CN105677449A - 一种适用于数控系统的低功耗调度方法 - 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低功耗调度方法。本发明在任务集调度之前，第一阶段计算关键速度。第二阶段在保证任务实时性前提下，通过延迟函数计算每个任务的执行速度，如果速度大于关键速度，则按照此速度执行，否则，任务使用关键速度执行任务，出现空闲时间时，通过空闲时间的比较，确定处理器进入空闲状态或者休眠状态。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，比现有的低功耗调度方法平均节约18.06％的能耗。

Description

一种适用于数控系统的低功耗调度方法

技术领域

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

背景技术

纳米技术制造工艺的不断发展，使得处理器的性能不断提高，但能耗也日益凸显，低功耗设计逐渐成为嵌入式实时系统设计的重要问题。伴随着集成电路规模的飞速发展，集成电路中静态能耗在总功耗中比重越来越大。影响整个系统的可靠性。数控系统是一种硬实时嵌入式系统，不仅要确保任务的实时性、可靠性，而且要降低处理器的能耗。

为了减少因泄露电流所产生的静态能耗，处理器可以利用动态电源管理(DPM)技术进入睡眠状态(又称关闭)来降低处理器静态能耗。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。

现有的周期性任务的节能调度方法，在保证每个将要执行的任务都满足截止期的同时，该方法利用对将要执行的任务进行预测，推测任务执行的时间，尽可能降低处理器速度，推迟任务的执行。但是忽略了静态功耗以及处理器状态转换开销。

发明内容

针对现有低功耗调度方法的不足之处，本发明提出了一种适用于数控系统的低功耗调度方法

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低功耗调度方法，包括以下步骤：

在t＝0时刻，所有任务同时释放，计算离线状态的关键速度；

当有新任务到达时，设置其中，为任务执行过程剩余的时间，C_i为所述新任务T_i最坏情况下的执行时间；

当有任务完成时，设置该任务的C_left＝0；如果有其他新任务到达，选择当前要执行的任务，设置当前要执行的任务的运行速度，如果当前要执行的任务的运行速度小于关键速度，则设置当前要执行的任务的运行速度为关键速度；否则，保持当前要执行的任务的运行速度值不变；如果没有新任务到达，计算处理器无任务执行的时间t_idle；

在到达的新任务中选择一个任务执行，在该任务的执行过程中，其不断减少；

如果处理器无任务执行的时间大于t_θ，则利用DPM技术将处理器进入休眠状态；否则，处理器以关键速度运行；其中，t_θ为处理器无任务执行状态下所产生的最小空闲时间。

所述当前要执行的任务的运行速度，通过以下步骤计算：

首先计算所有任务的总利用率：U＝C₁/P₁+...+C_n/P_n，其中，C₁...+C_n为对应新任务最坏情况下的执行时间，P₁...P_n为对应任务的周期；

然后遍历任务集中的所有任务,T_i∈{T₁,...,T_n|P₁≥…≥P_n}，其中任务集按照截止时间逆序排列，截止时间越长，排序越靠前；

对任务的利用率进行更新操作：U＝U-C_i/P_i；

设置任务剩余执行时间： $x=\max (0,C_{{\mathrm{left}}_i}-(1-U)(P_i-P_n));$

通过迭代更新操作：和S＝S+x，最终计算出当前要执行任务的速度S。

所述处理器无任务执行状态下所产生的最小空闲时间t_θ为：

t_θ＝E_sw/P_idle

其中，E_xw为处理器空闲时的最低能量开销，P_idle为处理器空闲时的功耗。

所述在到达的新任务中选择一个任务执行通过EDF调度方法选择要执行的任务，其原则为：任务截止期限越短，其优先级越高；当任务的截止期限相同时，比较任务的到达时间，最先到达的任务的优先级越高。

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，比现有的低功耗调度方法平均节约18.06％。

2.在保证任务实时性前提下，通过延迟函数计算每个任务的执行速度，该方法引入关键速度来确定处理器的运行速度，通过比较空闲时间，确定处理器的是否进入休眠状态。

3.高能耗会显著提高系统的发热量，影响系统运行的稳定性。增加了系统耗能量，本发明的方法能够显著的降低系统能耗，因此增加系统的稳定性和降低系统能耗。

附图说明

图1为本发明方法处理步骤流程图；

图2为本发明的仿真实验结果图(负载＝0.5.WCET/BCET对能耗的影响)；

图3为本发明的仿真实验结果图(WCET/BCET＝5.负载对任务集平均能耗的影响)。

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，任务集调度之前，方法把任务的执行时间划分为离线和在线两个阶段，第一阶段计算关键速度。第二阶段在保证任务实时性前提下，通过延迟函数计算每个任务的执行速度，如果速度大于关键速度，则按照此速度执行，否则，任务使用关键速度执行任务，出现空闲时间时，通过空闲时间的比较，确定处理器进入空闲状态或者休眠状态。

