專利名稱：面向嵌入式系統(tǒng)低功耗實時任務參數(shù)模型調(diào)度方法
技術領域：
本發(fā)明涉及基于嵌入式系統(tǒng)軟件節(jié)能技術領域，特別是涉及一種面向嵌入式系統(tǒng)低功耗實時任務參數(shù)模型調(diào)度方法。
背景技術：
在便攜式嵌入式設備電源管理領域，目前的困難在于既要滿足便攜式終端對電源供電的要求，又要做到占用空間小、重量輕和供電時間更長。下一代消費類電子產(chǎn)品的電源解決方案重點應該集中在硬件和軟件兩方面技術，包括(1)在小巧外形尺寸下，如何實現(xiàn)所需電源性能的工藝和技術，涉及熱管理、降噪、電池管理和功能整合等技術；(2)動態(tài)功率管理技術，它取決于CPU性能、軟件、中間件以及用戶對更換電池的時間間隔等要求；(3)動態(tài)功率管理技術對操作系統(tǒng)內(nèi)核和驅(qū)動器，以及應用編程接口(API)對驅(qū)動器、中間件和應用本身的影響。
現(xiàn)在嵌入式設備的功能變得越來越強大，功能也越來越豐富。隨著嵌入式設備功能越來越多，用戶對嵌入式設備電池的能量需求也越來越高，現(xiàn)有的鋰離子電池已經(jīng)越來越難以滿足消費者對正常使用時間的要求。對此，業(yè)界主要采取兩種方法，一是開發(fā)具備更高能量密度的新型電池技術，如燃料電池，在可以預見的5年內(nèi)，電池技術不可能有很大的突破；二是在電池的能量轉換效率和節(jié)能方面下功夫。在目前新的高能電池技術(如燃料電池)仍不成熟的情況下，下一代手持設備的電源管理只能從提高電源利用率和降低功耗這二個方面著手。
如何延長電池的使用壽命，以及盡量減少電池能量的消耗已經(jīng)成為嵌入式領域的一個研究熱點?，F(xiàn)在主要集中在硬件設計和軟件優(yōu)化兩方面。其中軟件優(yōu)化方面現(xiàn)在主要包括系統(tǒng)軟件和應用軟件兩方面。系統(tǒng)軟件主要集中在編譯器和操作系統(tǒng)內(nèi)核兩塊。
在操作系統(tǒng)領域，現(xiàn)在主要的電源管理方法是利用操作系統(tǒng)內(nèi)核，動態(tài)的調(diào)整系統(tǒng)處理器和總線的頻率，降低系統(tǒng)的整體能耗。而且系統(tǒng)可以通過動態(tài)頻率指令改變系統(tǒng)狀態(tài)，是系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)，以達到節(jié)能的目的。在編譯器方面，現(xiàn)在主要通過編譯器在編譯應用程序階段，對代碼進行優(yōu)化，使代碼盡量的緊湊以及訪問設備盡量集中，以達到節(jié)能的目的。
上面的方法中，實現(xiàn)起來都需要比較繁瑣的過程，而且沒有考慮實時性，在現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)領域的應用存在一定的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種嵌入式系統(tǒng)低功耗實時任務參數(shù)模型調(diào)度方法。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是1)實時任務的時間片調(diào)度當實時任務隊列中，存在多個實時任務時，系統(tǒng)將通過時間片的方式對系統(tǒng)中的任務進行調(diào)度，以滿足各個實時任務的需要；時間片調(diào)度的方式是將處理器的運行時間劃分等分的時間片，當任務在處理器上運行時，只能運行一個時間片長度，當時間片用完后，被強制停止執(zhí)行，換下一個任務執(zhí)行；2)任務還需要執(zhí)行時間計算在實時系統(tǒng)中，一個實時任務它有以下幾個參數(shù)是確定任務的開始時間、實時任務的最終期限、以及任務的運行時間；在本發(fā