CN117648194B - 非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法和系统，涉及混合关键系统调度技术领域。其包含：S1、建立多处理器平台的固定优先级非精确混合关键任务的任务模型。S2、根据任务模型，提出非精确混合关键多处理器的优先级天花板协议。S3、根据优先级天花板协议，获取任务集在系统处于低模式、高模式和模式转换期间时的调度可行的充分条件。S4、根据调度可行的充分条件，通过关键层次感知最坏适应利用率划分算法将系统中的任务集映射到多处理器平台的各个处理器。S5、根据映射到各个处理器的任务，以及调度可行的充分条件，计算多处理器平台的各个处理器的最优节能调度速度，以使各个处理器以最优节能调度速度执行任务。

Description

非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法和系统

技术领域

本发明涉及混合关键系统调度技术领域，具体而言，涉及一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法和系统。

背景技术

混合关键系统是指具有两个或多个不同关键级别的系统，其将不同关键层次的应用集成到同一共享平台。许多复杂的嵌入式系统，例如汽车和航空航天行业中的系统，都在向混合关键性系统演变，以满足严格的非功能性要求，如成本、空间、重量、发热和功耗等。

混合关键系统中更高关键级别的任务或功能对系统安全性和可靠性的要求程度也就越高。当某些高关键级别的任务或功能在低关键模式中执行出错时，要求系统切换到更高关键级别的模式。因此，在混合关键系统执行过程中存在着不同模式转换的需求。

经典的双关键层次的混合关键系统在系统高模式下完全放弃低关键层次任务的执行，这种行为受到了系统设计者的广泛批评。因此，新的双关键层次的混合关键系统在系统高模式下，通过降低低关键层次任务的执行预算，实现提供降级服务的非精确混合关键任务模型。

现有的混合关键系统主要关注的是任务之间相互独立的经典混合关键任务模型。但是，在现实应用的场景中，混合关键系统的任务不可避免地要共享可重用资源，如I/O设备、内存和存储器等资源，因此容易出错。

设计混合关键系统时，能耗问题至关重要，尤其对于依赖电池供电的应用，如无人机等。通过降低能耗，不仅能够降低运营成本，还能延长设备的使用寿命。动态电压和频率调整是一项有效降低能耗的技术，它基于系统工作负载的变化，灵活地调整处理器的性能来降低能耗。然后，目前没有同时兼顾混合关键系统的可行性和能耗的调度方法，这使得实际应用过程中的能耗优化问题难以解决。

有鉴于此，申请人在研究了现有的技术后特提出本申请。

发明内容

本发明提供了一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法和系统，以改善上述技术问题中的至少一个。

第一方面、本发明实施例提供了一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法，其包含步骤S1至步骤S5。

S1、建立多处理器平台的固定优先级非精确混合关键任务的任务模型；其中，所述多处理器平台至少包含2个处理器；双关键层次混合关键系统构造为以互斥访问的方式共享平台资源的资源受限模式；

S2、根据所述任务模型，提出非精确混合关键多处理器的优先级天花板协议；

S3、根据所述优先级天花板协议，获取任务集在系统处于低模式、高模式和模式转换期间时的调度可行的充分条件；

S4、根据所述调度可行的充分条件，通过关键层次感知最坏适应利用率划分算法将系统中的任务集映射到多处理器平台的各个处理器；

S5、根据映射到各个处理器的任务，以及所述调度可行的充分条件，计算多处理器平台的各个处理器的最优节能调度速度，以使各个处理器以所述最优节能调度速度执行任务；

最优节能调度速度的计算模型为：

低模式节能速度的计算模型为：

模式转换节能速度的计算模型为：

式中，是处理器/>在系统低模式下能满足调度可行的充分条件的低模式节能速度、/>是处理器/>在系统模式转换期间能满足调度可行的充分条件的模式转换节能速度、/>表示系统低模式下处理器/>中非精确混合关键任务/>以及优先级大于非精确混合关键任务/>的任务集调度可行的节能速度、/>表示第/>个非精确混合关键任务、/>表示处理器的任务集合、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示第/>个非精确混合关键任务、/>表示非精确混合关键任务/>在系统低模式下的最坏执行时间、/>表示处理器/>上任务优先级大于等于非精确混合关键任务/>优先级/>的任务数量、/>表示非精确混合关键任务/>访问资源时的阻塞时间、/>表示系统模式转换期间处理器/>中非精确混合关键任务/>以及优先级大于非精确混合关键任务/>的任务集调度可行的节能速度、/>为任务集合/>里的低关键层次任务组成的任务子集、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示第/>个非精确混合关键任务、/>为任务集合里的高关键层次任务组成的任务子集、/>表示非精确混合关键任务/>在系统高模式下的最坏执行时间；/>为“与”，表示两个条件要同时成立。

在一个可选的实施例中，所述任务模型基于运行在多处理器平台的双关键层次混合关键系统建立。双关键层次混合关键系统包含两种运行模式：低关键模式和高关键模式。多处理器平台具有个同构的处理器/>、/>个非精确混合关键任务，以及/>个系统资源/>。

