本發(fā)明涉及嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)崟r任務(wù)調(diào)度技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種硬實時系統(tǒng)資源受限偶發(fā)任務(wù)能耗優(yōu)化調(diào)度方法。

背景技術(shù)：

硬實時嵌入式系統(tǒng)在航空航天、通信、電力、機械制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，實時性和可靠性是其基本特征，任務(wù)錯過截止期限將帶來非常嚴(yán)重的后果。目前大多數(shù)硬實時嵌入式系統(tǒng)都是采用電池供電，而電池的容量和體積是有限的。系統(tǒng)能耗的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電池技術(shù)的發(fā)展速度，因此，能耗問題成為嵌入式系統(tǒng)亟待解決的關(guān)鍵問題。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(D VS)技術(shù)和動態(tài)功耗管理(DPM)技術(shù)是目前降低系統(tǒng)能耗的兩種有效的低功耗技術(shù)。

很多研究者將實時調(diào)度理論和低功耗技術(shù)結(jié)合起來加以研究，提出了能耗優(yōu)化調(diào)度算法。但這些研究成果主要集中于相互獨立的周期任務(wù)模型。事實上，在嵌入式系統(tǒng)中，任務(wù)因共享資源而存在著相互依賴的關(guān)系。而目前存在的資源受限的能耗優(yōu)化調(diào)度算法主要針對周期任務(wù)模型，對于偶發(fā)任務(wù)模型的研究比較少。且資源受限周期任務(wù)低能耗調(diào)度算法利用任務(wù)最壞情況下執(zhí)行時間去計算任務(wù)的執(zhí)行速度，沒有充分利用系統(tǒng)的空閑時間，造成系統(tǒng)資源浪費，不能夠適用于偶發(fā)任務(wù)模型。針對這個問題，提出節(jié)能效果更好，且能夠滿足偶發(fā)任務(wù)的實時性要求的硬實時系統(tǒng)資源受限偶發(fā)任務(wù)能耗優(yōu)化調(diào)度方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種硬實時系統(tǒng)資源受限偶發(fā)任務(wù)能耗優(yōu)化調(diào)度方法，該方法根據(jù)任務(wù)實例是否釋放，計算出動態(tài)低速度；利用任務(wù)的真實阻塞時間計算出動態(tài)高速度；回收系統(tǒng)的空閑時間，利用DPM技術(shù)進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種硬實時系統(tǒng)資源受限偶發(fā)任務(wù)能耗優(yōu)化調(diào)度方法，包括：

步驟1，利用單調(diào)速率策略為所有就緒的偶發(fā)任務(wù)分配優(yōu)先級；

步驟2，根據(jù)偶發(fā)任務(wù)T_i是否釋放實例，計算出第一動態(tài)低速度S_L；具體是：

設(shè)置第一動態(tài)低速度S_L＝0，可延遲任務(wù)集DTS＝T，其中T為所有偶發(fā)任務(wù)的集合；

當(dāng)偶發(fā)任務(wù)T_i釋放任務(wù)實例，且其屬于可延遲任務(wù)集DTS時，提高第一動態(tài)低速度S_L，提高的量為任務(wù)T_i的利用率u_i與單調(diào)速率策略調(diào)度n個偶發(fā)任務(wù)可行的利用率上界LLB(n)的比值；并將任務(wù)T_i從可延遲任務(wù)集合中移除；即DTS-＝{T_i}，其中任務(wù)T_i的利用率C_i,P_i分別是任務(wù)T_i的最壞情況下的執(zhí)行時間與最小釋放間隔；

當(dāng)偶發(fā)任務(wù)T_i沒有釋放任務(wù)實例，逝去的時間超過其最小釋放間隔且其不屬于可延遲任務(wù)集DTS時，降低第一動態(tài)低速度S_L，降低的量為任務(wù)T_i的利用率u_i與單調(diào)速率策略調(diào)度n個偶發(fā)任務(wù)可行的利用率上界LLB(n)的比值；并將任務(wù)T_i加入可延遲任務(wù)集合中；即DTS+＝{T_i}，其中任務(wù)T_i的利用率C_i,P_i分別是任務(wù)T_i的最壞情況下的執(zhí)行時間與最小釋放間隔；

