CN109597378A - 一种资源受限混合任务能耗感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种资源受限混合任务能耗感知方法，包括以下步骤:建立资源受限混合任务实时调度模型；设置分配非周期任务的截止期限，将其与周期任务一起调度，且利用栈资源协议确保资源互斥访问；计算资源受限能耗最佳速度S_o；计算***产生的动态空闲时间I；确定周期任务的执行速度S_i且非周期任务以最大处理器速度执行；利用动态功耗管理技术将处理器速度切换至低功耗状态。本发明方法不仅能够回收周期任务提早完成产生的空闲时间和服务器产生的空闲时间，确保资源能够被互斥访问；而且能够利用动态功耗管理技术将处理器速度切换至低功耗状态节约更多的能耗；本发明方法的能耗与响应时间的乘积比现有的混合任务低功耗调度方法低7.18％。

Description

一种资源受限混合任务能耗感知方法

技术领域

本发明涉及实时***领域混合任务能耗感知实时调度，具体的说是一种资源受限混合任务能耗感知方法。

背景技术

数控***是一种典型的实时***。数控***包含有截止期限限制的硬实时周期任务和有响应时间要求的非周期任务。对于数控***而言必须要确保硬实时周期任务能够在其截止期限内完成执行，然后尽量降低非周期任务的响应时间。由于数控***功能的增加，且随着CMOS技术的快速发展，数控***的能耗越来越高，所以能耗也成为设计数控***的一个重要目标。

数控***的周期任务之间往往都需要共享***资源。由于资源必须互斥访问，这就导致会发生优先级逆转问题。现有的混合任务低功耗调度方法，没有考虑资源共享问题，仅仅利用简单的协议确保资源互斥访问，且对***空闲时间的利用效率低下，导致***的能耗过高，已不能适应数控***的发展需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有混合任务低功耗调度方法的不足之处，提供一种资源受限混合任务能耗感知方法，考虑了资源共享问题；利用栈资源协议确保资源互斥访问，计算出资源受限最佳速度，充分利用***产生的静态空闲时间；此外，还能够回收***产生的动态空闲时间，利用DVS技术和DPM技术，有效地降低***能耗。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种资源受限混合任务能耗感知方法，包括以下步骤：

建立资源受限混合任务实时调度模型；

设置分配非周期任务的截止期限，将其与周期任务一起调度，且利用栈资源协议确保资源互斥访问；

计算资源受限能耗最佳速度S_o；

计算***产生的动态空闲时间I；

确定周期任务的执行速度S_i且非周期任务以最大处理器速度执行；

利用动态功耗管理技术将处理器速度切换至低功耗状态；

所述建立资源受限混合任务实时调度模型，包括：

混合任务包括周期任务集和非周期任务集；周期任务集由n个硬实时周期任务组成，其中n是正整数；硬实时周期任务由T_i表示，其中i是整数，其取值范围为1≤i≤n；周期任务共享m个可重复利用的资源R_l，其中m和l是正整数，l的取值范围为1≤l≤m；非周期任务由J_k表示，其中k是大于1的正整数；周期任务T_i由三元组(p_i,e_i,r_i)表示，其中p_i是周期任务T_i的周期；e_i是周期任务T_i最坏情况下的执行时间；r_i是周期任务T_i的资源需求；非周期任务J_k由二元组(A_k,C_k)表示，其中A_k是非周期任务J_k的释放时间；C_k是非周期任务J_k的平均执行时间；

所述设置分配非周期任务的截止期限，将其与周期任务一起调度，且利用栈资源协议确保资源互斥访问，包括：

将非周期任务的截止期限初始化为d₀＝0，且服务器的截止期限也设置为0；根据以下的规则更新非周期任务的截止期限：

当服务器的预算q_s＝0，设置q_s＝Q_s，非周期任务的截止期限设置为d_k+T_s，其中Q_s为服务器的最大预算，T_s为服务器的周期，d_k为当前服务器的截止期限；

当服务器处于空闲状态，非周期任务到达时，且服务器的预算满足q_s≥(d_k-A_k)·U_s，设置q_s＝Q_s，非周期任务的截止期限设置为d_k+T_s，其中，U_s为服务器带宽，A_k是非周期任务J_k的释放时间；否则，非周期任务的截止期限设置为d_k；

