本發(fā)明涉及嵌入式系統(tǒng)能耗管理技術領域，具體是一種硬實時系統(tǒng)能耗最優(yōu)方法。

背景技術：

硬實時嵌入式系統(tǒng)在航空航天、通信、電力、機械制造等領域有著廣泛的應用。硬實時系統(tǒng)對時限有嚴格的要求，一旦任務錯誤截止期限，會帶來不可預料的后果，甚至導致嚴重的災難。隨著超大規(guī)模集成技術的快速發(fā)展，處理器的功耗逐漸增大，而采用電池供電的硬實時嵌入式系統(tǒng)，由于電池的體積與容量的限制，導致硬實時嵌入式設備的待機時間受限，這嚴重影響硬實時嵌入式設備的使用。因此，能耗問題成為設計硬實時嵌入式系統(tǒng)的瓶頸。目前絕大多數(shù)商業(yè)處理器和系統(tǒng)設備都能夠支持動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)技術和動態(tài)功耗管理(DPM)技術這兩種低功耗技術，這為降低系統(tǒng)能耗提供了可能。

硬實時嵌入式系統(tǒng)的能耗主要來自處理器和系統(tǒng)設備的能耗。常見的系統(tǒng)設備有LCD、內(nèi)存、硬盤等等?，F(xiàn)有的研究方法主要將處理器能耗和系統(tǒng)設備能耗單獨分開研究，沒有將這兩個主題作為一個整體加以研究。也就是說，現(xiàn)有研究所計算出的處理器速度，僅僅對于處理器或者系統(tǒng)設備是最優(yōu)的，但對于整個系統(tǒng)不是最優(yōu)。針對現(xiàn)有研究方法的不足，提出節(jié)能效果更好，且能夠滿足硬實時系統(tǒng)時限要求的硬實時系統(tǒng)能耗最優(yōu)速度方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種硬實時系統(tǒng)能耗最優(yōu)速度方法，該方法根據(jù)設備的臨界時間，利用DPM技術將設備切換到低功耗狀態(tài)以降低系統(tǒng)能耗。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種硬實時系統(tǒng)能耗最優(yōu)方法，包括：

計算硬實時系統(tǒng)中每個使用設備D_k的臨界時間B_k；其中，k為整數(shù)；

將任務T_i所使用設備的臨界時間按照非降的順序進行排列；其中，i為整數(shù)；

根據(jù)所使用設備的臨界時間，將任務T_i的空閑區(qū)間劃分為m+1個子區(qū)間{I_m,I_m-1,…,I₀}；其中，m為大于等于1的整數(shù)；

分別計算任務T_i的響應時間屬于所述子區(qū)間和不屬于所述子區(qū)間時，執(zhí)行任務T_i所消耗的總能耗E_i(S)；其中，S表示處理器的運行速度；

求取總能耗E_i(S)的最小值，獲得局部最優(yōu)速度

根據(jù)局部最優(yōu)速度計算全局最優(yōu)速度

B_k的計算方法如下：

其中，為設備D_k狀態(tài)轉化的時間開銷，為設備D_k狀態(tài)轉化的能耗開銷，為設備D_k在活躍狀態(tài)的功耗，為設備D_k在休眠狀態(tài)的功耗，max表示求最大值。

的計算方法如下：

其中，表示設備D_k從活躍狀態(tài)切換到休眠狀態(tài)的時間開銷，表示設備D_k從休眠狀態(tài)切換到活躍狀態(tài)的時間開銷。

的計算方法如下：

其中，表示設備D_k從活躍狀態(tài)切換到休眠狀態(tài)的能耗開銷，表示設備D_k從休眠狀態(tài)切換到活躍狀態(tài)的能耗開銷。

所述將任務T_i所使用設備的臨界時間按照非降的順序進行排列，具體表示為：

B₁≤B₂≤…≤B_m≤d_i-c_i

其中，d_i表示任務T_i的相對截止期限，c_i表示任務T_i最壞情況下的執(zhí)行時間，m表示任務T_i在執(zhí)行過程中要使用設備個數(shù)。

所述根據(jù)所使用設備的臨界時間，將任務T_i的空閑區(qū)間劃分為m+1個子區(qū)間{I_m,I_m-1,…,I₀}，包括：

將空閑區(qū)間[c_i,d_i]劃分為m+1個子區(qū)間，劃分方法如下：

{[c_i,d_i-B_m],[d_i-B_m,d_i-B_m-1],…,[d_i-B_i+1,d_i-B_i],…,[d_i-B₁,d_i]}

上述劃分的m+1個子區(qū)間依次與{I_m,I_m-1,…,I₀}中的m+1個子區(qū)間相對應，也就是I_m表示區(qū)間[c_i,d_i-B_m]，I_m-1表示[d_i-B_m,d_i-B_m-1]，I₀表示區(qū)間[d_i-B₁,d_i]等等。