當(dāng)處理器空閑時，設(shè)置第一動態(tài)低速度S_L＝0，可延遲任務(wù)集DTS＝T；

步驟3，當(dāng)有新任務(wù)T_j到達(dá)時，判斷新任務(wù)T_j是否被阻塞，并根據(jù)阻塞狀態(tài)以不同的方式執(zhí)行任務(wù)；具體是：

任務(wù)調(diào)度之前，計算出此時的空閑時間，并根據(jù)空閑時間計算出縮放速度；

如果新任務(wù)T_j的優(yōu)先級高于任務(wù)T_i的優(yōu)先級，且新任務(wù)T_j和任務(wù)T_i共享同一資源時，新任務(wù)T_j被任務(wù)T_i阻塞；根據(jù)任務(wù)T_i的真實阻塞時間，計算出此時的第一動態(tài)高速度S_H；取縮放速度與第一動態(tài)高速度S_H中較大者作為第二動態(tài)高速度S_H2；任務(wù)T_i以第二動態(tài)高速度S_H2執(zhí)行直到完成；任務(wù)T_i完成執(zhí)行時，新任務(wù)T_j以第二動態(tài)高速度S_H2執(zhí)行直到完成；

如果新任務(wù)T_j的優(yōu)先級高于任務(wù)T_i的優(yōu)先級，且新任務(wù)T_j和任務(wù)T_i所需的資源不同或者新任務(wù)T_j不需要使用資源時，新任務(wù)T_j沒有被阻塞；取縮放速度與第一動態(tài)低速度S_L中較大者作為第二動態(tài)低速度S_L2；新任務(wù)T_j將搶占任務(wù)T_i的執(zhí)行，且其執(zhí)行速度為第二動態(tài)低速度S_L2；

步驟4，任務(wù)完成執(zhí)行后，如果此時的空閑時間大于處理器狀態(tài)切換開銷t_o，利用動態(tài)功耗管理技術(shù)關(guān)閉處理器；否則，處理器進(jìn)入空閑狀態(tài)。

優(yōu)選的，所述利用單調(diào)速率策略為所有就緒的偶發(fā)任務(wù)分配優(yōu)先級，包括：

將所有就緒的偶發(fā)任務(wù)按照其最小釋放間隔進(jìn)行排序，最小釋放間隔最小的賦予最高優(yōu)先級，最小釋放間隔次小的賦予次高優(yōu)先級，最小釋放間隔最大的賦予最低優(yōu)先級；當(dāng)偶發(fā)任務(wù)的最小釋放間隔相等時，偶發(fā)任務(wù)的到達(dá)時間越早，其優(yōu)先級就越高；當(dāng)偶發(fā)任務(wù)的最小釋放間隔與到達(dá)時間都相等時，偶發(fā)任務(wù)的下標(biāo)小的優(yōu)先級越高。

優(yōu)選的，所述第一動態(tài)高速度S_H用如下方式表示：

其中，t是大于0的實數(shù)，P₁和P_i分別是任務(wù)T₁和任務(wù)T_i的最小釋放間隔，P_k和C_k分別代表任務(wù)T_k的最小釋放間隔和最壞情況下的執(zhí)行時間；LLB(i)是單調(diào)速率策略調(diào)度i個偶發(fā)任務(wù)可行的利用率上界，B′_j是新任務(wù)T_j被任務(wù)T_i阻塞的真實執(zhí)行時間，k是正整數(shù)。

優(yōu)選的，任務(wù)調(diào)度之前的空閑時間用如下方式表示：

其中，rem_i和W_i分別是任務(wù)T_i的可利用時間和最壞情況下剩余執(zhí)行時間；rem_i和W_i的初始值都等于任務(wù)T_i的最壞情況下的執(zhí)行時間，且隨著任務(wù)的執(zhí)行其值不斷地減少，當(dāng)任務(wù)完成執(zhí)行時W_i＝0；

所述縮放速度用如下方式表示：

優(yōu)選的，任務(wù)完成執(zhí)行后的空閑時間的來源包括已經(jīng)完成執(zhí)行的任務(wù)由于提早完成執(zhí)行產(chǎn)生的空閑時間和從當(dāng)前時刻到最近一個新的任務(wù)實例釋放產(chǎn)生的空閑時間；