)明中，任務的運行時間代表了任務還需要執(zhí)行的時間，它隨著任務的執(zhí)行，逐漸減小，每次減少的額度和時間片相等；3)處理器新的運行頻率計算每次調(diào)度結束之后，如果實時任務隊列中還有任務，系統(tǒng)將計算當前情況下面最優(yōu)的處理器頻率，計算公式如下所示f=fmax·Σi=1maxTi.p/(Ti.e-now)]]>其中fmax是處理器的最高執(zhí)行數(shù)度，max是系統(tǒng)中的實時任務數(shù)，Ti是第i個實時任務，Ti.p是第i個實時任務還要執(zhí)行的時間，Ti.e是第i個實時任務的最終期限，Now是系統(tǒng)的現(xiàn)在時間；4)新任務的選擇計算出新的處理執(zhí)行頻率后，系統(tǒng)將選擇下個獲得執(zhí)行的任務，下一個任務的選擇通過計算處理器的頻率比獲得，頻率比最大的任務獲得執(zhí)行的權利，頻率比的計算公式如下所示
fp＝T.p/(T.e-now)其中fp是任務的頻率比，T是實時任務的控制字，T.p是實時任務還要執(zhí)行的時間，T.e是實時任務的最終期限，Now是系統(tǒng)的現(xiàn)在時間；5)處理器頻率設置調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)總實時任務的頻率比計算出一個新的頻率值，當新的頻率值大于現(xiàn)在的頻率時，將處理器的頻率設置成新計算出來的頻率，否則不變。
本發(fā)明與背景技術相比，具有的有益的效果是本發(fā)明將操作系統(tǒng)的實時性和低功耗調(diào)度工作相結合，利用現(xiàn)有操作系統(tǒng)的實時性來保證任務的實時性要求。本發(fā)明通過將低功耗調(diào)度方法融入到實時的任務調(diào)度中，在保證認識實時性的同時，達到低功耗的目的，延長系統(tǒng)電池的使用時間。
(1)實時性應用程序在系統(tǒng)中運行時，調(diào)度算法按照時間片輪換的方法進行調(diào)度，保證了系統(tǒng)的實時性。
(2)穩(wěn)定性操作系統(tǒng)將動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)的權利掌握在自己手中，而不是下放給應用程序，這樣系統(tǒng)就能在兼顧全局的情況下動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的狀態(tài)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。
(3)低功耗性本發(fā)明利用動態(tài)調(diào)頻調(diào)壓技術，通過分析系統(tǒng)的負載，設置系統(tǒng)的處理器運行頻率和內(nèi)核電壓，降低了系統(tǒng)的功耗。


圖1舉例說明本發(fā)明新任務的選擇方式；圖2是整個調(diào)度系統(tǒng)工作的流程圖。
具體實施例方式
在實施嵌入式系統(tǒng)低功耗實時任務參數(shù)模型調(diào)度方法時，操作系統(tǒng)在調(diào)度過程中，考慮了實時和節(jié)能兩個約束。
嵌入式系統(tǒng)低功耗實時任務調(diào)度的簡化方法具體實現(xiàn)流程如下。
1)實時任務的時間片調(diào)度當實時任務隊列中，存在多個實時任務時，系統(tǒng)將通過時間片的方式對系統(tǒng)中的任務進行調(diào)的，以滿足各個實時任務的需要。
時間片調(diào)度的方式是將處理器的運行時間劃分等分的時間片，當任務在處理器上運行時，只能運行一個時間片長度，當時間片用完后，被強制停止執(zhí)行，換下一個任務執(zhí)行。
