CN109739332B - 一种多任务通用能耗优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多任务通用能耗优化方法，包括以下步骤:建立n个服务器模型；确定服务器状态转换规则；确定服务器参数更新规则；根据最早截止期限优先级策略调度服务器；计算任务的执行速度S；一旦处理器空闲时间超过处理器状态切换开销t_o，将处理器切换到低功耗状态，直到有新的任务释放。本发明的方法不需要事先知道任务的任何信息，可以调度任何类型的任务，通过更新服务器利用率以及转换处理器状态，达到降低***能耗的目的。

Description

一种多任务通用能耗优化方法

技术领域

本发明涉及嵌入式***领域能耗优化调度方法，特别涉及一种多任务通用能耗优化方法。

背景技术

嵌入式***在航空航天、工业控制、电力、制造业等行业被广泛使用，不同的应用，导致***的任务类型不同。但这些任务大致可以划分为截止期限限制的周期任务和有响应时间要求的非周期任务；非周期任务可以进一步划分为相邻两个任务实例释放时间间隔有限制且有截止期限需求的偶发任务与没有限制的非周期任务。不管嵌入式***的任务类型怎样，实时性与低能耗都是设计嵌入式***的目标。

现有的能耗优化算法大多数都是只适用单一任务类型的嵌入式***，或者一个多任务类型的嵌入式***需要设计多个算法解决不同类型任务的调度问题。此外，现有的能耗优化算法往往要事先获取任务的类型、周期、最坏情况下执行时间等信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种多任务通用能耗优化方法，该方法利用服务器调度任务，且根据任务的到达与服务器状态确定任务的执行速度，以降低***能耗。

本发明采用如下技术方案：

一种多任务通用能耗优化方法，其特征在于，包括：

建立n个服务器模型；

确定服务器状态转换规则；

确定服务器参数更新规则；

根据最早截止期限优先级策略调度服务器；

计算任务的执行速度S；

一旦处理器空闲时间超过处理器状态切换开销t_o，将处理器切换到低功耗状态，直到有新的任务释放；

所述最早截止期限优先级策略包括：服务器的截止期限越小，其优先级越高，服务器的截止期限越大，其优先级越低；当服务器的截止期限相同时，根据服务器被激活的时间确定优先级，被激活时间越近的，其优先级高，被激活时间越远，其优先级越低；当服务器被激活时间相同时，服务器下标小的优先级高，服务器下标大的，优先级低；优先级高的服务器被优先调度。

所述建立n个服务器模型；包括：

***由n个服务器组成，这n个服务器用SE₁,SE₂,…,SE_n表示；任一服务器SE_i1≤i≤n,i为正整数，包括三元组(U_i,P_i,D_i)，其中U_i是服务器SE_i的利用率，P_i是服务器SE_i的周期，D_i是服务器SE_i的截止期限；每个服务器SE_i可以调度一类任务，这类任务可以是周期任务、偶发任务或非周期任务。

确定服务器状态转换规则，包括：

每个服务器包含三个状态：活跃状态、非活跃状态或挂起状态；初始时服务器处于非活跃状态；在时刻t，当有任务等待执行时，服务器从非活跃状态变成挂起状态；此外，在时刻t之前的所有任务都完成执行，且分配给它的处理器预算没有耗尽，此时服务器依然处于挂起状态；在时刻t，没有等待执行的任务，且处理器预算耗尽，服务器进入非活跃状态；一旦有任务开始执行，服务器进入活跃状态。

确定服务器参数更新规则，包括：

服务器SE_i通过虚拟时间V_i与其周期计算其截止期限；开始时设置V_i＝0和D_i＝0；

当服务器SE_i处于非活跃状态，且任务实例

在时刻

到达时，更新V_i与D_i；此时服务器SE_i进入挂起状态；

当服务器SE_i处于活跃状态，且完成任务实例

的执行，此时如果有新的任务

到达，服务器依然保持活跃状态，更新V_i与D_i；如果没有新的任务调度，服务器SE_i进入挂起状态；

当服务器SE_i的虚拟时间V_i大于***的当前时间t_c时，服务器SE_i进入非活跃状态；

当服务器SE_i处于挂起状态且任务实例

到达，更新其D_i；此时服务器进入活跃状态；

当处理器处于空闲状态时，所有的服务器进入非活跃状态。

计算任务的执行速度S，包括：

当服务器SE_i处于非活跃状态，且任务实例

到达时，任务的执行速度S＝S+U_i，其中S的初始值设置为0；

当服务器SE_i处于挂起状态且虚拟时间V_i等于***的当前时间t_c或者处理器预算耗尽时，任务的执行速度S＝S-U_i。

一旦处理器空闲时间超过处理器状态切换开销t_o，将处理器切换到低功耗状态，直到有新的任务释放，包括：

处理器状态切换开销t_o由下式计算：

t_o＝max{T_o,B_o}

其中，T_o是处理器状态转化的时间开销，B_o是处理器能耗平衡的时间。

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)可以不用事先知道任务的任何信息，适用于任何嵌入式***；

