CN109324891A - 一种比例空闲时间分配的周期任务低功耗调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种比例空闲时间分配的周期任务低功耗调度方法，其步骤如下：周期任务集开始调度之前，计算周期任务集的总利用率Utot，并以此计算离线速度Sof＝max{Scrit,Utot}；根据最早截止期限优先原则EDF对周期任务集进行排序并插入就绪队列中；第i个周期任务Ti在t时刻完成时，重新计算Ti的下一个释放时间，并回收空闲时间，按照就绪队列中任务的最坏情况行执行时间(WCET)比例给每个就绪任务分配空闲时间。当就绪队列为空且空闲时间大于转换开销时，关闭处理器以节约能耗。本方法可以在保障周期任务可调度性的前提下，尽可能的降低处理器能耗，提高系统整体可靠性。仿真实验验证了本方法有效。

Description

一种比例空闲时间分配的周期任务低功耗调度方法
技术领域
本发明涉及实时系统周期性任务模型的实时调度，具体的说是一种比例空闲时间分配的周期任务低功耗调度方法。
背景技术
随着超大规模集成电路技术发展，处理器的能耗也越来越大。实时系统是任务的截止时间有严格约束的调度系统，处理器功耗的增加势必导致不稳定性，因此有效降低处理器能耗是实时调度算法需要考虑的问题。实时系统调度分为周期性任务和偶发任务，其中周期性任务模型是实时系统中一种重要的任务模型，特点是任务实例呈周期性到来。目前针对周期性任务集的调度算法主要采用DVS技术，任务的实际执行时间往往小于它的最坏情况下执行时间，从而产生空闲时间。DVS技术可以回收空闲时间，分配给就绪队列中未完成的任务，降低其速度从而降低能耗。目前处理器的功耗分为三部分：静态功耗Ps，与速度无关的功耗Pind和与速度相关的Pdep，Pind主要来自漏电电流功耗，Pdep主要来自动态功耗。处理器以速度S运行的动态功耗Pdep可表示为Pdep＝Cef·Sm，其中Cef代表电路中的负载电容，S为处理器的运行速度，m是和处理器功耗无关的常指数(2≤m≤3)。因此，处理器的总功耗可以表示为:P＝Ps+h(Pind+Pdep)＝Ps+h(Pind+Cef·Sm)，其中系数h为常量，当h＝1，表示有任务在运行；否则h＝0。处理器动态功耗和速度成约二次方关系，动态功耗因速度降低而大幅度降低。但是低速度势必会导致任务的实际执行时间延长，从而增加静态功耗。为保证系统总功耗最优，现有研究指出了使得系统能耗最低的关键速度，指出超过或低于关键速度，处理器的功耗会增加，其中关键速度
假定处理器能够提供连续的速度，并且对速度进行归一化，使得处理器提供的速度范围为[Smin，1]，其中Smin为处理器的最低运行速度。处理器有三个状态:关闭状态，活跃状态，空闲状态，当处理器处于关闭状态时不消耗能量。若采用DPM技术，考虑到关闭处理器所需的开销，令E0为空闲状态切换到关闭状态所需的能耗开销，Pidle为空闲状态的功耗，则关闭处理器的时间开销当空闲时间大于t0，且没有就绪任务时可以选择关闭处理器。
周期任务是实时任务的一种，其特点为两个连续的任务实例的释放间隔为固定的常数。本模型考虑存在n个相互独立的周期任务的硬实时系统，采用最早截止期限优先策略(EDF)调度该周期任务集T。每个周期任务Ti用二元组(pi,ci)来表示，pi为Ti的周期，ci为Ti在最坏情况下的执行时间(WCET)，任务的相对截止时限等于其周期。这里用ri和di表示任务Ti的释放时间和截止时限，用aci和Ti,j分别表示Ti的实际执行时间和其第j个任务实例，用Utot表示整个任务集的利用率，
发明内容