當處理器上的任務被調(diào)度出去后，調(diào)度器選擇一個新的任務，并分配時間片給這個新的任務。在這個時間片時間內(nèi)，這個任務將占有處理器的資源，直到時間片用完或者任務完成。當任務的時間片用完后，任務將被暫時剝奪使用處理器的權利，這個任務將被放到運行隊列的末尾，等待下一次被調(diào)度到處理器上運行。同時，另外一個任務將被調(diào)度到處理器上執(zhí)行。時間片的輪換保證了所有任務都有運行的機會。
2)任務還需要執(zhí)行時間計算在實時系統(tǒng)中，一個實時任務它有以下幾個參數(shù)是確定任務的開始時間、實時任務的最終期限、以及任務的運行時間。
在本發(fā)明中，任務的運行時間代表了任務還需要執(zhí)行的時間，它隨著任務的執(zhí)行，逐漸減小，每次減少的額度和時間片相等。這樣做可以實時的反應系統(tǒng)中任務對處理器的需求。
任務還需要執(zhí)行時間的計算方式是每次分配給當前任務的時間片用完后，用當前任務控制字中的還需執(zhí)行時間減去時間片的值。
3)處理器新的運行頻率計算每次調(diào)度結束之后，如果實時任務隊列中還有任務，系統(tǒng)將計算當前情況下面最優(yōu)的處理器頻率，計算公式如下所示f=fmax·Σi=1maxTi.p/(Ti.e-now)]]>其中fmax是處理器的最高執(zhí)行數(shù)度，max是系統(tǒng)中的實時任務數(shù)，Ti是第i個實時任務，Ti.p是第i個實時任務還要執(zhí)行的時間，Ti.e是第i個實時任務的最終期限，Now是系統(tǒng)的現(xiàn)在時間；本計算方法首先通過公式 計算了系統(tǒng)的負載情況，然后系統(tǒng)根據(jù)負載的情況計算出能夠滿足各個任務實時性要求的最低處理器頻率。
4)新任務的選擇計算出新的處理執(zhí)行頻率后，系統(tǒng)將選擇下個獲得執(zhí)行的任務，下一個任務的選擇通過計算處理器的頻率比獲得，頻率比最大的任務獲得執(zhí)行的權利，頻率比的計算公式如下所示
fp＝T.p/(T.e-now)其中fp是任務的頻率比，T是實時任務的控制字，T.p是實時任務還要執(zhí)行的時間，T.e是實時任務的最終期限，Now是系統(tǒng)的現(xiàn)在時間。
fp融和了任務的很多特性，可以有效地反映任務的急迫性，重要性和執(zhí)行的時間長度。fp越大，代表著這個任務的急迫性越強，必須得優(yōu)先考慮。
如果在等待隊列里依次選擇任務去執(zhí)行，那么部分緊急的任務可能就會因為未被分到時間片的原因而未完成實時性的要求。如圖1所示，圖1a是實時任務T1的頻率比，圖1b是實時任務T2的頻率比。當實時任務T2到來時，如果處理器全速運行實時任務T2，那么實時任務T2將在期限內(nèi)完成，因為有上面的計算方法作保證，那么在實時任務T2結束后，處理器依然將全速運行實時任務T1也在期限內(nèi)完成。但是由于分時以后實時任務T2開始，到實時任務T2結束這一段時間內(nèi)，雖然處理器以全速運行，但是由于實時任務T1，也被分到了一定時間，那么實時任務T2必將超過期限。當然這是個比較極端的例子，但是類似的情況確實存在的。
5)處理器頻率設置調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)總實時任務的頻率比計算出一個新的頻率值，當新的頻率值大于現(xiàn)在的頻率時，將處理器的頻率設置成新計算出來的頻率，否則不變。
處理器頻率的設置是通過動態(tài)調(diào)頻調(diào)壓DVFS技術完成的。DVFS技術主要解決了一個頻率與內(nèi)核電壓同步調(diào)整的協(xié)同和模塊化問題。使用這個技術的前提是，處理器的負載一直在變，當處理器的利用率較低時，可以通過DVFS技術來降低處理器的頻率，但是不能因此而影響性能。舉個例子，現(xiàn)在系統(tǒng)中只有一個任務，它的執(zhí)行時間需要10個時鐘周期，而它的期限是100個時鐘周期那么可以將處理器的速度調(diào)整到1/10周期每秒的速度。