分別計算任務T_i的響應時間屬于所述子區(qū)間和不屬于所述子區(qū)間時，執(zhí)行任務T_i所消耗的總能耗E_i(S)，包括：

當任務T_i的響應時間R_i屬于子區(qū)間I_l時，E_i(S)計算方法如下：

當任務T_i的響應時間R_i不屬于子區(qū)間I_l時，E_i(S)計算方法如下：

其中，l為0≤l≤m之間的整數(shù)；a為與系統(tǒng)相關的常數(shù)，其取值范圍為2≤a≤3；S為處理器的運行速度；d_i表示任務T_i的相對截止期限，c_i表示任務T_i最壞情況下的執(zhí)行時間；為設備D_j在活躍狀態(tài)的功耗，j為1≤j≤m之間的整數(shù)，為設備D_j狀態(tài)轉化的能耗開銷。

所述獲得局部最優(yōu)速度的步驟包括：

求E_i(S)的最小值min(E_i(S))，將min(E_i(S))對變量S進行求導，且將求導的結果設置為0，求解出其中為設備D_j在活躍狀態(tài)的功耗；

當能夠滿足且時，表示任務T_i的響應時間R_i屬于子區(qū)間I_i，求解出的為局部最優(yōu)速度；其中，LL_j和UL_j分別為子區(qū)間I_i的下限和上限；

當不能夠滿足且時，表示任務T_i的響應時間R_i不屬于子區(qū)間I_i，的取值置為

所述根據(jù)局部最優(yōu)速度計算全局最優(yōu)速度具體為：

全局最優(yōu)速度只能在局部最優(yōu)速度以及在確保系統(tǒng)任務滿足截止期限情況下的最低速度S_low中進行選擇，選擇的方法為：

當時，否則，其中，

當且E(S_max)<E_best，否則，其中S_max是處理器能夠提供的最大運行速度，

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)系統(tǒng)能耗的降低，可以降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，延遲設備的使用時間，減少電池的更換周期；

(2)本發(fā)明的方法比現(xiàn)有的方法平均節(jié)約大約43.48％的能耗。

以下結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但本發(fā)明的一種硬實時系統(tǒng)能耗最優(yōu)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任務最壞情況下執(zhí)行時間的仿真實驗結果圖。

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)能耗最優(yōu)方法，包括如下步驟：

步驟101：計算硬實時系統(tǒng)中每個使用設備D_k的臨界時間B_k；

硬實時任務T_i在執(zhí)行過程中要使用設備集{D₁,D₂,…,D_m}，每個設備D_k都存在臨界時間B_k；設備的臨界時間是指當設備能耗平衡的狀態(tài)，也就是說在臨界時間點，利用DPM技術切換設備到低功耗狀態(tài)不會帶來額外的能耗節(jié)約；當設備的空閑時間小于設備的臨界時間時，利用DPM技術將設備切換到低功耗狀態(tài)，反而會提高設備能耗。只有設備空閑時間大于其臨界時間時，利用DPM技術將設備切換到低功耗狀態(tài)，才可以降低設備能耗；設備D_k的臨界時間B_k，其計算方法如下：

其中，為設備D_k狀態(tài)轉化的時間開銷，為設備D_k狀態(tài)轉化的能耗開銷，為設備D_k在活躍狀態(tài)的功耗，為設備D_k在休眠狀態(tài)的功耗，max表示求最大值。

的計算方法如下：

其中，表示設備D_k從活躍狀態(tài)切換到休眠狀態(tài)的時間開銷，表示設備D_k從休眠狀態(tài)切換到活躍狀態(tài)的時間開銷。

的計算方法如下：

其中，表示設備D_k從活躍狀態(tài)切換到休眠狀態(tài)的能耗開銷，表示設備D_k從休眠狀態(tài)切換到活躍狀態(tài)的能耗開銷。

步驟102：將任務T_i所使用設備的臨界時間按照非降的順序進行排列；

將任務T_i所使用設備的臨界時間按照非降的順序進行排列；其處理步驟如下：

B₁≤B₂≤…≤B_m≤d_i-c_i

其中d_i，c_i分別是任務T_i的相對截止期限和最壞情況下的執(zhí)行時間；任務T_i所使用設備的臨界時間必須小于或者等于任務T_i的最大空閑時間d_i-c_i，因為任務完成執(zhí)行時，將不在使用設備，使用設備的時間為其最壞情況下的執(zhí)行時間，而任務的最壞情況下的執(zhí)行時間會比其相對截止期限小。

步驟103：根據(jù)所使用設備的臨界時間，將任務T_i的空閑區(qū)間劃分為m+1個子區(qū)間{I_m,I_m-1,…,I₀}；

將空閑區(qū)間[c_i,d_i]劃分為m+1個子區(qū)間，劃分方法如下：

{[c_i,d_i-B_m],[d_i-B_m,d_i-B_m-1],…,[d_i-B_i+1,d_i-B_i],…,[d_i-B₁,d_i]}

與此相對應的子區(qū)間為{I_m,I_m-1,…,I₀}，也就是I_m表示區(qū)間[c_i,d_i-B_m]，I_m-1表示[d_i-B_m,d_i-B_m-1]，I₀表示區(qū)間[d_i-B₁,d_i]等等。