每个非精确混合关键任务由五元组/>组成，/>，为整数。其中，/>表示非精确混合关键任务/>的关键层次，其值为/>。/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期。/>表示非精确混合关键任务/>的相对截止期限，其等于/>。和/>分别表示非精确混合关键任务/>在/>模式和HI模式下的最坏执行时间。

当时，表示非精确混合关键任务/>为低关键层次任务。此时有，所有/>任务组成的任务集为/>。

当时，表示非精确混合关键任务/>为高关键层次任务。此时有,所有/>任务组成的任务集为/>。

在一个可选的实施例中，所有分配到处理器上的任务集合为/>，使用抢占固定优先级策略调度每个非精确混合关键任务/>，即每个非精确混合关键任务/>的优先级确定以后，其优先级在执行过程中保持不变。

每个非精确混合关键任务的优先级/>由速率单调调度策略分配，即非精确混合关键任务/>的优先级和释放周期/>成反比。

所有非精确混合关键任务以互斥访问的方式共享个系统资源/>，即每个资源对应的临界区在同一时间里只允许有且仅有一个任务进行访问，且一个保护资源的临界区不嵌套其他临界区。每个非精确混合关键任务/>具有/>个临界区，/>，/>为整数，其中非精确混合关键任务/>的第/>个临界区/>对应的关键区长度和访问的资源分别对应为/>和/>。/>，/>为整数。当/>时，表示非精确混合关键任务/>在第/>个临界区需要访问资源/>。

要求每个任务的所有临界区的长度之和在/>之前，表示为：

要求每个任务的所有临界区的长度之和在/>之前，表示为：

式中，表示第/>个非精确混合关键任务、/>为所有/>任务组成的任务集、/>为非精确混合关键任务/>的临界区集合、/>为非精确混合关键任务/>的临界区的序号、/>为非精确混合关键任务/>第/>个临界区/>对应的关键区长度、/>为非精确混合关键任务/>在系统高模式下的最坏执行时间、/>为所有/>任务组成的任务集、/>表示非精确混合关键任务/>在系统低模式下的最坏执行时间。

在一个可选的实施例中，根据所述任务模型，提出非精确混合关键多处理器的优先级天花板协议，具体包括：

非精确混合关键多处理器优先级天花板协议下，每个资源都会被分配一个优先级上限，且这个优先级上限等于需要访问该资源的所有任务中的最高任务优先级。其中，每个处理器上访问资源/>的优先级上限表示为：

在任意时刻，处理器上任何作业所占有资源中的最高优先级上限，称为处理器的动态优先级上限/>。对于只被一个处理器上任务所访问的资源，称其为受本地临界区所保护的本地资源。对于需要被不同处理器任务所访问的资源，称其为受全局临界区所保护的全局资源。

当处理器上没有任务访问任何资源时/>。

当处理器的非精确混合关键任务/>访问本地资源/>时，动态优先级上限/>提升到资源/>的优先级上限，即：/>。

当处理器的非精确混合关键任务/>访问全局资源/>时，动态优先级上限/>提升到大于任务集中最高优先级任务的优先级，即：/>。

当非精确混合关键任务尝试访问某个资源时，如果该资源没有被其他任务所占有，则非精确混合关键任务/>可以获得对该资源的访问权限，并将优先级提升到该资源对应的优先级上限。如果该资源正在被其他任务所占有，则非精确混合关键任务/>挂起并加入对当前资源请求的优先级队列中。

当非精确混合关键任务完成访问后释放该资源，并将优先级恢复到/>。

在一个可选的实施例中，多处理器平台双关键层次混合关键系统在非精确混合关键多处理器优先级天花板协议下的执行语义为：

系统初始时以模式启动，即每个处理器/>都以/>模式启动。

当且仅当处理器上的非精确混合关键任务/>满足以下两个条件时，才能开始执行：a、非精确混合关键任务/>优先级/>是当前所有任务中最高优先级。b、非精确混合关键任务/>优先级/>大于动态优先级上限/>。

系统保持模式，当且仅当所有/>任务的执行时间不超过/>。

当有任务的执行时间超过/>时，系统将终止其执行。

当某个任务的执行时间达到/>且未发出执行完成信号时，系统立即切换到模式，即所有处理器/>立即从/>模式转换到/>模式。

定义系统发生模式转换的时刻为。所有在时刻/>之前释放且在时刻/>之后完成执行的任务作业被称为结转作业。对于/>任务的结转作业，如果其执行时间超过/>但小于，那么系统终止其继续执行，直到下一个周期释放新的任务作业，如果其执行时间小于/>，那么系统将允许其继续执行，直到完成距离/>的剩余执行时间。对于/>任务的结转作业，其执行时间将从/>提升到/>。所有在时刻/>之后释放的非精确混合关键任务/>都将以最坏执行时间/>执行。

