CN110806795B - 一种基于动态空闲时间混合关键周期任务的能耗优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于动态空闲时间混合关键周期任务的能耗优化方法，其包括以下步骤：步骤A：利用动态优先级策略，调度混合关键周期任务集；步骤B：计算周期任务统一的静态速度SU；步骤C：在低模式下回收已经完成执行的高关键层次周期任务产生的空闲时间IHI和所有周期任务提早完成产生的动态空闲时间IC；步骤D：根据系统可利用空闲时间I＝IHI+IC计算周期任务在低模式下的速度SL，当低模式下高关键层次周期任务执行时间超过周期任务在低模式下的最坏情况下执行时间时，进入高模式，高关键层次周期任务在高模式下始终以最快的处理器速度执行，且所有低关键层次周期任务都被丢弃。本发明具有降低能耗等优点。

Description

一种基于动态空闲时间混合关键周期任务的能耗优化方法
技术领域
本发明涉及一种基于动态空闲时间混合关键周期任务的能耗优化方法。
背景技术
实时系统不仅要求逻辑上正确，而且对时限有严格的要求。随着实时系统 的发展，其广泛应用于生产和生活中，特别是制造业、航空航天、医疗与工业 生产等；而混合关键系统是实时系统的一种应用典型，其在同一个平台上满足 不同应用层次的需求，无人机与汽车自动驾驶系统就是其典型应用；随着处理 器技术的快速发展，其能耗越来越高，高能耗不仅影响处理器寿命和系统可靠 性，而且还增加产品的生产成本；能耗已经成为制约混合关键系统发展的主要 因素，因此，降低混合关键系统的能耗具有重要的理论意义和实际价值。
目前针对混合关键系统的研究侧重于系统的可行性与调度可行的分析，而 对混合关键系统周期任务模型的能耗优化方法的研究相对较少，仅有的少数研 究采用固定优先级调度策略，导致系统的利用率低，不能适用于动态优先级的 混合关键系统；且这些研究假设周期任务以其最坏情况下执行时间执行，这一 假设过于保守，不符合系统的真实情况，导致系统的能耗过高。因此，如何合 理有效地降低能耗成为一大难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种基于动态空闲时间混合 关键周期任务的能耗优化方法。
本发明的有益效果是：
1、获取并有效利用空闲时间降低周期任务在低模式的执行速度，有效地 降低系统能耗，根据调节后的执行速度计算执行时间，根据执行时间调节处理 器的速度，即舍弃低关键层次周期任务而以最快的速度执行高关键层次周期任 务，根据任务执行状况合理调节速度，降低功耗，避免处理器等硬件资源的浪 费，降低生产和维护成本，延长处理器使用寿命。
2、采用虚拟截止期限策略，根据任务的绝对截止期限的大小分配任务的 优先级，确保周期任务在其截止期限内完成执行。
以下实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种基于动态空闲时 间混合关键周期任务的能耗优化方法不局限于实施例。
具体实施方式
实施例，本发明的一种基于动态空闲时间混合关键周期任务的能耗优化方 法，其包括以下步骤：
步骤A：利用动态优先级策略，调度混合关键周期任务集；
所述动态优先级策略是虚拟截止期限策略，所述虚拟截止期限策略包括在 不同模式下所述高关键层次任务具有不同的相对截止期限；根据任务的绝对截 止期限分配任务的优先级；绝对截止期限越小，其优先级越高；绝对截止期限 越大，其优先级越低；高优先级任务被优先调度。
任务的绝对截止期限等于当前时刻t与其相对截止期限之和；在低模式下 低关键层次周期任务τi的相对截止期限等于Ti；高关键层次周期任务τi的相对截 止期限等于xTi，其中x是截止期限系数，x＝1-U，U是高关键层次周期任务的额 外负载利用率，
Figure BDA0002249686330000031
所述调度混合关键周期任务集是由n个混合关键周期任务组成的集合 Γ＝{τ1，τ2，…，τn}，其中每个周期任务τi由五元组{Ti，Di，ξi，Ai，Ci}组成，1≤i≤n，i∈Z，其中Ti是周期任务τi的周期；Di是周期任务τi的相对截止期限，且其等于Ti；ξi是周期 任务τi的关键层次，ξi∈{LO，HI}，ξi＝LO时，周期任务τi为低关键层次任务，ξi＝HI时， 周期任务τi为高关键层次任务；Ai为周期任务τi的不同模式下的实际执行时间； Ai∈{Ai(LO)，Ai(HI)}，Ai(LO)和Ai(HI)分别为周期任务τi在低模式和高模式下的实际执 行时间；Ci为周期任务τi的不同模式下的最坏情况下执行时间，Ci∈{Ci(LO)，Ci(HI)}，Ci(LO)和Ci(HI)分别为周期任务τi在低模式和高模式下的最坏情况下执行时间。