针对目前周期任务模型的DVS节能算法空闲时间分配策略均存在不足，本发明提出一种基于WCET比例的空闲时间分配策略，并结合DVS以及DPM技术，提出一种比例空闲时间分配的周期任务低功耗调度算法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种比例空闲时间分配的周期任务低功耗调度方法，包括以下步骤：
步骤1：周期任务集T{T1,T2,T3…Ti…Tn}调度之前，计算周期任务在离线状态下的最佳运行速度；在实时调度器上设置任务就绪队列、任务到来队列；定义集合RD(Ti,t)为t时刻就绪队列中的任务集合；其中，t表示时刻，Ti表示第i个周期任务，且就绪任务集合按照任务的优先级高低排列；所述任务到来队列包含已经运行完毕但下一个实例还没到来的任务；
步骤2：第i个周期任务Ti(pi,ci)在t时刻释放时，根据最早截止期限EDF优先顺序将周期任务Ti(pi,ci)插入任务就绪队列中，并初始设置remi(t)＝wi(t)＝ci，Si＝Sof；其中，pi是Ti的周期，ci是Ti的最坏情况下执行时间，remi(t)是周期任务Ti在时刻t的可利用执行时间，wi(t)是周期任务Ti在时刻t的剩余最坏情况下执行时间，Si是Ti的执行速度；
若系统此时存在空闲时间，则Ti获得这些空闲时间，重新计算remi(t)和Si；当就绪队列非空时，始终调度队首任务执行；
步骤3：当执行周期任务中有更高优先级任务就绪时，发生抢占调度，保留被抢占任务的信息，将被抢占任务按最早截止期限EDF优先顺序重新放入就绪队列，重新调度队首任务执行；
步骤4：当某个周期任务完成时，回收该任务的空闲时间，若任务就绪队列非空，将系统空闲时间按WCET比例分配给就绪队列中每个任务；重新计算就绪队列中每个任务的执行速度，若执行速度小于关键速度，设置当前执行速度为关键速度；
步骤5：如果就绪队列为空且系统空闲时间大于关闭处理器的开销时，则关闭处理器直到新的任务到达。
所述步骤1中的周期任务在离线状态下的最佳运行速度为：
Sof＝max{Scrit，Utot}
其中，Scrit是关键速度，Utot是周期任务集的利用率，表示为：n为任务集中周期任务的个数，第i个周期任务定义为Ti(pi,ci)。
所述步骤2中的根据最早截止期限EDF优先顺序将周期任务Ti(pi,ci)插入任务就绪队列中为根据任务的截止时间动态分配任务的优先级；截止时间越靠前，优先级越高；其中，周期任务Ti的截止时限di计算公式为di＝ri+pi，其中ri是周期任务Ti该次的到达时间。
所述步骤2中的若系统此时存在空闲时间，则Ti获得这些空闲时间，重新计算remi(t)和Si包括：
若slack_time>0,则将slack_time增加到remi(t)，其中，slack_time是系统当前可用空闲时间，初始时为0；
若si<scrit,则令si＝scrit。
所述步骤3中的当执行周期任务中有更高优先级任务就绪时，发生抢占调度，保留被抢占任务的信息，将被抢占任务按EDF优先级顺序重新放入就绪队列，重新调度队首任务执行，包括：
随着队首任务Tf的执行，remf(t)和wf(t)逐渐减少，若正在执行的任务Tf的EDF优先级低于新到来的就绪任务，则发生抢占，则保留remf(t),wf(t)的值；将任务Tf按照最早截止期限EDF优先顺序重新插入任务就绪队列，调度就绪队列队首任务执行，
其中，remf(t)和wf(t)分别是Tf在时刻t的可利用执行时间和剩余最坏情况下执行时间。
所述步骤4中的当某个任务完成时，回收该任务的空闲时间，若任务就绪队列非空，将空闲时间按WCET比例分配给就绪队列中每个任务，包括：
Tf运行完毕时，设置wf＝0，Tf移出任务就绪队列，加入任务到来队列；
将pf增加到rf作为下次Tf的释放时间，将remf增加到当前系统可用的空闲时间slack_time；其中，pf是Tf的周期，slack_time初始值为0；