在一个可选的实施例中，系统处于低模式时，分配到处理器上的任务集/>的调度可行的充分条件为：

系统处于高模式时，分配到处理器上的任务集/>的调度可行的充分条件为：

系统处于模式转换期间时，分配到处理器上的任务集/>的调度可行的充分条件为：

式中，表示第/>个非精确混合关键任务、/>表示处理器/>的任务集合、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示第/>个非精确混合关键任务、/>表示非精确混合关键任务/>在系统低模式下的最坏执行时间、/>表示非精确混合关键任务/>访问资源时的阻塞时间、/>表示处理器/>上任务优先级大于等于非精确混合关键任务/>优先级/>的任务数量、

表示非精确混合关键任务/>在系统高模式下的最坏执行时间、/>为任务集合/>里的低关键层次任务组成的任务子集、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示第/>个非精确混合关键任务、/>为任务集合/>里的高关键层次任务组成的任务子集、表示非精确混合关键任务/>在系统高模式下的最坏执行时间。

在一个可选的实施例中，对分配到处理器的非精确混合关键任务/>，其访问资源时的最坏情况下的阻塞时间/>为：

对分配到处理器的非精确混合关键任务/>，处理器/>上其他低优先级任务可能在任务/>挂起的时候访问本地资源，从而对非精确混合关键任务/>造成的额外的阻塞。定义该阻塞的时间为第一阻塞时间/>。

对分配到处理器的非精确混合关键任务/>，其需要访问全局资源时，该资源可能正在被其他处理器上的低优先级任务所访问，因此对非精确混合关键任务/>造成阻塞。定义该阻塞的时间为第二阻塞时间/>。

对分配到处理器的非精确混合关键任务/>，其挂起以等待全局资源时，可能被其他处理器/>上需要访问相同全局资源的高优先级任务所抢占，而对非精确混合关键任务造成额外的阻塞。定义该阻塞的时间为第三阻塞时间/>。

对分配到处理器的非精确混合关键任务/>，其挂起以等待全局资源时，对非精确混合关键任务/>造成阻塞的任务所在的其它处理器/>上，可能包含更高优先级上限的全局资源，而其它处理器/>上的任务对这些全局资源进行请求时会抢占非精确混合关键任务所请求且正在执行的全局资源，因此对非精确混合关键任务/>造成阻塞。定义该阻塞的时间为第四阻塞时间/>。

对分配到处理器的非精确混合关键任务/>，处理器/>上其他低优先级任务可能在非精确混合关键任务/>挂起的时候请求或访问全局资源，而对非精确混合关键任务/>在执行非临界区代码段时造成额外的阻塞。定义该阻塞的时间为第五阻塞时间/>。

式中，表示非精确混合关键任务/>访问需要进入临界区以访问全局资源的数量。表示非精确混合关键任务/>所在处理器，即处理器/>上优先级低于非精确混合关键任务/>访问本地资源的最长临界区。/>表示其他处理器/>上优先级低于非精确混合关键任务/>访问全局资源的最长临界区。/>表示非精确混合关键任务/>和任务/>访问相同全局资源的数量。/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期。/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期。/>表示其他处理器/>上的任务/>，访问全局资源的优先级上限高于任务/>访问全局资源的优先级上限的数量。/>表示非精确混合关键任务/>访问需要进入临界区以访问全局资源的数量。/>表示任务/>所在处理器，即处理器/>上优先级低于任务/>访问全局资源的最长临界区。

在一个可选的实施例中，根据所述调度可行的充分条件，通过关键层次感知最坏适应利用率划分算法将系统中的任务集映射到多处理器平台的各个处理器，具体包括：

根据系统中的任务集采用关键层次感知最坏适应利用率划分算法进行任务映射。

对所有任务，按照其在系统/>模式下的执行时间与释放周期的比值，进行降序排序，再根据处理器系统/>模式下的负载，采用最坏适应策略进行任务映射。

对所有任务，按照其在系统/>模式下的执行时间与释放周期的比值，进行降序排序，再根据处理器系统/>模式下的负载，采用最坏适应策略进行任务映射。

第二方面、本发明实施例提供了一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度系统，其包括处理器、存储器，以及存储在所述存储器内的计算机程序；所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如第一方面任意一段所述的一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法。

第三方面、本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如第一方面任意一段所述的一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法。

通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：

本发明实施例的能耗感知调度方法在满足混合关键系统任务实时性的基础上，确保所有任务互斥的访问可重用资源，保证系统资源能被非精确混合关键任务有序访问。并且保证所有任务都满足截止期限要求，且在系统处于高模式时，能够为低关键层次任务提供降级服务。此外，能够有效降低系统能耗。相比其他传统调度算法能够节约52.88%的能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一、请参阅图1，本发明第一实施例提供一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法。其可由非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度设备来执行（以下简称：调度设备）。特别地，由调度设备中的一个或多个处理器来执行，以实现步骤S1至步骤S4。

S1、建立多处理器平台的固定优先级非精确混合关键任务的任务模型。其中，所述多处理器平台至少包含2个处理器。双关键层次混合关键系统构造为以互斥访问的方式共享平台资源的资源受限模式。