(2)解决一种调度方法只适用一种类型的任务不足，可以同时调度多种类型的任务；

(3)与没有使用节能技术的方法相比节约大约19.43％的能耗，可以降低产品的生产成本。

附图说明

图1为本发明方法的流程图示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图1，本发明的一种多任务通用能耗优化方法，其包括如下步骤：

步骤101：建立n个服务器模型；

***由n个服务器组成，这n个服务器用SE₁,SE₂,…,SE_n表示；任一服务器SE_i(1≤i≤n,i为正整数)由三元组(U_i,P_i,D_i)，其中U_i是服务器SE_i的利用率，P_i是服务器SE_i的周期，D_i是服务器SE_i的截止期限；每个服务器SE_i可以调度一类任务，这类任务可以是周期任务、偶发任务、非周期任务。

步骤102：确定服务器状态转换规则；

每个服务器包含三个状态：活跃状态，非活跃状态，挂起状态；所谓的活跃状态是指服务器正在执行任务；所谓的非活跃状态是指处理器处于空闲状态或者没有任务等待执行或者处理器的预算耗尽；所谓的挂起状态是指有任务等待执行或者服务器已经完成任务的执行但其处理器预算没有耗尽；初始时服务器处于非活跃状态；在时刻t，当有任务等待执行时，服务器从非活跃状态变成挂起状态；此外，在时刻t之前的所有任务都完成执行，且分配给它的处理器预算没有耗尽，此时服务器依然处于挂起状态；在时刻t，没有等待执行的任务，且处理器预算耗尽，服务器进入非活跃状态；一旦有任务开始执行，服务器进入活跃状态。

步骤103：确定服务器参数更新规则；

服务器SE_i通过虚拟时间V_i与其周期计算其截止期限；开始时设置V_i＝0和D_i＝0；

当服务器SE_i处于非活跃状态，且任务实例

在时刻

到达时，更新V_i与D_i，此时服务器SE_i进入挂起状态；V_i和D_i分别由下式计算：

其中，

是任务实例

的到达时间，P_i是服务器SE_i的周期；

当服务器SE_i处于活跃状态，完成任务实例

的执行，此时如果有新的任务

到达，服务器依然保持活跃状态，更新D_i；D_i由下式计算：

D_i＝V_i+P_i；

如果没有新的任务调度，服务器SE_i进入挂起状态；

当服务器SE_i的虚拟时间V_i大于***的当前时间t_c时，服务器SE_i进入非活跃状态；

当服务器SE_i处于挂起状态且任务实例

到达时，j为大于1的正整数，更新其D_i，D_i由下式计算：

D_i＝V_i+P_i；

此时服务器进入活跃状态；

当处理器处于空闲状态时，所有的服务器进入非活跃状态。

步骤104：根据最早截止期限优先级策略调度服务器；

服务器的优先级由其截止期限确定，而服务器的截止期限由服务器的参数更新规则确定；服务器的截止期限越小，其优先级越高；服务器的截止期限越大，其优先级越低；当服务器的截止期限相同时，根据服务器被激活的时间确定优先级；被激活时间越近的，其优先级高；被激活时间越远，其优先级越低；所谓的服务器的被激活时间是指服务器进入活跃状态的时刻；当服务器被激活时间相同时，服务器下标小的优先级高，服务器下标大的，优先级低；优先级高的服务器被优先调度。