定义HC(Ti,t,Tb)为当前t时刻就绪队列中优先级小于最近已完成任务Tb的任务集合，若此时HC(Ti,t,Tb)不为空，则将增加到remi(t)，增加后的remi(t)作为集合HC(Ti,t,Tb)中的每一个任务Ti的可利用执行时间；
其中，Tk是集合HC(Ti,t,Tb)中的任务，wk(t)是Tk在时刻t的剩余最坏情况下执行时间。
所述步骤4中的重新计算就绪队列中每个任务的执行速度，若执行速度小于关键速度，设置当前执行速度为关键速度，包括：
重新计算Ti的执行速度若si<scrit，则令si＝scrit。
所述步骤5中的如果就绪队列为空且系统空闲时间大于关闭处理器的开销时，则关闭处理器直到新的任务到达，包括：
当slack_time>t0时，选择关闭处理器，否则，处理器保持空闲状态；
其中，为关闭处理器的时间开销，E0为关闭处理器的能耗开销，Pidle为空闲状态的功耗；当处理器关闭时，slack_time随处理器关闭的时间而减少。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.采用本发明方法，在保证系统中周期任务可调度性的前提下，充分利用系统的空闲时间，减少关闭处理器的次数。
2.采用本发明方法，在保证系统中周期任务可调度性的前提下，充分降低系统的能耗，保证系统稳定性。
附图说明
图1为本发明方法WCET/BCET从1到10变化时与现有算法的能耗对比图。
图2为本发明方法的利用率从0.1到1变化时与现有算法的能耗对比图。
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。
周期任务集调度之前，计算周期任务在离线状态下的最佳运行速度。
根据最早截止期限优先(EDF)原则对周期任务集进行排序并插入就绪队列中,选择就绪队列队首任务调度运行。
当某个任务完成时，回收该任务的空闲时间。若就绪队列非空，将空闲时间按WCET比例分配给就绪队列中每个任务。重新计算就绪队列中每个任务的运行速度，若运行速度小于关键速度，设置速度为关键速度。
如果就绪队列为空且空闲时间大于关闭处理器的开销时，则关闭处理器直到新的任务到达。
具体步骤如下：
周期任务集开始调度之前，计算周期任务的总利用率Utot，确定处理器离线速度为Sof＝max{Scrit,Utot}。
在实时调度器上设置两个队列，一个是任务就绪队列(ready_queue)，另一个是任务到达队列(delay_queue)。ready_queue包含就绪的任务集合，按照任务的最早截止时限(EDF)优先级高低排列，定义集合RD(Ti,t)为t时刻就绪队列中的任务集合。delay_queue包含已经运行完毕但下一个实例还没到来的任务。对于周期任务Ti(ci,pi),用remi(t)表示任务当前实例的剩余执行时间，wi(t)表示最坏情况下任务的剩余执行时间。
第i个周期任务Ti(pi,ci)释放时，根据最早截止期限优先原则(EDF)插入就绪队列中，截止时间越靠前，优先级越高；其中，周期任务Ti的截止时限di计算公式为di＝ri+pi，其中ri是周期任务Ti该次的到达时间。并初始设置remi(t)＝wi(t)＝ci，Si＝Sof,其中remi(t)是任务Ti的在t时刻的可利用执行时间，wi(t)是任务Ti在t时刻的最坏情况下执行时间，Si是Ti的速度。若此时系统可用空闲时间slack_time>0，则Ti获得这些空闲时间，则将slack_time增加到remi(t)。重新计算Tf的速度若Sf<Scrit，则Sf＝Scrit。
调度ready_queue队首任务Tf，随着任务的执行，remf(t)和wf(t)随时间减少。若正在执行的任务Tf被新到来的就绪任务抢占，则保留remf(t),wf(t)的值,将任务Tf按EDF优先级重新插入ready_queue。