可以理解的是，所述调度设备可以是工业控制系统、各种实时系统或者混合关键系统。

优选地，以运行在多处理器平台的双关键层次混合关键系统为例建立任务模型。双关键层次混合关键系统包含两种运行模式：低关键（）模式和高关键（/>）模式。多处理器平台具有/>个同构的处理器/>、/>个周期非精确混合关键任务，以及/>个系统资源/>。

具体的，每个非精确混合关键任务由五元组/>组成，，/>为整数，其中，/>表示非精确混合关键任务/>的关键层次，其值为/>。/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期。/>表示非精确混合关键任务/>的相对截止期限，其等于/>。/>和/>分别表示非精确混合关键任务/>在/>模式和HI模式下的最坏执行时间 。

当时，表示非精确混合关键任务/>为低关键层次（/>）任务。此时有，所有/>任务组成的任务集为/>。

当时，表示非精确混合关键任务/>为高关键层次（/>）任务。此时有,所有/>任务组成的任务集为/>。

所有分配到处理器上的任务集为/>。使用抢占固定优先级策略调度每个非精确混合关键任务/>，即每个非精确混合关键任务/>的优先级确定以后，其优先级在执行过程中保持不变。

每个非精确混合关键任务的优先级/>由速率单调调度策略分配，即非精确混合关键任务/>的优先级和释放周期/>成反比。即：周期/>越小，/>对应的优先级/>越高。

所有非精确混合关键任务以互斥访问的方式共享个系统资源/>，即每个资源对应的临界区在同一时间里只允许有且仅有一个任务进行访问，且一个保护资源的临界区不嵌套其他临界区。每个非精确混合关键任务/>具有/>个临界区，/>，/>为整数，其中非精确混合关键任务/>的第/>个临界区/>对应的关键区长度和访问的资源分别对应为/>和/>。/>，/>为整数。当/>时，表示非精确混合关键任务/>在第/>个临界区需要访问资源/>。

要求每个任务的所有临界区的长度之和在/>之前，表示为：

要求每个任务的所有临界区的长度之和在/>之前，表示为：

式中，表示第/>个非精确混合关键任务、/>为所有/>任务组成的任务集、/>为非精确混合关键任务/>的临界区集合、/>为非精确混合关键任务/>的临界区的序号、/>为非精确混合关键任务/>第/>个临界区/>对应的关键区长度、/>为非精确混合关键任务/>在系统高模式下的最坏执行时间、/>为所有/>任务组成的任务集、/>表示非精确混合关键任务/>在系统低模式下的最坏执行时间。

S2、根据所述任务模型，提出非精确混合关键多处理器的优先级天花板协议。

具体的，非精确混合关键多处理器优先级天花板协议下，每个资源都会被分配一个优先级上限，且这个优先级上限等于需要访问该资源的所有任务中的最高任务优先级。

每个处理器上访问资源/>的优先级上限表示如下：

此外，在任意时刻，处理器上任何作业所占有资源中的最高优先级上限，被称为处理器/>的动态优先级上限/>。对于只被一个处理器上任务所访问的资源，称其为受本地临界区所保护的本地资源。对于需要被不同处理器任务所访问的资源，称其为受全局临界区所保护的全局资源。

当处理器上没有任务访问任何资源时/>。

当处理器的任务/>访问本地资源/>时，动态优先级上限/>提升到资源/>的优先级上限，即：

当处理器的任务/>访问全局资源/>时，动态优先级上限/>提升到大于任务集中最高优先级任务的优先级，即：

当任务试图访问某个资源时，如果该资源没有被其他任务所占有，则任务/>可以获得对该资源的访问权限，并将优先级提升到该资源对应的优先级上限。如果该资源正在被其他任务所占有，则任务/>挂起并加入对当前资源请求的优先级队列中。

当任务完成访问后释放该资源，并将优先级恢复到/>。

该多处理器平台的双关键层次混合关键系统在非精确混合关键多处理器优先级天花板协议下的执行语义为：

系统初始时以模式启动，即每个处理器/>都以/>模式启动。

当且仅当处理器上的任务/>满足以下两个条件时，才能开始执行：（a）任务/>优先级/>是当前所有任务中最高优先级。（b）任务/>优先级/>大于动态优先级上限/>。

系统保持模式，当且仅当所有/>任务/>的执行时间不超过/>。当有/>任务/>的执行时间超过/>时，系统将终止其执行。当某个/>任务/>的执行时间达到/>且未发出执行完成信号时，系统立即切换到/>模式，即所有处理器/>立即从/>模式转换到/>模式。

假设系统在时刻发生模式转换，所有在时刻/>之前释放且在时刻/>之后完成执行的任务作业被称为结转作业（carry-over jobs）。对于/>任务/>的结转作业，如果其执行时间超过/>但小于/>，那么系统终止其继续执行，直到下一个周期释放新的任务作业，如果其执行时间小于/>，那么系统将允许其继续执行，直到完成距离/>的剩余执行时间。对于/>任务/>的结转作业，其执行时间将从/>提升到/>。所有在时刻/>之后释放的非精确混合关键任务/>都将以最坏执行时间/>执行。