步驟104：分別計算任務T_i的響應時間屬于所述子區(qū)間和不屬于所述子區(qū)間時，執(zhí)行任務T_i所消耗的總能耗E_i(S)；

當任務T_i的響應時間R_i屬于子區(qū)間I_l時，E_i(S)計算方法如下：

當任務T_i的響應時間R_i不屬于子區(qū)間I_l時，E_i(S)計算方法如下：

其中，l為0≤l≤m之間的整數(shù)；a為與系統(tǒng)相關的常數(shù)，其取值范圍為2≤a≤3；S為處理器的運行速度；d_i，c_i分別是任務T_i的相對截止期限和最壞情況下的執(zhí)行時間；為設備D_j在活躍狀態(tài)的功耗，j為1≤j≤m之間的整數(shù)，為設備D_j狀態(tài)轉化的能耗開銷。的計算方法為：

其中，表示設備D_i從活躍狀態(tài)切換到休眠狀態(tài)的能耗開銷，表示設備D_i從休眠狀態(tài)切換到活躍狀態(tài)的能耗開銷。

步驟105：求取總能耗E_i(S)的最小值，獲得局部最優(yōu)速度

局部最優(yōu)速度其計算方法如下：

求E_i(S)的最小值(1)

且滿足

其中LL_j和UL_j分別為子區(qū)間I_i的下限和上限；其計算方式如下：

LL₀＝d_i-B₁，LL_j＝d_i-B_j+1,,LL_m＝c_i；UL₀＝d_i，UL_m＝d_i-B_m；LL_j＝d_i-B_j

將公式(1)對變量S進行求導，且將求導的結果設置為0，求解出其中為設備D_j在活躍狀態(tài)的功耗。當能夠滿足公式(2)和公式(3)時，也就是當任務T_i的響應時間R_i屬于子區(qū)間I_i，就是局部最優(yōu)速度；當不能夠滿足公式(2)和公式(3)時，也就是當任務T_i的響應時間R_i不屬于子區(qū)間I_i，的取值為其中c_i是任務T_i的最壞情況下的執(zhí)行時間。

步驟106：根據(jù)局部最優(yōu)速度計算全局最優(yōu)速度

全局最優(yōu)速度只能在局部最優(yōu)速度以及在確保系統(tǒng)任務滿足截止期限情況下的最低速度S_low中進行選擇，而其中c_i和d_i分別是任務T_i的最壞情況下的執(zhí)行時間和相對截止期限；全局最優(yōu)速度選擇的方法為：

當時，否則，其中，

當且E(S_max)<E_best，否則，其中S_max是處理器能夠提供的最大運行速度，

如圖2所示，本實施例中，任務T_i的執(zhí)行過程中需要使用4個設備，每個設備活躍狀態(tài)的功耗分別為0.19W，1.3W，0.125W，0.225W；每個設備處于休眠狀態(tài)的功耗分別為0.085W，0.1W，0.001W，0.02W；每個設備的能耗切換開銷分別為0.25W，1W，0.1W，0.2W；每個設備的時間切換開銷為20ms，24ms，2ms，4ms；設置任務T_i的相對截止期限設置為d_i＝44ms，考察其最壞情況下的執(zhí)行時間c_i對算法能耗的影響，c_i的取值范圍從2ms到20ms，其步長為1ms；圖2中比較了兩種方法：第一，MP方法，任務始終以滿足其截止期限需求的最小速度執(zhí)行，設備一直處于活躍狀態(tài)；第二，本發(fā)明方法，任務以最優(yōu)全局速度執(zhí)行，且利用DPM技術關閉閑置設備；以MP方法在任務最壞情況下的執(zhí)行時間等于20ms的能耗為基準進行歸一化。

從圖2中可以看出，所有方法的歸一化能耗都受到任務最壞情況下執(zhí)行時間的影響。當任務最壞情況下執(zhí)行時間增加時，所有方法的歸一化能耗上升。這是因為任務最壞情況下執(zhí)行時間增加，所需的能耗增加；當任務最壞情況下執(zhí)行時間較小時，本發(fā)明方法節(jié)約的能耗更多；隨著任務最壞情況下執(zhí)行時間增加，本發(fā)明方法節(jié)約的能耗逐漸減少，這是因為任務最壞情況下執(zhí)行時間增加，設備可以利用的空閑時間減少，降低系統(tǒng)能耗的機會減少；總之，無論任務最壞情況下執(zhí)行時間怎么變化，本發(fā)明方法的能耗都比MP方法少，經(jīng)過計算可知，本發(fā)明方法比MP方法平均節(jié)約43.48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、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。