所述将非周期任务与周期任务一起调度，包括：

非周期任务与周期任务都是根据截止期限分配优先级；截止期限越近，其优先级越高；截止期限越远，其优先级越低；截止期限相同，释放时间越早，其优先级越高；释放时间越晚，其优先级越低；截止期限与优先级都相同时，任务下标小的优先级越高；高优先级的任务优先被调度；

所述栈资源协议确保资源互斥访问，包括：

当任务执行过程中没有访问资源，其优先级保持不变；当访问资源时，其优先级变成使用该资源任务的最高优先级；当任务释放资源之后，其优先级恢复到原来的优先级；

所述计算***产生的动态空闲时间I，由下式表示：

I＝I_h+I_c

其中，I_c为服务器所产生的空闲时间；I_h为周期任务提早完成所产生的空闲时间，I_h由

下式表示：

其中，M_i是任务T_i的剩余执行时间，P(T_i,t)是在时刻t已经完成执行且优先级比任务T_i优先级高的任务集合；

所述利用动态功耗管理技术将处理器速度切换至低功耗状态，其处理步骤如下：

当处理器处于空闲状态时，且此时动态空闲时间I大于切换处理器状态的时间开销时，利用动态功耗管理技术将处理器切换到低功耗状态；否则，处理器保持空闲状态。

优选的，所述资源受限能耗最佳速度S_O的计算方法如下：

S_o＝max{S_crit,S_T}

其中，S_crit为处理器能耗最优的运行速度；S_T为资源受限情况下的最优速度，S_T的值表示为：

其中，D_min为资源受限下的处理器需求。

优选的，所述周期任务的执行速度S_i的计算方法如下：

其中，W_i为任务T_i的最坏情况下的剩余执行时间。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明方法结合了DVS和DPM两种低功耗技术，能够高效地回收利用空闲时间，且其***能耗与响应时间的乘积比现有的混合任务低功耗调度方法低7.18％。

(2)***能耗与非周期任务响应时间乘积的降低，有助于提高***的可靠性，改善***的性能，减少***出错的概率。

(3)***能耗与非周期任务响应时间乘积的降低，可以降低产品的生产成本，有助于提高企业的竞争力。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种资源受限混合任务能耗感知方法不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明方法处理步骤流程图；

图2为归一化能耗与非周期任务响应时间乘积与非周期任务负载的仿真实验结果图。

具体实施方式

以下将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述和讨论。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1所示，本发明一种资源受限混合任务能耗感知方法，包括如下步骤：

步骤101：建立资源受限混合任务实时调度模型。

具体的，混合任务包括周期任务集和非周期任务集；周期任务集由n个硬实时周期任务组成，其中n是正整数；硬实时周期任务由T_i表示，其中i是整数，其取值范围为1≤i≤n；周期任务共享m个可重复利用的资源R_l，其中m和l是正整数，l的取值范围为1≤l≤m；非周期任务由J_k表示，其中k是大于1的正整数；周期任务T_i由三元组(p_i,e_i,r_i)表示，其中p_i是周期任务T_i的周期；e_i是周期任务T_i最坏情况下的执行时间；r_i是周期任务T_i的资源需求；当r_i＝0；周期任务T_i没有资源需求，也就是说它在执行过程中不需要访问资源，且没有优先级逆转问题；当r_i≠0；周期任务T_i在执行过程中需要访问资源，当该资源被其他任务占用时，周期任务T_i被阻塞，直到该资源被释放；非周期任务J_k由二元组(A_k,C_k)表示，其中A_k是非周期任务J_k的释放时间；C_k是非周期任务J_k的平均执行时间。

步骤102：设置分配非周期任务的截止期限，将其与周期任务一起调度，且利用栈资源协议确保资源互斥访问。

具体的，将非周期任务的截止期限初始化为d₀＝0，且服务器的截止期限也设置为0；根据以下的规则更新非周期任务的截止期限：

当服务器的预算q_s＝0，设置q_s＝Q_s，非周期任务的截止期限设置为d_k+T_s，其中Q_s为服务器的最大预算，T_s为服务器的周期，d_k为当前服务器的截止期限；

当服务器处于空闲状态，非周期任务到达时，且服务器的预算满足q_s≥(d_k-A_k)·U_s，设置q_s＝Q_s，非周期任务的截止期限设置为d_k+T_s，其中d_k为当前服务器的截止期限，U_s为服务器带宽，其值为Q_s为服务器的最大预算，T_s为服务器的周期，A_k是非周期任务J_k的释放时间；否则，非周期任务的截止期限设置为d_k；