S3、根据所述优先级天花板协议，获取任务集在系统处于低模式、高模式和模式转换期间时的调度可行的充分条件。

对分配到处理器的任务/>，处理器/>上其他低优先级任务可能在任务/>挂起的时候访问本地资源，而对任务/>造成额外的阻塞，该阻塞时间计算公式如下：

其中，表示任务/>访问需要进入临界区以访问全局资源的数量。/>表示任务所在处理器，即处理器/>上优先级低于任务/>访问本地资源的最长临界区。

对分配到处理器的任务/>，任务/>需要访问全局资源时，该资源可能正在被其他处理器上的低优先级任务所访问，因此对任务/>造成阻塞，该阻塞时间计算公式如下：

其中，表示任务/>访问需要进入临界区以访问全局资源的数量。/>表示其他处理器/>（/>为整数且/>）上优先级低于任务/>访问全局资源的最长临界区。

对分配到处理器的任务/>，任务/>在挂起以等待全局资源时，其可能被其他处理器/>上需要访问相同全局资源的高优先级任务/>所抢占，而对任务/>造成额外的阻塞，该阻塞时间计算公式如下：

其中，表示任务/>和任务/>访问相同全局资源的数量。/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期。/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期。/>表示其他处理器/>（/>为整数且/>）上优先级低于任务/>访问全局资源的最长临界区。

对分配到处理器的任务/>，任务/>在挂起以等待全局资源时，对任务/>造成阻塞的任务所在的处理器/>上，可能包含更高优先级上限的全局资源，而处理器/>上的任务对这些全局资源进行请求时会抢占任务/>所请求且正在执行的全局资源，因此对任务/>造成阻塞，该阻塞时间计算公式如下：

其中，表示其他处理器/>上的任务/>，访问全局资源的优先级上限高于任务访问全局资源的优先级上限的数量。/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期。/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期。/>表示其他处理器/>（/>为整数且）上优先级低于任务/>访问全局资源的最长临界区。

对分配到处理器的任务/>，处理器/>上其他低优先级任务/>可能在任务/>挂起的时候请求或访问全局资源，而对任务/>在执行非临界区代码段时造成额外的阻塞，该阻塞时间计算公式如下：

其中，表示任务/>访问需要进入临界区以访问全局资源的数量。/>表示非精确混合关键任务/>访问需要进入临界区以访问全局资源的数量。/>表示任务/>所在处理器，即处理器/>上优先级低于任务/>访问全局资源的最长临界区。

对分配到处理器的任务/>，其受到的最坏情况阻塞时间计算如下：

根据上面计算的阻塞时间，进一步计算系统的各个处理器的调度可行的充分条件。

系统低模式下，对于分配到处理器上任务集/>，其调度可行的充分条件如下：

系统高模式下，对于分配到处理器上任务集/>，其调度可行的充分条件如下：

系统处于模式转换期间时，对于分配到处理器上任务集/>，其调度可行的充分条件如下：/>

式中，表示第/>个非精确混合关键任务、/>表示处理器/>的任务集合、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示第/>个非精确混合关键任务、/>表示非精确混合关键任务/>在系统低模式下的最坏执行时间、/>表示非精确混合关键任务/>访问资源时的阻塞时间、/>表示处理器/>上任务优先级大于等于非精确混合关键任务/>优先级/>的任务数量、/>表示非精确混合关键任务/>在系统高模式下的最坏执行时间、/>为任务集合/>里的低关键层次任务组成的任务子集、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示第/>个非精确混合关键任务、/>为任务集合里的高关键层次任务组成的任务子集、/>表示非精确混合关键任务/>在系统高模式下的最坏执行时间。