步骤105：计算任务的执行速度S；

当服务器SE_i处于非活跃状态，且任务实例

到达时，任务的执行速度S＝S+U_i，其中S的初始值设置为0；

当服务器SE_i处于挂起状态且虚拟时间V_i等于***的当前时间t_c或者处理器预算耗尽时，任务的执行速度S＝S-U_i。

步骤106：一旦处理器空闲时间超过处理器状态切换开销t_o，将处理器切换到低功耗状态，直到有新的任务释放；

一旦处理器空闲时间超过处理器状态切换开销t_o，将处理器切换到低功耗状态，直到有新的任务释放；处理器状态切换开销t_o由下式计算：

t_o＝max{T_o,B_o}

其中，T_o是处理器状态转化的时间开销，B_o是处理器能耗平衡的时间，即当空闲时间没有超过B_o时，将处理器切换到低功耗状态，不仅不能节能，反而增加能耗；只有处理器空闲时间超过B_o时，将处理器切换到低功耗状态才能节能，B_o由下式计算：

其中，E_o是处理器状态转化的能耗开销，P_a和P_s分别是处理器处于活跃模式和休眠模式的功耗。

本实施例中，考虑有4个任务的***，其中任务T₁和任务T₂是偶发任务，任务T₃和任务T₄是周期任务。偶发任务T₁和偶发任务T₂的最小释放间隔分别为8和16。偶发任务T₁的执行时间在1～2之间，偶发任务T₂的执行时间在2～4之间。偶发任务T₁的第一个实例释放时间为0，其执行时间为1，第二个实例的释放时间为10，其执行时间为2；偶发任务T₂的第一个实例释放时间为0，其执行时间为2，第二个实例的释放时间为18，其执行时间为4。周期任务T₃和周期任务T₄的周期分别为4和32。周期任务T₃和周期T₄的执行时间分别为1和8。周期任务T₃和周期任务T₄的第一个实例也在0时刻释放。

在区间[0,32]使用本发明方法调度这4个任务。与这四个任务相对应，设置四个服务器SE₁,SE₂,SE₃,SE₄调度这4个任务。这四个服务器的利用率U₁,U₂,U₃,U₄分别设置为0.25,0.25,0.25,0.25；这四个服务器的周期P₁,P₂,P₃,P₄分别设置为8,16,4,32。在0时刻，服务器SE₁,SE₂,SE₃,SE₄的截止期限分别为8,16,4,32；且此时所有的服务器都进入活跃状态，此时的执行速度S＝1。因此，周期任务T₃开始以执行速度S＝1执行，且在时刻1完成执行，服务器SE₃进入挂起状态；时刻1，偶发任务T₁开始以执行速度S＝1执行，在时刻2完成执行；此时服务器SE₁进入挂起状态；时刻2，偶发任务T₂开始以执行速度S＝1执行，在时刻4完成执行，服务器SE₂进入挂起状态；在时刻4，SE₁进入非活跃状态，此时的执行速度S＝0.75，且在时刻4，周期任务T₃的实例到达，服务器SE₃的截止期限为8且进入活跃状态；所以在时刻4，周期任务T₃以执行速度S＝0.75执行，且在时刻5.33完成执行。在时刻5.33，周期任务T₄以执行速度S＝0.75执行，在时刻8，周期任务T₃的实例到达，服务器SE₃的截止期限为12且进入活跃状态。此时服务器SE₂进入非活跃状态，此时的执行速度为S＝0.5。周期任务T₃以执行速度S＝0.5开始执行，在时刻10完成执行，服务器SE₃进入挂起状态。在时刻10，偶发任务T₁的第二个实例到达，服务器SE₁进入活跃状态，且其截止期限为18，此时的执行速度S＝0.75。在时刻12，周期任务T₃的实例到达，服务器SE₃的截止期限为16且进入活跃状态；周期任务T₃开始以S＝0.75执行，且在时刻13.33完成执行，服务器SE₃进入挂起状态。在时刻13.33，偶发任务T₁继续以S＝0.75执行，且在时刻14完成执行，且服务器SE₁进入挂起状态。在时刻14，周期任务T₄以执行速度S＝0.75执行。在时刻16，周期任务T₃的实例到达，服务器SE₃的截止期限为20且进入活跃状态。此时的执行速度S＝0.75。周期任务T₃以执行速度S＝0.75执行，在时刻17.33完成执行，服务器SE₃进入挂起状态。时刻17.33，周期任务T₄以执行速度S＝0.75执行。在时刻18，偶发任务T₂的第二个实例到达，服务器SE₂进入活跃状态，且其截止期限为34；此时的执行速度S＝1。因此，在时刻18，周期任务T₄继续以执行速度S＝1执行。在时刻20，周期任务T₃的实例到达，服务器SE₃的截止期限为24且进入活跃状态。周期任务T₃以执行速度S＝1执行，在时刻21完成执行，服务器SE₃进入挂起状态。在时刻21，周期任务T₄继续以执行速度S＝1执行，且其在时刻22.95完成执行，服务器SE₄进入挂起状态。在时刻22.95，偶发任务T₂以执行速度S＝1执行。在时刻24，周期任务T₃的实例到达，服务器SE₃的截止期限为28且进入活跃状态。在时刻25，周期任务T₃完成执行，且服务器SE₃进入挂起状态。在时刻25，偶发任务T₂以执行速度S＝1继续执行，且在时刻27.95完成执行，服务器SE₂进入挂起状态。在时刻28，周期任务T₃的实例到达，服务器SE₃的截止期限为32且进入活跃状态。在时刻29，周期任务T₃完成执行，且服务器SE₃进入挂起状态。