所述将非周期任务与周期任务一起调度，包括：

非周期任务与周期任务都是根据截止期限分配优先级；截止期限越近，其优先级越高；截止期限越远，其优先级越低；截止期限相同，释放时间越早，其优先级越高；释放时间越晚，其优先级越低；截止期限与优先级都相同时，任务下标小的优先级越高；高优先级的任务优先被调度；

所述栈资源协议确保资源互斥访问，包括：

当任务执行过程中没有访问资源，其优先级保持不变；当访问资源时，其优先级变成使用该资源任务的最高优先级；当任务释放资源之后，其优先级恢复到原来的优先级；

步骤103：计算资源受限能耗最佳速度S_o。

所述资源受限能耗最佳速度S_O由下式计算：

S_o＝max{S_crit,S_T}

其中，S_crit为处理器能耗最优的运行速度，S_T为资源受限情况下的最优速度，其值表示为：

其中，U_s为服务器带宽，其值为Q_s为服务器的最大预算，T_s为服务器的周期；

D_min为资源受限下的处理器需求。

先将周期任务按照其周期进行非降序排列，也就是T₁≤T₂≤…≤T_n，再由下式计算D_min：

其中，p_i是周期任务T_i的周期；e_i是周期任务T_i最坏情况下的执行时间；B_k是任务T_k的最大阻塞时间，k,i是正整数。

步骤104：计算***产生的动态空闲时间I；

***产生的动态空闲时间I，其由下式计算：

I＝I_h+I_c

其中，I_c为服务器所产生的空闲时间，I_h为周期任务提早完成所产生的空闲时间。

I_h由下式计算：

其中，M_i是任务T_i的剩余执行时间，P(T_i,t)是在时刻t已经完成执行且优先级比任务T_i优先级高的任务集合。

当服务器处于空闲状态，也就是服务器没有调度非周期任务时；或者服务器调度非周期任务但非周期任务的负载低于服务器的利用率时，这时服务器会产生空闲时间。在两个相邻的调度点，也就是区间[t_i-1,t_i]，其中t_i-1和t_i分别表示任务的上一个调度点和当前的调度点。当服务器处于空闲状态时，这时服务器产生的空闲时间I_c＝U_s·(t_i-t_i-1)，其中U_s为服务器的带宽，其值为Q_s为服务器的最大预算，T_s为服务器的周期；否则，服务器产生的空闲时间I_c＝U_s·(t_i-t_i-1)-C_ap，其中C_ap为非周期任务在区间[t_i-1,t_i]已经执行的时间片的总和。

步骤105：确定周期任务的执行速度S_i且非周期任务以最大处理器速度执行。

周期任务的执行速度S_i的计算公式如下：

其中，W_i为周期任务T_i的最坏情况下的剩余执行时间，I为***产生的动态空闲时间，M_i是周期任务T_i的剩余执行时间，S_crit为处理器能耗最优的运行速度，S_o为资源受限能耗最佳速度，非周期任务始终以最大的处理器速度执行；

步骤106：利用动态功耗管理技术将处理器速度切换至低功耗状态；

当处理器处于空闲状态时，且此时动态空闲时间I大于切换处理器状态的时间开销时，利用动态功耗管理技术将处理器切换到低功耗状态；否则，处理器保持空闲状态。

参见图2所示，设置周期任务集利用率为0.4，服务器带宽为0.4，考察非周期任务的负载对归一化能耗与非周期任务响应时间乘积的影响。在图2中比较了三种方法，第一，没有使用节能技术的BL方法；第二，SMTS方法，该方法利用栈资源协议确保资源互斥访问，周期任务始终以资源受限能耗最佳速度执行，非周期任务始终以最大的处理器速度运行；第三，本发明的方法，该方法利用栈资源协议确保资源互斥访问，回收***产生的动态空闲时间，利用了DVS降低周期任务的执行速度，且非周期任务始终以最大的处理器速度运行，并且在处理器处于空闲状态时，利用DPM技术进一步降低***的能耗。从图2可以看出，随着非周期任务负载的增加，SMTS方法和本发明方法的归一化能耗与非周期任务响应时间乘积降低。这是因为，SMTS方法和本发明方法能耗增加的速度低于BL方法。不管非周期任务负载如何变化，本发明方法的归一化能耗与非周期任务响应时间乘积始终低于其他方法。这是因为本发明方法不仅利用了DVS技术节能，而且还利用了DPM技术来降低能耗。经过计算可知,本发明方法的能耗与响应时间的乘积比SMTS方法低7.18％。