定义slack_time为当前系统可用的空闲时间，初始时值为0。Tf运行完毕时，设置wf(t)＝0,Tf移出ready_queue，加入delay_queue。将pf增加到rf，增加后的rf作为下次Tf的释放时间，pf是Tf的周期，将remf增加到当前系统可用的空闲时间slack_time。定义HC(Ti,t,Tb)为当前t时刻就绪队列中优先级小于最近已完成任务Tb的任务集合，若此时HC(Ti,t,Tb)不为空，则对于每一个HC(Ti,t,Tb)中的任务Ti,其得到空闲时间则将 增加到remi(t)，重新计算Ti的运行速度若计算后的Si<Scrit，则Si＝Scrit。
若ready_queue为空,且slack_time>t0,则关闭处理器直到新的任务进入ready_queue。slack_time随处理器关闭的时间减少。
图1为WCET/BCET从1到10变化时与现有算法的能耗对比图。设定任务集的利用率为0.7，WCET/BCET从1到10进行变化。以WCET/BCET＝1时的功耗为基准，归一化后的能耗。当WCET/BCET为1时,没有空闲时间可以回收,因此三者的能耗最大且相同。当WCET/BCET逐渐增大，任务的实际执行时间的平均值就会减少，任务集的平均空闲时间就逐渐增多，三者的能耗都逐渐下降。可以看出LPABOASR算法的性能始终优于DRA和ASTALPSA算法，当WCET/BCET在3到5之间时LPABOWSA算法节能效果较好，当WCET/BCET在8到10之间时，其能耗与ASTALPSA算法的能耗接近。
图2为利用率从0.1到1变化时与现有算法的能耗对比图。随着利用率的增加，处理器处于运行状态的时间比增大，三种算法的能耗均逐渐增大。可以看出LPABOWSA算法的节能效果相对两者较好。当利用率在0.1到0.3时，任务的执行时间较少，采用DPM技术的LPABOWSA和ASTALPSA算法相对DRA有一定的优势。随着利用率的增加，LPABOWSA算法的空闲时间分配策略逐渐起到了效果，在利用率约0.7到0.9之间时，节能效果最显著。

Claims (8)

1.一种比例空闲时间分配的周期任务低功耗调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：周期任务集T{T1,T2,T3…Ti…Tn}调度之前，计算周期任务在离线状态下的最佳运行速度；在实时调度器上设置任务就绪队列、任务到来队列；定义集合RD(Ti,t)为t时刻就绪队列中的任务集合；其中，t表示时刻，Ti表示第i个周期任务，且就绪任务集合按照任务的优先级高低排列；所述任务到来队列包含已经运行完毕但下一个实例还没到来的任务；
步骤2：第i个周期任务Ti(pi,ci)在t时刻释放时，根据最早截止期限EDF优先顺序将周期任务Ti(pi,ci)插入任务就绪队列中，并初始设置remi(t)＝wi(t)＝ci，Si＝Sof；其中，pi是Ti的周期，ci是Ti的最坏情况下执行时间，remi(t)是周期任务Ti在时刻t的可利用执行时间，wi(t)是周期任务Ti在时刻t的剩余最坏情况下执行时间，Si是Ti的执行速度；
若系统此时存在空闲时间，则Ti获得这些空闲时间，重新计算remi(t)和Si；当就绪队列非空时，始终调度队首任务执行；
步骤3：当执行周期任务中有更高优先级任务就绪时，发生抢占调度，保留被抢占任务的信息，将被抢占任务按最早截止期限EDF优先顺序重新放入就绪队列，重新调度队首任务执行；
步骤4：当某个周期任务完成时，回收该任务的空闲时间，若任务就绪队列非空，将系统空闲时间按WCET比例分配给就绪队列中每个任务；重新计算就绪队列中每个任务的执行速度，若执行速度小于关键速度，设置当前执行速度为关键速度；