此時的空閑時間用如下方式表達(dá)：

其中，rem_i和W_i分別是任務(wù)T_i的可利用時間和最壞情況下剩余執(zhí)行時間；rem_i和W_i的初始值都等于任務(wù)T_i的最壞情況下的執(zhí)行時間，且隨著任務(wù)的執(zhí)行其值不斷地減少，當(dāng)任務(wù)完成執(zhí)行時W_i＝0；NT為最近一個任務(wù)實例的釋放時間，t為當(dāng)前的時間。

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)能夠確保偶發(fā)任務(wù)在其截止期限內(nèi)完成執(zhí)行，且能夠確保資源被互斥的使用；

(2)系統(tǒng)能耗的降低，可以降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，延長設(shè)備的使用時間，減少電池的更換周期；

(3)本發(fā)明的方法比現(xiàn)有的方法節(jié)約大約20.86％～45.43％能耗。

以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的一種硬實時系統(tǒng)資源受限偶發(fā)任務(wù)能耗優(yōu)化調(diào)度方法不局限于實施例。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的流程圖示意圖；

圖2為本發(fā)明的實施例歸一化能耗與系統(tǒng)利用率的仿真實驗結(jié)果圖。

具體實施方式

參見圖1，本發(fā)明提供的一種硬實時系統(tǒng)資源受限偶發(fā)任務(wù)能耗優(yōu)化調(diào)度方法，包括如下步驟：

步驟101：利用單調(diào)速率策略為任務(wù)分配優(yōu)先級。

具體的，將所有就緒的偶發(fā)任務(wù)按照其最小釋放間隔進(jìn)行排序，最小釋放間隔最小的賦予最高優(yōu)先級，最小釋放間隔次小的賦予次高優(yōu)先級，以此類推；當(dāng)偶發(fā)任務(wù)的最小釋放間隔相等時，偶發(fā)任務(wù)的到達(dá)時間越早，其優(yōu)先級就越高；當(dāng)偶發(fā)任務(wù)的最小釋放間隔與到達(dá)時間都相等時，偶發(fā)任務(wù)的下標(biāo)小的優(yōu)先級越高。

步驟102：根據(jù)任務(wù)T_i是否釋放實例，計算出第一動態(tài)低速度S_L。

具體的，設(shè)置第一動態(tài)低速度S_L＝0，可延遲任務(wù)集DTS＝T，其中T為所有偶發(fā)任務(wù)的集合；當(dāng)偶發(fā)任務(wù)T_i釋放任務(wù)實例，且其屬于可延遲任務(wù)集DTS時，提高第一動態(tài)低速度S_L，提高的量為任務(wù)T_i的利用率u_i與單調(diào)速率策略調(diào)度n個偶發(fā)任務(wù)可行的利用率上界LLB(n)的比值，且將任務(wù)T_i從可延遲任務(wù)集合中移除；當(dāng)偶發(fā)任務(wù)T_i沒有釋放任務(wù)實例，逝去的時間超過其最小釋放間隔且其不屬于可延遲任務(wù)集DTS，降低第一動態(tài)低速度S_L，降低的量為任務(wù)T_i的利用率u_i與單調(diào)速率策略調(diào)度n個偶發(fā)任務(wù)可行的利用率上界LLB(n)的比值，且將任務(wù)T_i加入可延遲任務(wù)集合中；當(dāng)處理器空閑時，設(shè)置S_L＝0，可延遲任務(wù)集DTS＝T。

本實施例中，具體步驟如下：

1)設(shè)置初始條件DTS＝T，S_L＝0；其中T是資源受限偶發(fā)任務(wù)集合，DTS是集合T的子集，DTS中的任務(wù)釋放任務(wù)實例的時間間隔都大于其相應(yīng)的最小釋放間隔。

2)當(dāng)偶發(fā)任務(wù)T_i釋放任務(wù)實例，且其屬于集合DTS。

設(shè)置其中u_i為任務(wù)T_i的利用率，其值為C_i,P_i分別是任務(wù)T_i的最壞情況下的執(zhí)行時間與最小釋放間隔，其中n為偶發(fā)任務(wù)集中偶發(fā)任務(wù)的個數(shù)；設(shè)置DTS-＝{T_i}，即將偶發(fā)任務(wù)T_i從集合DTS中移除。