经过就算可知，本发明方法比没有使用节能技术的其他方法节约大约19.43％的能耗。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (4)

1.一种多任务通用能耗优化方法，其特征在于，***由n个服务器组成，这n个服务器用SE₁,SE₂,…,SE_n表示；任一服务器SE_i 1≤i≤n,i为正整数，包括三元组(U_i,P_i,D_i)，其中U_i是服务器SE_i的利用率，P_i是服务器SE_i的周期，D_i是服务器SE_i的截止期限；每个服务器SE_i可以调度一类任务，这类任务可以是周期任务、偶发任务或非周期任务包括：

建立n个服务器模型；

确定服务器状态转换规则；

确定服务器参数更新规则，其包括：服务器SE_i通过虚拟时间V_i与其周期计算其截止期限；开始时设置V_i＝0和D_i＝0；

当服务器SE_i处于非活跃状态，且任务实例

在时刻

到达时，更新V_i与D_i，j为大于1的正整数；此时服务器SE_i进入挂起状态；

当服务器SE_i处于活跃状态，且完成任务实例

的执行，此时如果有新的任务

到达，服务器依然保持活跃状态，更新V_i与D_i；如果没有新的任务调度，服务器SE_i进入挂起状态；

当服务器SE_i的虚拟时间V_i大于***的当前时间t_c时，服务器SE_i进入非活跃状态；

当服务器SE_i处于挂起状态且任务实例

到达，更新其D_i；此时服务器进入活跃状态；

当处理器处于空闲状态时，所有的服务器进入非活跃状态；

根据最早截止期限优先级策略调度服务器；

计算任务的执行速度S；

一旦处理器空闲时间超过处理器状态切换开销t_o，将处理器切换到低功耗状态，直到有新的任务释放；

所述最早截止期限优先级策略包括：服务器的截止期限越小，其优先级越高，服务器的截止期限越大，其优先级越低；当服务器的截止期限相同时，根据服务器被激活的时间确定优先级，被激活时间越近的，其优先级高，被激活时间越远，其优先级越低；当服务器被激活时间相同时，服务器下标小的优先级高，服务器下标大的，优先级低；优先级高的服务器被优先调度。

2.根据权利要求1所述的多任务通用能耗优化方法，其特征在于，确定服务器状态转换规则，包括：

每个服务器包含三个状态：活跃状态、非活跃状态或挂起状态；初始时服务器处于非活跃状态；在时刻t，当有任务等待执行时，服务器从非活跃状态变成挂起状态；此外，在时刻t之前的所有任务都完成执行，且分配给它的处理器预算没有耗尽，此时服务器依然处于挂起状态；在时刻t，没有等待执行的任务，且处理器预算耗尽，服务器进入非活跃状态；一旦有任务开始执行，服务器进入活跃状态。

3.根据权利要求1所述的多任务通用能耗优化方法，其特征在于，计算任务的执行速度S，包括：

当服务器SE_i处于非活跃状态，且任务实例

到达时，任务的执行速度S＝S+U_i，其中S的初始值设置为0；

当服务器SE_i处于挂起状态且虚拟时间V_i等于***的当前时间t_c或者处理器预算耗尽时，任务的执行速度S＝S-U_i。

4.根据权利要求1所述的多任务通用能耗优化方法，其特征在于，一旦处理器空闲时间超过处理器状态切换开销t_o，将处理器切换到低功耗状态，直到有新的任务释放，包括：

处理器状态切换开销t_o由下式计算：

t_o＝max{T_o,B_o}

其中，T_o是处理器状态转化的时间开销，B_o是处理器能耗平衡的时间。

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