明

图1为本发明方法处理步骤流程图；

图2、图3为本发明的仿真实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见附图1、2、3，是一种适用于数控系统周期的容错低功耗调度方法，包括如下步骤：

任务集调度之前，计算任务T_i的优化检查点的数量OC_i，两个检查点之间的间距F_i，以及插入检查点后任务集的利用率U_tot；计算出任务在离线状态下的运行速度S_temp；计算任务T_i在S_temp下的执行时间，根据最早截止期限优先原则对任务集进行排序；当某个任务完成时，回收该任务的空闲时间ST_H(T_i,t)，利用该空闲时间ST_H(T_i,t)计算出该任务的运行速度S。

对本发明进一步说明：

计算任务T_i的优化检查点的数量OC_i，两个检查点之间的间距F_i，以及插入检查点后任务集的利用率U_tot；其处理步骤如下：

任务最坏情况下的执行时间WCET由（1）式计算：

$\mathrm{WCET}\left({\mathrm{OC}}_i\right)=C_i+{\mathrm{OC}}_i{C}_s+\frac{k_i{C}_i}{{\mathrm{OC}}_i}---\left(1\right)$

其中k_i为任务T_i能够容忍错误的数量，C_i为任务T_i的最坏情况下的执行时间，C_s为检查点的开销；对（1）式求导，令求导后的方程为0，可知两个检查点的间距 $F_i=\frac{C_i}{{\mathrm{OC}}_i+1};$ 计算出任务的响应时间 $R_i=C_i+{\mathrm{OC}}_i*C_s+\frac{k_i{C}_i}{{\mathrm{OC}}_i+1}+2k_i{C}_s,$ 任务集的利用率其中P_i为任务T_i的周期。

计算出任务在离线状态下的运行速度S_temp，其处理步骤如下：

当任务集的利用率，计算出 $S_{\mathrm{temp}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{C_i+{\mathrm{OC}}_i\&CenterDot;C_s}{P_i}\frac{1}{1-\mathrm{kma}{x}_{1\&le;j\&le;n}\left\{F_j\right\}/P_1},$ 其中C_i为任务T_i的最坏情况下的执行时间，C_s为检查点的开销，OC_i为优化检查点的数量，n为任务的数量，F_j为两个检查点之间的间距，k为任务发生错误的数量。

计算任务T_i在S_temp下的执行时间，根据最早截止期限优先原则对任务集进行排序；其处理步骤如下：

任务T_i在S_temp下的执行时间最早截止期限优先原则:截止期限越短，优先级越高，当任务T_i的截止期限相同时，早到达的任务T_i优先级高；当任务T_i的截止期限和到达时间均相同时，任务T_i系列的下标i小的有更高的优先级。

当某个任务完成时，回收该任务的空闲时间ST_H(T_i,t)，利用该空闲时间ST_H(T_i,t)计算出该任务的运行速度S；其处理步骤如下：

建立一个数据结构α队列来记录提前完成的任务，α队列为在离线状态下运行速度S_temp的就绪队列，记录任务的到达时间、截止期限和剩余执行时间；

回收该任务的空闲时间ST_H(T_i,t)，找出α队列中提前完成的任务，利用每个提前完成任务的剩余执行时间，计算出每个提前完成任务的空闲时间ST_H(T_i,t)，利用总的空闲时间ST_H(T_i,t)计算出运行速度S。

由公式（2）计算出任务的空闲时间ST_H(T_i,t)，

${\mathrm{ST}}_H(T_i,t)=\underset{T_k\&Element;\mathrm{HP}(T_i,t)}{\mathrm{\&Sigma;}}{U}_k^{\mathrm{rem}}\left(t\right)---\left(2\right)$

其中为任务T_k在时刻t的剩余执行时间，HP(T_i,t)是优先级比任务T_i高并且在时刻t已经完成执行的任务集合。

运行速度S由公式（3）给出：

$S=\frac{W_i^{\mathrm{rem}}}{W_i^{\mathrm{rem}}+{\mathrm{ST}}_H(T_i,t)}---\left(3\right)$

其中为任务T_i剩余的最坏情况下的执行时间，当S>S_temp时，S=S_temp；当S<S_cirt时，S=S_cirt，其中S_cirt为处理器的关键速度；当任务T_i发生错误，设置它的运行速度S=1.0。

图2设置系统的利用为0.6，分析任务最坏情况下的执行时间（WCET）与最好情况下的执行时间(BCET)的比值对归一化能耗的影响。从图2可以看出，随着WCET与BCET的比值的增加，本发明算法的能耗逐渐减少，并且始终低于其他算法的能耗。经过计算本发明算法比PMERPT算法节约0～47.66%的能耗。