3)當(dāng)偶發(fā)任務(wù)T_i在經(jīng)過P_i個時間單位之后還沒有釋放任務(wù)實例且T_i不屬于集合DTS。

設(shè)置DTS+＝{T_i}，即將偶發(fā)任務(wù)T_i加入集合DTS中。

4)假如沒有任務(wù)調(diào)度，也就是處理器處于空閑狀態(tài)時，設(shè)置DTS＝T，S_L＝0。

步驟103：當(dāng)有新任務(wù)T_j到達(dá)時，判斷新任務(wù)T_j是否被阻塞，并根據(jù)阻塞狀態(tài)以不同的方式執(zhí)行任務(wù)。

本實施例中，具體步驟如下：

1)在任務(wù)調(diào)度之前，計算出此時的空閑時間ST；此時的空閑時間ST的計算方法如下：

其中rem_i和W_i分別是任務(wù)T_i的可利用時間和最壞情況下剩余執(zhí)行時間；rem_i和W_i的初始值都等于任務(wù)T_i的最壞情況下的執(zhí)行時間，且隨著任務(wù)的執(zhí)行其值不斷地減少，當(dāng)任務(wù)完成執(zhí)行時W_i＝0；

利用此時的空閑時間ST計算出縮放速度S_temp；縮放速度

2)如果新任務(wù)T_j的優(yōu)先級高于任務(wù)T_i的優(yōu)先級，且新任務(wù)T_j和任務(wù)T_i共享同一資源時，此時新任務(wù)T_j被任務(wù)T_i阻塞；根據(jù)任務(wù)T_i的真實阻塞時間，計算出此時的第一動態(tài)高速度S_H，S_H的計算方法如下：

其中，t是大于0的實數(shù)，P₁和P_i分別是任務(wù)T₁和任務(wù)T_i的最小釋放間隔，P_k和C_k分別代表任務(wù)T_k的最小釋放間隔和最壞情況下的執(zhí)行時間；LLB(i)是單調(diào)速率策略調(diào)度i個偶發(fā)任務(wù)可行的利用率上界，B′_j是新任務(wù)T_j被任務(wù)T_i阻塞的真實執(zhí)行時間，k是正整數(shù)；

將縮放速度S_temp與第一動態(tài)高速度S_H進(jìn)行比較，取第二動態(tài)高速度S_H2為這兩者之間的較大者，即S_H2＝max{S_temp,S_H}；此時任務(wù)T_i以動態(tài)高速度S_H2執(zhí)行直到其完成執(zhí)行；任務(wù)T_i完成執(zhí)行時，新任務(wù)T_j以第二動態(tài)高速度S_H2執(zhí)行直到其完成執(zhí)行。

3)如果新任務(wù)T_j的優(yōu)先級高于任務(wù)T_i的優(yōu)先級，且新任務(wù)T_j和任務(wù)T_i所需的資源不同時，或者新任務(wù)T_j不需要使用資源時，此時新任務(wù)T_j沒有被阻塞，將縮放速度S_temp與第一動態(tài)低速度S_L進(jìn)行比較，取第二動態(tài)低速度S_L2為這兩者之間的最大者，即S_L2＝max{S_temp,S_L}；新任務(wù)T_j將搶占任務(wù)T_i的執(zhí)行，且其執(zhí)行速度為第二動態(tài)低速度S_L2。

步驟104：任務(wù)完成執(zhí)行后，如果此時的空閑時間ST大于處理器狀態(tài)切換開銷t_o，利用動態(tài)功耗管理技術(shù)關(guān)閉處理器；否則，處理器進(jìn)入空閑狀態(tài)。

具體的，任務(wù)完成執(zhí)行后，如果此時沒有新的任務(wù)到達(dá)，計算出此時的空閑時間ST，空閑時間的來源主要包括兩個部分：其一，已經(jīng)完成執(zhí)行的任務(wù)由于提早完成執(zhí)行產(chǎn)生的空閑時間；其二，從此刻到最近一個新的任務(wù)實例釋放產(chǎn)生的空閑時間；此時的空閑時間ST的計算方法如下：