以上仅为本发明实例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种资源受限混合任务能耗感知方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立资源受限混合任务实时调度模型；

设置分配非周期任务的截止期限，将其与周期任务一起调度，且利用栈资源协议确保资源互斥访问；

计算资源受限能耗最佳速度S_o；

计算***产生的动态空闲时间I；

确定周期任务的执行速度S_i且非周期任务以最大处理器速度执行；

利用动态功耗管理技术将处理器速度切换至低功耗状态；

所述建立资源受限混合任务实时调度模型，包括：

混合任务包括周期任务集和非周期任务集；周期任务集由n个硬实时周期任务组成，其中n是正整数；硬实时周期任务由T_i表示，其中i是整数，其取值范围为1≤i≤n；周期任务共享m个可重复利用的资源R_l，其中m和l是正整数，l的取值范围为1≤l≤m；非周期任务由J_k表示，其中k是大于1的正整数；周期任务T_i由三元组(p_i,e_i,r_i)表示，其中p_i是周期任务T_i的周期；e_i是周期任务T_i最坏情况下的执行时间；r_i是周期任务T_i的资源需求；非周期任务J_k由二元组(A_k,C_k)表示，其中A_k是非周期任务J_k的释放时间；C_k是非周期任务J_k的平均执行时间；

所述设置分配非周期任务的截止期限，将其与周期任务一起调度，且利用栈资源协议确保资源互斥访问，包括：

将非周期任务的截止期限初始化为d₀＝0，且服务器的截止期限也设置为0；根据以下的规则更新非周期任务的截止期限：

当服务器的预算q_s＝0，设置q_s＝Q_s，非周期任务的截止期限设置为d_k+T_s，其中Q_s为服务器的最大预算，T_s为服务器的周期，d_k为当前服务器的截止期限；

当服务器处于空闲状态，非周期任务到达时，且服务器的预算满足q_s≥(d_k-A_k)·U_s，设置q_s＝Q_s，非周期任务的截止期限设置为d_k+T_s，其中，U_s为服务器带宽，A_k是非周期任务J_k的释放时间；否则，非周期任务的截止期限设置为d_k；

所述将非周期任务与周期任务一起调度，包括：

非周期任务与周期任务都是根据截止期限分配优先级；截止期限越近，其优先级越高；截止期限越远，其优先级越低；截止期限相同，释放时间越早，其优先级越高；释放时间越晚，其优先级越低；截止期限与优先级都相同时，任务下标小的优先级越高；高优先级的任务优先被调度；

所述栈资源协议确保资源互斥访问，包括：

当任务执行过程中没有访问资源，其优先级保持不变；当访问资源时，其优先级变成使用该资源任务的最高优先级；当任务释放资源之后，其优先级恢复到原来的优先级；

所述计算***产生的动态空闲时间I，由下式表示：

I＝I_h+I_c

其中，I_c为服务器所产生的空闲时间；I_h为周期任务提早完成所产生的空闲时间，

I_h由下式表示：

其中，M_i是任务T_i的剩余执行时间，P(T_i,t)是在时刻t已经完成执行且优先级比任务T_i优先级高的任务集合；

所述利用动态功耗管理技术将处理器速度切换至低功耗状态，其处理步骤如下：

当处理器处于空闲状态时，且此时动态空闲时间I大于切换处理器状态的时间开销时，利用动态功耗管理技术将处理器切换到低功耗状态；否则，处理器保持空闲状态。

2.根据权利要求1所述的资源受限混合任务能耗感知方法，其特征在于，所述资源受限能耗最佳速度S_O的计算方法如下：

S_o＝max{S_crit,S_T}

其中，S_crit为处理器能耗最优的运行速度；S_T为资源受限情况下的最优速度，S_T的值表示为：

其中，D_min为资源受限下的处理器需求。

3.根据权利要求2所述的资源受限混合任务能耗感知方法，其特征在于，所述周期任务的执行速度S_i的计算方法如下：

其中，W_i为任务T_i的最坏情况下的剩余执行时间。