S4、根据所述调度可行的充分条件，通过关键层次感知最坏适应利用率划分算法将系统中的任务集映射到多处理器平台的各个处理器。

具体的，系统中的任务集采用关键层次感知最坏适应利用率划分算法进行任务映射。

首先，对所有任务/>，按照其在系统/>模式下的执行时间与释放周期的比值，进行降序排序，再根据处理器系统/>模式下的负载，采用最坏适应策略进行任务映射。

然后，对所有任务/>，按照其在系统/>模式下的执行时间与释放周期的比值，进行降序排序，再根据处理器系统/>模式下的负载，采用最坏适应策略进行任务映射。

S5、根据映射到各个处理器的任务，以及所述调度可行的充分条件，计算多处理器平台的各个处理器的最优节能调度速度，以使各个处理器以所述最优节能调度速度执行任务。

具体的，在所有任务映射到处理器且满足任务集调度可行的充分条件的基础上，可计算多处理器平台的各个处理器的最优节能调度速度。

系统低模式下处理器的最优节能速度/>，计算公式如下：

低模式节能速度的计算公式如下：

模式转换节能速度的计算公式如下：

式中，是处理器/>在系统低模式下能满足调度可行的充分条件的低模式节能速度、/>是处理器/>在系统模式转换期间能满足调度可行的充分条件的模式转换节能速度、/>表示系统低模式下处理器/>中非精确混合关键任务/>以及优先级大于非精确混合关键任务/>的任务集调度可行的节能速度、/>表示第/>个非精确混合关键任务、/>表示处理器的任务集合、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示第/>个非精确混合关键任务、/>表示非精确混合关键任务/>在系统低模式下的最坏执行时间、/>表示处理器/>上任务优先级大于等于非精确混合关键任务/>优先级/>的任务数量、/>表示非精确混合关键任务/>访问资源时的阻塞时间、/>表示系统模式转换期间处理器/>中非精确混合关键任务/>以及优先级大于非精确混合关键任务/>的任务集调度可行的节能速度、/>为任务集合/>里的低关键层次任务组成的任务子集、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示第/>个非精确混合关键任务、/>为任务集合/>里的高关键层次任务组成的任务子集、/>表示非精确混合关键任务/>在系统高模式下的最坏执行时间；/>为“与”，表示两个条件要同时成立。

本发明实施例在多处理器平台上，针对资源受限的非精确混合关键任务模型，提出非精确混合关键多处理器优先级天花板协议。然后，给出系统任务集在该协议下调度可行的充分条件。最后，在任务映射的基础上计算各个处理器的最优节能速度，以使各个处理器以所述最优节能调度速度执行任务。不仅能够保证混合关键系统任务以互斥方式访问共享资源和满足实时性要求，并且能够有效降低系统能耗，具有很好的实际意义。

下面以一个2处理器系统为例。该系统包含2个同构的处理器，且提供2个可重用资源/>。此外，该系统将调度包含5个任务的非精确混合关键任务集。每个任务对应的参数如下表1所示。

表1 实施例任务集

该任务集采用关键层次感知最坏适应利用率划分算法，在处理器上的映射关系为：、/>。该任务映射方案满足系统在低模式、高模式和模式转换期间调度可行的充分条件。最后通过计算可知，处理器/>和/>在系统低模式下的最优节能速度分别为0.604和0.738。

该案例中，本发明实施例的能耗感知调度方法能耗为0.464，与没有采用动态电压频率调节技术的传统调度算法相比，本发明提供的方法能够节约大约52.88%的能耗。

本发明实施例的能耗感知调度方法在满足混合关键系统任务实时性的基础上，确保所有任务互斥的访问可重用资源，保证系统资源能被非精确混合关键任务有序访问。并且保证所有任务都满足截止期限要求，且在系统处于高模式时，能够为低关键层次任务提供降级服务。此外，能够有效降低系统能耗。相比其他传统调度算法能够节约52.88%的能耗。

实施例二、本发明实施例提供了一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度系统，其包括处理器、存储器，以及存储在所述存储器内的计算机程序；所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如实施例一任意一段所述的一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法。

实施例三、本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如实施例一任意一段所述的一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，电子设备，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测（陈述的条件或事件）”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测（陈述的条件或事件）时”或“响应于检测（陈述的条件或事件）”。

实施例中提及的“第一\第二”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些内容以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法，其特征在于，包含：

建立多处理器平台的固定优先级非精确混合关键任务的任务模型；其中，所述多处理器平台至少包含2个处理器；双关键层次混合关键系统构造为以互斥访问的方式共享平台资源的资源受限模式；

根据所述任务模型，提出非精确混合关键多处理器的优先级天花板协议；

根据所述优先级天花板协议，获取任务集在系统处于低模式、高模式和模式转换期间时的调度可行的充分条件；

根据所述调度可行的充分条件，通过关键层次感知最坏适应利用率划分算法将系统中的任务集映射到多处理器平台的各个处理器；

根据映射到各个处理器的任务，以及所述调度可行的充分条件，计算多处理器平台的各个处理器的最优节能调度速度，以使各个处理器以所述最优节能调度速度执行任务；

最优节能调度速度的计算模型为：

低模式节能速度的计算模型为：

模式转换节能速度的计算模型为：

式中，是处理器/>在系统低模式下能满足调度可行的充分条件的低模式节能速度、是处理器/>在系统模式转换期间能满足调度可行的充分条件的模式转换节能速度、/>表示系统低模式下处理器/>中非精确混合关键任务/>以及优先级大于非精确混合关键任务/>的任务集调度可行的节能速度、/>表示第/>个非精确混合关键任务、/>表示处理器/>的任务集合、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示第/>个非精确混合关键任务、/>表示非精确混合关键任务/>在系统低模式下的最坏执行时间、/>表示处理器/>上任务优先级大于等于非精确混合关键任务/>优先级/>的任务数量、/>表示非精确混合关键任务/>访问资源时的阻塞时间、/>表示系统模式转换期间处理器/>中非精确混合关键任务/>以及优先级大于非精确混合关键任务/>的任务集调度可行的节能速度、/>为任务集合/>里的低关键层次任务组成的任务子集、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示第/>个非精确混合关键任务、/>为任务集合/>里的高关键层次任务组成的任务子集、/>表示非精确混合关键任务/>在系统高模式下的最坏执行时间；/>为“与”，表示两个条件要同时成立；