調(diào)度系統(tǒng)的整體流程圖如圖2所示。
權利要求
1.一種面向嵌入式系統(tǒng)低功耗實時任務參數(shù)模型調(diào)度方法，其特征在于1)實時任務的時間片調(diào)度當實時任務隊列中，存在多個實時任務時，系統(tǒng)將通過時間片的方式對系統(tǒng)中的任務進行調(diào)度，以滿足各個實時任務的需要；時間片調(diào)度的方式是將處理器的運行時間劃分等分的時間片，當任務在處理器上運行時，只能運行一個時間片長度，當時間片用完后，被強制停止執(zhí)行，換下一個任務執(zhí)行；2)任務還需要執(zhí)行時間計算在實時系統(tǒng)中，一個實時任務它有以下幾個參數(shù)是確定任務的開始時間、實時任務的最終期限、以及任務的運行時間；在本發(fā)明中，任務的運行時間代表了任務還需要執(zhí)行的時間，它隨著任務的執(zhí)行，逐漸減小，每次減少的額度和時間片相等；3)處理器新的運行頻率計算每次調(diào)度結束之后，如果實時任務隊列中還有任務，系統(tǒng)將計算當前情況下面最優(yōu)的處理器頻率，計算公式如下所示f=fmax·Σi=1maxTi.p/(Ti.e-now)]]>其中fmax是處理器的最高執(zhí)行數(shù)度，max是系統(tǒng)中的實時任務數(shù)，Ti是第i個實時任務，Ti.p是第i個實時任務還要執(zhí)行的時間，Ti.e是第i個實時任務的最終期限，Now是系統(tǒng)的現(xiàn)在時間；4)新任務的選擇計算出新的處理執(zhí)行頻率后，系統(tǒng)將選擇下個獲得執(zhí)行的任務，下一個任務的選擇通過計算處理器的頻率比獲得，頻率比最大的任務獲得執(zhí)行的權利，頻率比的計算公式如下所示fp＝T.p/(T.e-now)其中fp是任務的頻率比，T是實時任務的控制字，T.p是實時任務還要執(zhí)行的時間，T.e是實時任務的最終期限，Now是系統(tǒng)的現(xiàn)在時間；5)處理器頻率設置調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)總實時任務的頻率比計算出一個新的頻率值，當新的頻率值大于現(xiàn)在的頻率時，將處理器的頻率設置成新計算出來的頻率，否則不變。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種面向嵌入式系統(tǒng)低功耗實時任務參數(shù)模型調(diào)度方法。本發(fā)明提供了一種新的方法用來建模、解決并進行優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)低功耗實時任務調(diào)度問題。本發(fā)明通過利用實時動態(tài)調(diào)頻調(diào)壓技術和實時時間片輪轉模型，達到低功耗實時調(diào)度。該發(fā)明基于一個實用時間片輪轉的任務模型，通過在模型中加入任務的實時性限制來保證任務地實時性。同時任務在執(zhí)行過程中，操作系統(tǒng)使用動態(tài)調(diào)頻調(diào)壓技術，實時地調(diào)整處理器地狀態(tài)，以達到節(jié)能地目的。本發(fā)明根據(jù)系統(tǒng)的負載情況，動態(tài)設置系統(tǒng)處理器的運行頻率和內(nèi)核電壓，改變系統(tǒng)的能耗。本發(fā)明同時根據(jù)系統(tǒng)中各個任務的輕重緩急，將不同的任務放到處理器上執(zhí)行，保證任務的實時性。
文檔編號G06F9/46GK1945498SQ200610053818
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月12日 優(yōu)先權日2006年10月12日
發(fā)明者陳天洲, 黃江偉, 鄭臻煒, 錢杰, 梁曉 申請人:浙江大學