其中NT為最近一個任務(wù)實例的釋放時間，t為此時的時間。

判斷ST是否大于處理器狀態(tài)切換開銷t_o的步驟如下：

當(dāng)ST>t_o，利用動態(tài)功耗管理技術(shù)關(guān)閉處理器；

當(dāng)ST≤t_o，處理器進(jìn)入空閑狀態(tài)。

如圖2所示為本發(fā)明的實施例歸一化能耗與系統(tǒng)利用率的仿真實驗結(jié)果圖。本實施例中，每個偶發(fā)任務(wù)集包含15個偶發(fā)任務(wù)。在這15個任務(wù)中隨機選取7個任務(wù)在執(zhí)行過程中需要訪問資源。偶發(fā)任務(wù)T_i的最小釋放間隔P_i從[10,1000]中隨機選擇，其最壞情況下的執(zhí)行時間(WCET)從區(qū)間[1,P_i]中隨機選擇。在偶發(fā)任務(wù)集產(chǎn)生后，通過調(diào)整任務(wù)最壞情況下的執(zhí)行時間，使系統(tǒng)利用率不超過給定的值。偶發(fā)任務(wù)的關(guān)鍵區(qū)和非關(guān)鍵區(qū)隨機選擇。最大的關(guān)鍵區(qū)長度Z_i,j等于bf*WCET，其中bf為阻塞因子，其值為關(guān)鍵區(qū)的長度占WCET的百分比。通過修改任務(wù)的最壞情況下執(zhí)行時間與最好情況下執(zhí)行時間(BCET)的比值來確定任務(wù)的真實執(zhí)行時間，真實時間服從[BCET,WCET]的均勻分布。設(shè)置bf＝0.15，處理器狀態(tài)切換開銷t_o＝0.2，任務(wù)最壞情況下執(zhí)行時間與最好情況下執(zhí)行時間的比值考察系統(tǒng)利用率對算法能耗的影響，系統(tǒng)利用率的范圍為0.15到0.65，步長為0.05。圖2中比較了三種方法，第一，雙速度(DS)方法，任務(wù)以靜態(tài)低速度執(zhí)行或者靜態(tài)高速度執(zhí)行。第二，靜態(tài)資源受限偶發(fā)任務(wù)能耗優(yōu)化(STSST)方法，任務(wù)能夠以動態(tài)低速度或者動態(tài)高速度執(zhí)行，但不能利用任務(wù)提早完成產(chǎn)生的空閑時間，且不能利用DPM技術(shù)降低能耗；第三，本發(fā)明的方法，任務(wù)不僅以動態(tài)低速度或者動態(tài)高速度執(zhí)行，而且能夠利用任務(wù)提早完成產(chǎn)生的空閑時間降低系統(tǒng)能耗，且在處理器處于空閑狀態(tài)時，能夠利用DPM技術(shù)進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗。以DS方法在系統(tǒng)利用率為0.65的能耗為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化。

從圖2中可以看出，所有方法的歸一化能耗都受到系統(tǒng)利用率的影響。當(dāng)系統(tǒng)利用率增加時，所有算法的歸一化能耗上升。這是因為系統(tǒng)利用率增加，任務(wù)的執(zhí)行時間變長，而且任務(wù)的執(zhí)行速度也增加。當(dāng)系統(tǒng)利用率低于0.3時，DS方法和STSST方法的歸一化能耗相同，這是因為這兩個算法中所計算的速度都低于處理器的關(guān)鍵速度(關(guān)鍵速度是處理器能耗最優(yōu)的速度，在這里關(guān)鍵速度的值為0.3)，而任務(wù)最終都以關(guān)鍵速度執(zhí)行。注意到本發(fā)明的方法的歸一化能耗低于其他方法的歸一化能耗，這主要得益于本發(fā)明的方法不僅利用DVS技術(shù)降低能耗，而且利用DPM技術(shù)降低能耗。當(dāng)系統(tǒng)利用率大于0.3時，本發(fā)明方法的能耗依然低于其他方法的能耗?？傊?，本發(fā)明的方法與STSST方法相比節(jié)約20.86％～45.43％的能耗，與DS方法相比節(jié)約40.45％～57.96％的能耗。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。