处理器存在三个状态：工作状态，空闲状态，休眠状态。当处理器处于空闲状态时，功耗主要来自漏电功耗，利用动态电源管理技术关闭处理器，可以降低功耗。当处理器进入工作状态时，通过利用动态电压调整(DVS)技术降低处理器速度，可以减少处理器动态功耗。但是降低处理器速度会延长任务的执行时间，系统静态功耗会增加。为了更好的降低系统层次的能耗，引入了关键速度，即系统运行的最低速度。处理器以速度S执行一个时钟周期的能耗为P(S)/S＝P_dep(S)/S+P_ind(S)/S是凸函数，且使得P(S)/S有最小值的速度即是关键速度。

在t＝0时刻，所有任务同时释放，计算离线状态的关键速度其中，速度无关的功耗P_ind和与速度相关的P_dep，P_ind主要来自漏电电流功耗，P_dep主要来自动态功耗，C为任务T_i的最坏情况下的执行时间。(可参考：NiuL,LiW.Energy-efficientfixed-priorityschedulingforreal-timesystemsbasedonthresholdwork-demandanalysis[C]//Hardware/SoftwareCodesignandSystemSynthesis(CODES+ISSS),2011Proceedingsofthe9thInternationalConferenceon.IEEE,2011:159-168.)。

每当新任务T_i到达时，设置当有任务完成，设置如果有新任务达到，选择要执行的任务，设置运行速度S_i＝defer()，如果S_i<S_crit,S_i＝S_crit。如果没有新任务到达，计算任务的空闲时间t_idle。任务T_x在时刻t被调度，减少如果t_idle>t_θ，利用DPM技术将处理器进入休眠状态，否则，处理器以关键速度S_crit运行。

在处理器上所分配的任务集T具有最低能耗一定满足：当时，以U为速度值来执行任务集T中所有任务；当U≤S_crit时，最佳节能执行速度值只能从关键速度U或S_crit中选择。

当时，根据功耗函数的凸函数性质可知U是最佳执行速度。当U≤S_crit时，假设以U速度执行任务集T中所有任务时的处理器能耗为E(U)＝P(U)·P，而以S_crit为速度执行任务时产生的空闲时间t_crit＝P-UP/S_crit。

(1)如果S＜U,则所有任务的执行时间为UP/S＞P，显然此时不是最佳节能调度选择。

(2)如果S＞S_crit,则所有任务的执行时间为:

存在空闲时间当t_idle≤t_θ，以S为速度的处理器能耗 $E\left(S\right)=P\left(S\right)\&CenterDot;\frac{\mathrm{UP}}{S_{\mathrm{crit}}}+P_{\mathrm{idle}}\&CenterDot;t_{\mathrm{crit}},$ 而以S_crit为速度的能耗为 $E\left(S_{\mathrm{crit}}\right)=P\left(S_{\mathrm{crit}}\right)\&CenterDot;\frac{\mathrm{UP}}{S_{\mathrm{crit}}}+P_{\mathrm{idle}}\&CenterDot;t_{\mathrm{crit}}.$ 因为P(S)/S函数在S＞S_crit范围中属于单调递增函数，所以进而E(S)＞E(S_crit)。当t_idle＞t_θ时，以S为速度的处理器能耗为此时如果t_crit≤t_θ，以S_crit为速度的处理器能耗为 $E\left(S_{\mathrm{crit}}\right)=P\left(S_{\mathrm{crit}}\right)\&CenterDot;\frac{\mathrm{UP}}{S_{\mathrm{crit}}}+P_{\mathrm{idle}}\&CenterDot;t_{\mathrm{crit}}\&le;P\left(S_{\mathrm{crit}}\right)\&CenterDot;\frac{\mathrm{UP}}{S_{\mathrm{crit}}}+E_{\mathrm{sw}}.$ 如果t_θ＜t_crit＜t_idle，则能耗为同理，因为P(S)/S函数在S＞S_crit范围内属于单调递增函数，可得E(S)＞E(S_crit)。