所述低模式表示高关键层次周期任务τi以速度S执行，其执行时间不超过Ci(LO)/S；所述高模式表示高关键层次周期任务τi以速度S执行，其执行时间超 过Ci(LO)/S但不超过Ci(HI)/S，且所有低关键层次任务被丢弃；当周期任务τi为低 关键层次周期任务时，Ai(LO)＝Ai(HI)，Ci(LO)＝Ci(HI)，Ai(LO)≤Ci(LO)；当周期任务τi为高关键层次周期任务时，Ai(LO)≤Ai(HI)，Ci(LO)≤Ci(HI)，Ai(LO)≤Ci(LO)， Ai(HI)≤Ci(HI)。
步骤B：计算周期任务统一的静态速度SU，
Figure BDA0002249686330000032
其中，/>
Figure BDA0002249686330000033
是低关键层次周期任务在低模式下的利用率，/>
Figure BDA0002249686330000034
Figure BDA0002249686330000035
是高关 键层次周期任务在低模式下的利用率，/>
Figure BDA0002249686330000036
步骤C：在低模式下回收已经完成执行的高关键层次周期任务产生的空闲 时间IHI和所有周期任务提早完成产生的动态空闲时间IC，其中，
Figure BDA0002249686330000037
步骤D：根据系统可利用空闲时间I＝IHI+IC计算周期任务在低模式下的速度SL，SL＝min{SU，SA}，SA是利用空闲时间调节后的速度，
Figure BDA0002249686330000041
当低模式下 高关键层次周期任务执行时间超过周期任务在低模式下的最坏情况下执行时 间时，即其执行时间超过Ci(LO)/SL，进入高模式，高关键层次周期任务在高模 式下始终以最快的处理器速度执行，且所有低关键层次周期任务都被丢弃，也 就是说在高模式下，只执行高关键层次周期任务。
本实施例的一次实验模型中，混合关键周期任务集包含3个周期任务，即 n＝3，任务的具体参数如表1所示：
表1周期任务参数
任务 T<sub>i</sub> ξ<sub>i</sub> C<sub>i</sub>(LO) C<sub>i</sub>(HI) A<sub>i</sub>(LO) A<sub>i</sub>(HI)
τ<sub>1</sub> 6 LO 2 2 2 2
τ<sub>2</sub> 8 HI 2 3 1 2
τ<sub>3</sub> 16 LO 4 4 2 2
通过计算可知，低关键层次周期任务的最优速度为0.86，高关键层次周 期任务的最优速度为0.90，截止期限系数x＝0.875，统一的静态速度SU＝0.87；本 实施例中的功耗模型P＝0.1+0.2*S+S3，处理器处于空闲状态的功耗为0.1；在区 间[0，48]调度混合关键周期任务集。采用现有的混合关键系统周期任务调度方 法，即任务始终以最优速度进行执行，调度混合关键周期任务集的能耗为 31.56；采用本实施例的一种基于动态空闲时间混合关键周期任务的能耗优化 方法，调度混合关键周期任务集的能耗为为29.76，可见，采用本实施例的方 法比现有的混合关键系统周期任务调度方法节约5.70％的能耗。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种基于动态空闲时间混合关键 周期任务的能耗优化方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技 术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技 术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于动态空闲时间混合关键周期任务的能耗优化方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤A：利用动态优先级策略，调度混合关键周期任务集；
步骤B：计算周期任务统一的静态速度SU；
步骤C：在低模式下回收已经完成执行的高关键层次周期任务产生的空闲时间IHI和所有周期任务提早完成产生的动态空闲时间IC；