图3设置WCET与BCET的比值为5，分析系统利用率对归一化能耗的影响。从图3可以看出本发明算法的能耗依赖于系统的利用率，随着系统利用率的增加，该算法的能耗减少。经过计算可知，本发明算法比PMERPT算法节约大约3.92%～74.27%的能耗。

Claims (9)

1.一种适用于数控系统的容错低功耗调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

任务集调度之前，计算任务T_i的优化检查点的数量OC_i，两个检查点之间的间距F_i，以及插入检查点后任务集的利用率U_tot；

计算出任务在离线状态下的运行速度S_temp；

计算任务T_i在S_temp下的执行时间，根据最早截止期限优先原则对任务集进行排序；

当某个任务完成时，回收该任务的空闲时间ST_H(T_i,t)，利用该空闲时间ST_H(T_i,t)计算出该任务的运行速度S。

2.根据权利要求1所述的一种适用于数控系统的容错低功耗调度方法，其特征在于，所述任务T_i的优化检查点的数量OC_i的计算方法为：

$O{C}_i=\sqrt{\frac{k_i{C}_i}{C_s}}-1$

其中，k_i为任务T_i能够容忍错误的数量，C_i为任务T_i的最坏情况下的执行时间，C_s为检查点的开销。

3.根据权利要求1所述的一种适用于数控系统的容错低功耗调度方法，其特征在于，所述两个检查点之间的间距F_i的计算方法为：

$F_i=\frac{C_i}{{\mathrm{OC}}_i+1}$

其中，C_i为任务T_i的最坏情况下的执行时间，OC_i为任务T_i的优化检查点的数量。

4.根据权利要求1所述的一种适用于数控系统的容错低功耗调度方法，其特征在于，所述插入检查点后任务集的利用率U_tot的计算方法为：

$U_{\mathrm{tot}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{R_i}{P_i}$

其中P_i为任务T_i的周期，任务的响应时间k_i为任务T_i能够容忍错误的数量，C_i为任务T_i的最坏情况下的执行时间，C_s为检查点的开销，OC_i为任务T_i的优化检查点的数量。

5.根据权利要求1所述的一种适用于数控系统的容错低功耗调度方法，其特征在于，所述任务在离线状态下的运行速度S_temp的计算方法为：

$S_{\mathrm{temp}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{C_i+{\mathrm{OC}}_i\&CenterDot;C_s}{P_i}\frac{1}{1-k{\max }_{1\&le;j\&le;n}\left\{F_j\right\}/P_1}$

其中，C_i为任务T_i的最坏情况下的执行时间，C_s为检查点的开销，OC_i为优化检查点的数量，n为任务的数量，F_j为两个检查点之间的间距，k为任务发生错误的数量。

6.根据权利要求1所述的一种适用于数控系统的容错低功耗调度方法，其特征在于，所述任务T_i在S_temp下的执行时间为：

${\mathrm{AC}}_i=\frac{C_i}{S_{\mathrm{temp}}}$

其中，C_i为任务T_i的最坏情况下的执行时间，S_temp为任务在离线状态下的运行速度。

7.根据权利要求1所述的一种适用于数控系统的容错低功耗调度方法，其特征在于，所述最早截止期限优先原则为：截止期限越短，优先级越高，当任务T_i的截止期限相同时，早到达的任务T_i优先级高；当任务T_i的截止期限和到达时间均相同时，任务T_i系列的下标i小的有更高的优先级。

8.根据权利要求1所述的一种适用于数控系统的容错低功耗调度方法，其特征在于，所述任务的空闲时间ST_H(T_i,t)的计算方法为：

${\mathrm{ST}}_H(T_i,t)=\underset{T_k\&Element;\mathrm{HP}(T_i,t)}{\mathrm{\&Sigma;}}{U}_k^{\mathrm{rem}}\left(t\right)$

其中，为任务T_k在时刻t的剩余执行时间，HP(T_i,t)是优先级比任务T_i高并且在时刻t已经完成执行的任务集合。

9.根据权利要求1所述的一种适用于数控系统的容错低功耗调度方法，其特征在于，所述任务的运行速度S的计算方法为：

$S=\frac{W_i^{\mathrm{rem}}}{W_i^{\mathrm{rem}}+{\mathrm{ST}}_H(T_i,t)}$

其中，为任务T_i剩余的最坏情况下的执行时间，ST_H(T_i,t)为任务的空闲时间，当S>S_temp时，S=S_temp；当S<S_cirt时，S=S_cirt，其中S_cirt为处理器的关键速度；当任务T_i发生错误，设置它的运行速度S=1.0。