根据所述任务模型，提出非精确混合关键多处理器的优先级天花板协议，具体包括：

非精确混合关键多处理器优先级天花板协议下，每个资源都会被分配一个优先级上限，且这个优先级上限等于需要访问该资源的所有任务中的最高任务优先级；其中，每个处理器上访问资源/>的优先级上限表示为：

在任意时刻，处理器上任何作业所占有资源中的最高优先级上限，称为处理器/>的动态优先级上限/>；对于只被一个处理器上任务所访问的资源，称其为受本地临界区所保护的本地资源；对于需要被不同处理器任务所访问的资源，称其为受全局临界区所保护的全局资源；

当处理器上没有任务访问任何资源时/> ；

当处理器的非精确混合关键任务/>访问本地资源/>时，动态优先级上限/>提升到资源/>的优先级上限，即：/> ；

当处理器的非精确混合关键任务/>访问全局资源/>时，动态优先级上限/>提升到大于任务集中最高优先级任务的优先级，即：/> ；

当非精确混合关键任务尝试访问某个资源时，如果该资源没有被其他任务所占有，则非精确混合关键任务/>可以获得对该资源的访问权限，并将优先级提升到该资源对应的优先级上限；如果该资源正在被其他任务所占有，则非精确混合关键任务/>挂起并加入对当前资源请求的优先级队列中；

当非精确混合关键任务完成访问后释放该资源，并将优先级恢复到/> ；

根据所述调度可行的充分条件，通过关键层次感知最坏适应利用率划分算法将系统中的任务集映射到多处理器平台的各个处理器，具体包括：

根据系统中的任务集采用关键层次感知最坏适应利用率划分算法进行任务映射；

对所有任务，按照其在系统/>模式下的执行时间与释放周期的比值，进行降序排序，再根据处理器系统/>模式下的负载，采用最坏适应策略进行任务映射；

对所有任务，按照其在系统/>模式下的执行时间与释放周期的比值，进行降序排序，再根据处理器系统/>模式下的负载，采用最坏适应策略进行任务映射。

2.根据权利要求1所述的一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法，其特征在于，所述任务模型基于运行在多处理器平台的双关键层次混合关键系统建立；双关键层次混合关键系统包含两种运行模式：低关键模式和高关键模式；多处理器平台具有个同构的处理器/> 、 />个非精确混合关键任务/> ，以及/>个系统资源/> ；

每个非精确混合关键任务由五元组/>组成，/>，/>为整数；其中，/>表示非精确混合关键任务/>的关键层次，其值为/> ； />表示非精确混合关键任务/>的释放周期；/>表示非精确混合关键任务/>的相对截止期限，其等于/> ；和/>分别表示非精确混合关键任务/>在/>模式和HI模式下的最坏执行时间；

当时，表示非精确混合关键任务/>为低关键层次任务；此时有/>，所有/>任务组成的任务集为/> ；

当时，表示非精确混合关键任务/>为高关键层次任务；此时有/> ,所有/>任务组成的任务集为/> 。

3.根据权利要求2所述的一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法，其特征在于，所有分配到处理器上的任务集合为/> ，使用抢占固定优先级策略调度每个非精确混合关键任务/>，即每个非精确混合关键任务/>的优先级确定以后，其优先级在执行过程中保持不变；

每个非精确混合关键任务的优先级/>由速率单调调度策略分配，即非精确混合关键任务/>的优先级和释放周期/>成反比；

所有非精确混合关键任务以互斥访问的方式共享个系统资源/>，即每个资源对应的临界区在同一时间里只允许有且仅有一个任务进行访问，且一个保护资源的临界区不嵌套其他临界区；每个非精确混合关键任务/>具有/>个临界区，/>，/>为整数，其中非精确混合关键任务/>的第/>个临界区/>对应的关键区长度和访问的资源分别对应为和/> ； /> ， />为整数；当/>时，表示非精确混合关键任务/>在第/>个临界区需要访问资源/> ；

要求每个任务的所有临界区的长度之和在/>之前，表示为：

要求每个任务的所有临界区的长度之和在/>之前，表示为：

式中，表示第/>个非精确混合关键任务、/>为所有/>任务组成的任务集、/>为非精确混合关键任务/>的临界区集合、/>为非精确混合关键任务/>的临界区的序号、/>为非精确混合关键任务/>第/>个临界区/>对应的关键区长度、/>为非精确混合关键任务/>在系统高模式下的最坏执行时间、/>为所有/>任务组成的任务集、/>表示非精确混合关键任务/>在系统低模式下的最坏执行时间。