步骤5：如果就绪队列为空且系统空闲时间大于关闭处理器的开销时，则关闭处理器直到新的任务到达。
2.按照权利要求1所述一种比例空闲时间分配的周期任务低功耗调度方法，其特征在于，所述步骤1中的周期任务在离线状态下的最佳运行速度为：
Sof＝max{Scrit，Utot}
其中，Scrit是关键速度，Utot是周期任务集的利用率，表示为：n为任务集中周期任务的个数，第i个周期任务定义为Ti(pi,ci)。
3.按照权利要求1所述一种比例空闲时间分配的周期任务低功耗调度方法，其特征在于，所述步骤2中的根据最早截止期限EDF优先顺序将周期任务Ti(pi,ci)插入任务就绪队列中为根据任务的截止时间动态分配任务的优先级；截止时间越靠前，优先级越高；其中，周期任务Ti的截止时限di计算公式为di＝ri+pi，其中ri是周期任务Ti该次的到达时间。
4.按照权利要求1所述一种比例空闲时间分配的周期任务低功耗调度方法，其特征在于，所述步骤2中的若系统此时存在空闲时间，则Ti获得这些空闲时间，重新计算remi(t)和Si包括：
若slack_time>0,则将slack_time增加到remi(t)，其中，slack_time是系统当前可用空闲时间，初始时为0；
若si<scrit,则令si＝scrit。
5.按照权利要求1所述一种比例空闲时间分配的周期任务低功耗调度方法，其特征在于，所述步骤3中的当执行周期任务中有更高优先级任务就绪时，发生抢占调度，保留被抢占任务的信息，将被抢占任务按EDF优先级顺序重新放入就绪队列，重新调度队首任务执行，包括：
随着队首任务Tf的执行，remf(t)和wf(t)逐渐减少，若正在执行的任务Tf的EDF优先级低于新到来的就绪任务，则发生抢占，则保留remf(t),wf(t)的值；将任务Tf按照最早截止期限EDF优先顺序重新插入任务就绪队列，调度就绪队列队首任务执行，
其中，remf(t)和wf(t)分别是Tf在时刻t的可利用执行时间和剩余最坏情况下执行时间。
6.按照权利要求1所述一种比例空闲时间分配的周期任务低功耗调度方法，其特征在于，所述步骤4中的当某个任务完成时，回收该任务的空闲时间，若任务就绪队列非空，将空闲时间按WCET比例分配给就绪队列中每个任务，包括：
Tf运行完毕时，设置wf＝0，Tf移出任务就绪队列，加入任务到来队列；
将pf增加到rf作为下次Tf的释放时间，将remf增加到当前系统可用的空闲时间slack_time；其中，pf是Tf的周期，slack_time初始值为0；
定义HC(Ti,t,Tb)为当前t时刻就绪队列中优先级小于最近已完成任务Tb的任务集合，若此时HC(Ti,t,Tb)不为空，则将增加到remi(t)，增加后的remi(t)作为集合HC(Ti,t,Tb)中的每一个任务Ti的可利用执行时间；
其中，Tk是集合HC(Ti,t,Tb)中的任务，wk(t)是Tk在时刻t的剩余最坏情况下执行时间。
7.按照权利要求1所述一种比例空闲时间分配的周期任务低功耗调度方法，其特征在于，所述步骤4中的重新计算就绪队列中每个任务的执行速度，若执行速度小于关键速度，设置当前执行速度为关键速度，包括：
重新计算Ti的执行速度若si<scrit，则令si＝scrit。
8.按照权利要求1所述一种比例空闲时间分配的周期任务低功耗调度方法，其特征在于，所述步骤5中的如果就绪队列为空且系统空闲时间大于关闭处理器的开销时，则关闭处理器直到新的任务到达，包括：
当slack_time>t0时，选择关闭处理器，否则，处理器保持空闲状态；
其中，为关闭处理器的时间开销，E0为关闭处理器的能耗开销，Pidle为空闲状态的功耗；当处理器关闭时，slack_time随处理器关闭的时间而减少。
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