步骤D：根据系统可利用空闲时间I＝IHI+IC计算周期任务在低模式下的速度SL，当低模式下高关键层次周期任务执行时间超过周期任务在低模式下的最坏情况下执行时间时，进入高模式，高关键层次周期任务在高模式下始终以最快的处理器速度执行，且所有低关键层次周期任务都被丢弃；
步骤A中，所述调度混合关键周期任务集是由n个混合关键周期任务组成的集合Γ＝{τ1，τ2，…，τn}，其中每个周期任务τi由五元组{Ti，Di，ξi，Ai，Ci}组成，1≤i≤n，i∈Z，其中Ti是周期任务τi的周期；Di是周期任务τi的相对截止期限，且其等于Ti；ξi是周期任务τi的关键层次，ξi∈{LO，HI}，ξi＝LO时，周期任务τi为低关键层次周期任务，ξi＝HI时，周期任务τi为高关键层次周期任务；Ai为周期任务τi的不同模式下的实际执行时间；
Ai∈{Ai(LO)，Ai(HI)}，Ai(LO)和Ai(HI)分别为周期任务τi在低模式和高模式下的实际执行时间；Ci为周期任务τi的不同模式下的最坏情况下执行时间，Ci∈{Ci(LO)，Ci(HI)}，Ci(LO)和Ci(HI)分别为周期任务τi在低模式和高模式下的最坏情况下执行时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态空闲时间混合关键周期任务的能耗优化方法，其特征在于：所述低模式表示高关键层次周期任务τi以速度S执行，其执行时间不超过Ci(LO)/S；所述高模式表示高关键层次周期任务τi以速度S执行，其执行时间超过Ci(LO)/s但不超过Ci(HI)/S，且所有低关键层次任务被丢弃；当周期任务τi为低关键层次周期任务时，Ai(LO)＝Ai(HI)，Ci(LO)＝Ci(HI)，Ai(LO)≤Ci(LO)；当周期任务τi为高关键层次周期任务时，Ai(LO)≤Ai(HI)，Ci(LO)≤Ci(HI)，Ai(LO)≤Ci(LO)，Ai(HI)≤Ci(HI)。
3.根据权利要求1所述的一种基于动态空闲时间混合关键周期任务的能耗优化方法，其特征在于：步骤A中，所述动态优先级策略是虚拟截止期限策略，所述虚拟截止期限策略包括在不同模式下所述高关键层次周期任务具有不同的相对截止期限；根据任务的绝对截止期限分配任务的优先级；绝对截止期限越小，其优先级越高；绝对截止期限越大，其优先级越低；高优先级任务被优先调度。
4.根据权利要求3所述的一种基于动态空闲时间混合关键周期任务的能耗优化方法，其特征在于：任务的绝对截止期限等于当前时刻t与其相对截止期限之和；在低模式下低关键层次周期任务τi的相对截止期限等于Ti；高关键层次周期任务τi的相对截止期限等于xTi，其中x是截止期限系数，x＝1-U，U是高关键层次周期任务的额外负载利用率，
Figure FDA0003975197390000021
5.根据权利要求4所述的一种基于动态空闲时间混合关键周期任务的能耗优化方法，其特征在于：步骤B中，所述周期任务统一的静态速度
Figure FDA0003975197390000022
其中，/>
Figure FDA0003975197390000023
是低关键层次周期任务在低模式下的利用率；/>
Figure FDA0003975197390000024
是高关键层次周期任务在低模式下的利用率；x＝1-U为截止期限系数，其中，U是高关键层次周期任务的额外负载利用率。
6.根据权利要求5所述的一种基于动态空闲时间混合关键周期任务的能耗优化方法，其特征在于：所述低关键层次周期任务在低模式下的利用率
Figure FDA0003975197390000025
所述高关键层次周期任务在低模式下的利用率/>
Figure FDA0003975197390000026
所述高关键层次周期任务的额外负载利用率/>
Figure FDA0003975197390000027
7.根据权利要求1所述的一种基于动态空闲时间混合关键周期任务的能耗优化方法，其特征在于：步骤C中，已经完成执行的高关键层次周期任务产生的空闲时间
Figure FDA0003975197390000028
所有周期任务提早完成产生的动态空闲时间
Figure FDA0003975197390000029
8.根据权利要求1所述的一种基于动态空闲时间混合关键周期任务的能耗优化方法，其特征在于：步骤D中，所述周期任务在低模式下的速度SL＝min{SU，SA}，min表示SL取SU和SL两者中的最小值，其中，
Figure FDA0003975197390000031
/>
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