4.根据权利要求1所述的一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法，其特征在于，多处理器平台的双关键层次混合关键系统在非精确混合关键多处理器优先级天花板协议下的执行语义为：

系统初始时以模式启动，即每个处理器/>都以/>模式启动；

当且仅当处理器上的非精确混合关键任务/>满足以下两个条件时，才能开始执行：a、非精确混合关键任务/>优先级/>是当前所有任务中最高优先级；b、非精确混合关键任务/>优先级/>大于动态优先级上限/>；

系统保持模式，当且仅当所有/>任务的执行时间不超过/>；

当有任务的执行时间超过/>时，系统将终止其执行；

当某个任务的执行时间达到/>且未发出执行完成信号时，系统立即切换到/>模式，即所有处理器/>立即从/>模式转换到/>模式；

定义系统发生模式转换的时刻为 ；所有在时刻/>之前释放且在时刻/>之后完成执行的任务作业被称为结转作业；对于/>任务的结转作业，如果其执行时间超过/>但小于 ，那么系统终止其继续执行，直到下一个周期释放新的任务作业，如果其执行时间小于/> ，那么系统将允许其继续执行，直到完成距离/>的剩余执行时间；对于/>任务的结转作业，其执行时间将从/>提升到/> ；所有在时刻/>之后释放的非精确混合关键任务/>都将以最坏执行时间/>执行。

5.根据权利要求1所述的一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法，其特征在于，系统处于低模式时，分配到处理器上的任务集/>的调度可行的充分条件为：

系统处于高模式时，分配到处理器上的任务集/>的调度可行的充分条件为：

系统处于模式转换期间时，分配到处理器上的任务集/>的调度可行的充分条件为：

式中，表示第/>个非精确混合关键任务、/>表示处理器/>的任务集合、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示第/>个非精确混合关键任务、/>表示非精确混合关键任务/>在系统低模式下的最坏执行时间、/>表示非精确混合关键任务/>访问资源时的阻塞时间、/>表示处理器/>上任务优先级大于等于非精确混合关键任务/>优先级/>的任务数量、

表示非精确混合关键任务/>在系统高模式下的最坏执行时间、/>为任务集合里的低关键层次任务组成的任务子集、/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期、/>表示第/>个非精确混合关键任务、/>为任务集合/>里的高关键层次任务组成的任务子集、表示非精确混合关键任务/>在系统高模式下的最坏执行时间。

6.根据权利要求5所述的一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法，其特征在于，对分配到处理器的非精确混合关键任务/>，其访问资源时的最坏情况下的阻塞时间/>为：

对分配到处理器的非精确混合关键任务/>，处理器/>上其他低优先级任务可能在任务/>挂起的时候访问本地资源，从而对非精确混合关键任务/>造成的额外的阻塞；定义该阻塞的时间为第一阻塞时间/> ；

对分配到处理器的非精确混合关键任务/>，其需要访问全局资源时，该资源可能正在被其他处理器上的低优先级任务所访问，因此对非精确混合关键任务/>造成阻塞；定义该阻塞的时间为第二阻塞时间/> ；

对分配到处理器的非精确混合关键任务/>，其挂起以等待全局资源时，可能被其他处理器/>上需要访问相同全局资源的高优先级任务所抢占，而对非精确混合关键任务/>造成额外的阻塞；定义该阻塞的时间为第三阻塞时间/> ；

对分配到处理器的非精确混合关键任务/>，其挂起以等待全局资源时，对非精确混合关键任务/>造成阻塞的任务所在的其它处理器/>上，可能包含更高优先级上限的全局资源，而其它处理器/>上的任务对这些全局资源进行请求时会抢占非精确混合关键任务/>所请求且正在执行的全局资源，因此对非精确混合关键任务/>造成阻塞；定义该阻塞的时间为第四阻塞时间/> ；

对分配到处理器的非精确混合关键任务/>，处理器/>上其他低优先级任务可能在非精确混合关键任务/>挂起的时候请求或访问全局资源，而对非精确混合关键任务/>在执行非临界区代码段时造成额外的阻塞；

定义该阻塞的时间为第五阻塞时间 ；

式中，表示非精确混合关键任务/>访问需要进入临界区以访问全局资源的数量；/>表示非精确混合关键任务/>所在处理器，即处理器/>上优先级低于非精确混合关键任务/>访问本地资源的最长临界区；/>表示其他处理器/>上优先级低于非精确混合关键任务/>访问全局资源的最长临界区；/>表示非精确混合关键任务/>和任务/>访问相同全局资源的数量；/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期；/>表示非精确混合关键任务/>的释放周期；/>表示其他处理器/>上的任务/>，访问全局资源的优先级上限高于任务/>访问全局资源的优先级上限的数量；/>表示非精确混合关键任务/>访问需要进入临界区以访问全局资源的数量。

7.一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度系统，其特征在于，包括处理器、存储器，以及存储在所述存储器内的计算机程序；所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如权利要求1至5任意一项所述的一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至6任意一项所述的一种非精确混合关键任务资源受限的能耗感知调度方法。