(3)如果U＜S＜S_crit，则所有任务的执行时间为存在空闲时间t_idle＝P-UP/S，t_crit＞t_idle。当t_idle＞t_θ时，t_crit＞t_θ，以S为速度的处理器能耗为 $E\left(S\right)=P\left(S\right)\&CenterDot;\frac{\mathrm{UP}}{S_{\mathrm{crit}}}+E_{\mathrm{sw}}.$ 以关键速度S_crit运行的处理器能耗为 $E\left(S_{\mathrm{crit}}\right)=P\left(S_{\mathrm{crit}}\right)\&CenterDot;\frac{\mathrm{UP}}{S_{\mathrm{crit}}}+E_{\mathrm{sw}},$ 因为P(S)/S函数在S＜S_crit范围中属于单调递减函数，故E(S)＞E(S_crit)。当t_idle≤t_θ，以速度S为速度的处理器能耗为。因为P_idle＞P(S_min)＞P(0)，且能耗函数P(S)属于凸函数性质，所以 $E\left(S\right)\&GreaterEqual;P\left(S\right)\&CenterDot;\frac{\mathrm{UP}}{S}+P\left(0\right)\&CenterDot;(P-\mathrm{PU}/S)>P(S\&CenterDot;U/S+0\&CenterDot;(1-U/S))\&CenterDot;P=E\left(U\right)$

图2设置负载为0.5，从1增加到10，步长为1.还可以看出本发明方法方法的能耗始终比LA-EDF方法的能耗低，随着的增大,本发明方法节能效果越明显。

图3随着负载的增大，LA-EDF方法和该方法的平均能耗都增大。经过计算；总的节约能耗为18.06％，总之该方法比LA-EDF-方法具有更好的节能效果。

Claims (4)

1.一种适用于数控系统的低功耗调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

在t＝0时刻，所有任务同时释放，计算离线状态的关键速度；

当有新任务到达时，设置其中，为任务执行过程剩余的时间，C_i为所述新任务T_i最坏情况下的执行时间；

当有任务完成时，设置该任务的C_left＝0；如果有其他新任务到达，选择当前要执行的任务，设置当前要执行的任务的运行速度，如果当前要执行的任务的运行速度小于关键速度，则设置当前要执行的任务的运行速度为关键速度；否则，保持当前要执行的任务的运行速度值不变；如果没有新任务到达，计算处理器无任务执行的时间t_idle；

在到达的新任务中选择一个任务执行，在该任务的执行过程中，其不断减少；

如果处理器无任务执行的时间大于t_θ，则利用DPM技术将处理器进入休眠状态；否则，处理器以关键速度运行；其中，t_θ为处理器无任务执行状态下所产生的最小空闲时间。

2.根据权利要求1所述的一种适用于数控系统的低功耗调度方法，其特征在于，所述当前要执行的任务的运行速度，通过以下步骤计算：

首先计算所有任务的总利用率：U＝C₁/P₁+...+C_n/P_n，其中，C₁...+C_n为对应新任务最坏情况下的执行时间，P₁...P_n为对应新任务的周期；

然后遍历任务集中的所有任务,T_i∈{T₁,...,T_n|P₁≥…≥P_n}，其中任务集按照截止时间逆序排列，截止时间越长，排序越靠前；

对任务的利用率进行更新操作：U＝U-C_i/P_i；

设置任务剩余执行时间： $x=\max (0,C_{{\mathrm{left}}_i}-(1-U)(P_i-P_n));$

通过更新操作：和S＝S+x，最终计算出当前要执行任务的速度S。

3.根据权利要求1所述的一种适用于数控系统的低功耗调度方法，其特征在于，所述处理器无任务执行状态下所产生的最小空闲时间tθ为：

t_θ＝E_sw/P_idle

其中，E_xw为处理器空闲时的最低能量开销，P_idle为处理器空闲时的功耗。

4.根据权利要求1所述的一种适用于数控系统的低功耗调度方法，其特征在于，所述在到达的新任务中选择一个任务执行通过EDF调度方法选择要执行的任务，其原则为：任务截止期限越短，其优先级越高；当任务的截止期限相同时，比较任务的到达时间，最先到达的任务的优先级越高。