專利名稱：嵌入式系統(tǒng)的能耗管理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及嵌入式系統(tǒng)能耗管理技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于基于電池供電的嵌入式實(shí)
時(shí)系統(tǒng)的能耗管理。
背景技術(shù)：
在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的高性能帶來(lái)的能耗需求越來(lái)越大，特別是對(duì)于電池 供電的嵌入式系統(tǒng)，越來(lái)越高的能量需求與有限的電池容量之間的矛盾正變得越來(lái)越突 出。因此，如何使嵌入式系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前能耗的提供情況調(diào)整自身行為，適應(yīng)能耗約束變 化，從而提高能耗的利用率已成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。 在現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)低功耗實(shí)現(xiàn)技術(shù)中主要分為靜態(tài)低功耗和動(dòng)態(tài)低功耗技術(shù)， 靜態(tài)低功耗技術(shù)主要是從硬件角度涉及電子元器件；動(dòng)態(tài)低功耗技術(shù)是從軟件的角度來(lái)實(shí) 現(xiàn)的，主要從操作系統(tǒng)、編譯器和嵌入式應(yīng)用程序三個(gè)層次來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)低功耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)。動(dòng) 態(tài)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic VoltageScaling， DVS)技術(shù)提供了一種操作系統(tǒng)級(jí)別的能耗管理能 力，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，越來(lái)越多的現(xiàn)代處理器采用了 DVS技術(shù)。DVS技術(shù)可以根 據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地改變處理器的運(yùn)行電壓和時(shí)鐘頻率，由于頻率與電壓成正比，功耗和電壓的 二次方成正比，降低電壓可以有效地降低功耗，同時(shí)也導(dǎo)致任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間延長(zhǎng)，如果任務(wù) 的執(zhí)行時(shí)間太長(zhǎng)以至于超過(guò)其截止期，那么該任務(wù)的執(zhí)行宣告失敗。并且，研究表明處理器 的執(zhí)行頻率越低，系統(tǒng)的可靠性越低。因此在能耗管理中，要兼顧系統(tǒng)的能耗限制，實(shí)時(shí)性 及可靠性，現(xiàn)有的能耗管理技術(shù)中，如公開號(hào)為CN101515338A的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公布說(shuō) 明書所公開的一種降低嵌入式系統(tǒng)功耗的方法，僅考慮系統(tǒng)的能耗優(yōu)化，而現(xiàn)有技術(shù)中還 未有兼顧系統(tǒng)的能耗限制，實(shí)時(shí)性及可靠性的嵌入式系統(tǒng)能耗管理方法。
人工魚群算法(AFSA)最早是由李曉磊等人在2002年提出的一種新型的尋優(yōu)算 法，該算法模擬魚集群游弋覓食的行為，通過(guò)魚之間的集體協(xié)作使群體達(dá)到最優(yōu)化的目的。
AFSA先初始化一群人工魚，然后通過(guò)迭代搜尋最優(yōu)解。在每次迭代中，人工魚主要 是通過(guò)覓食、聚群和追尾等行為來(lái)更新自己，從而實(shí)現(xiàn)尋優(yōu)，具體行為描述如下
(1)覓食行為指魚循著食物多的方向游動(dòng)的一種行為。人工魚&在其視野內(nèi)隨 機(jī)選擇一個(gè)狀態(tài)Xj，分別計(jì)算它們的目標(biāo)函數(shù)值并比較，如果發(fā)現(xiàn)Yj比1優(yōu)，則Xi向Xj的 方向移動(dòng)一步；否則，Xi繼續(xù)在其視野范圍內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)選擇狀態(tài)Xj，判斷是否滿足前進(jìn)條 件，反復(fù)嘗試try皿mber次之后，仍沒(méi)有滿足前進(jìn)條件，則隨機(jī)移動(dòng)一步使得&到達(dá)一個(gè)新 的狀態(tài)。 (2)聚群行為指每條魚在游動(dòng)過(guò)程中盡量向臨近伙伴的中心移動(dòng)并避免過(guò)分擁
擠的一種尋優(yōu)行為。人工魚Xi搜索其視野內(nèi)的伙伴數(shù)目及中心位置，若伙伴中心位置狀態(tài)
較優(yōu)且不太擁擠，則Xi朝伙伴的中心位置移動(dòng)一步，否則執(zhí)行覓食行為。 (3)追尾行為指魚向其可視域范圍內(nèi)的最優(yōu)方向移動(dòng)的一種行為。人工魚&搜
索其視野內(nèi)的所有伙伴中函數(shù)值最優(yōu)的伙伴，如果最優(yōu)伙伴的周圍不太擁擠，則&朝此伙
伴移動(dòng)一步，否則執(zhí)行覓食行為。
(4)行為選擇根據(jù)所要解決問(wèn)題的性質(zhì)，每條人工魚對(duì)當(dāng)前所處環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)， 從而選擇一種合適的行為執(zhí)行。如先模擬執(zhí)行覓食，聚群，追尾行為，然后評(píng)價(jià)行動(dòng)后的目 標(biāo)函數(shù)的值，選擇最優(yōu)行為執(zhí)行。 (5)公告板在執(zhí)行完一次迭代后將當(dāng)前狀態(tài)與公告板保存的狀態(tài)進(jìn)行比較，若 優(yōu)于公告板中的狀態(tài)則用自身狀態(tài)更新公告板中的狀態(tài)，否則公告板的狀態(tài)不變。當(dāng)整個(gè) 算法的迭代結(jié)束后，輸出公告板的值，即為我們所求的最優(yōu)值。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，為了解決上述問(wèn)題，為此，本發(fā)明提出一種嵌入式系統(tǒng)的能耗管理方
法，兼顧系統(tǒng)的能耗限制、實(shí)時(shí)性及可靠性，在降低嵌入式系統(tǒng)能耗的同時(shí)，保證任務(wù)執(zhí)行 的實(shí)時(shí)性和可靠性。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)的能耗管理方法，包括如下步驟
1)對(duì)于嵌入式系統(tǒng)需執(zhí)行的由n個(gè)實(shí)時(shí)周期任務(wù)組成的任務(wù)集，求解任務(wù)集內(nèi)的 每個(gè)實(shí)時(shí)周期任務(wù)Ti的執(zhí)行頻率&的最優(yōu)解，使得嵌入式系統(tǒng)的可靠性最大化，且執(zhí)行所 有實(shí)時(shí)周期任務(wù)所需的能耗滿足能耗約束條件，且所有實(shí)時(shí)周期任務(wù)滿足時(shí)序約束；
2)嵌入式系統(tǒng)的處理器在執(zhí)行實(shí)時(shí)周期任務(wù)Ti時(shí)，將處理器的頻率設(shè)置為步驟 1)中解得的該實(shí)時(shí)周期任務(wù)的執(zhí)行頻率fi。 進(jìn)一步，所述嵌入式系統(tǒng)的可靠性最大化是指該任務(wù)集內(nèi)的實(shí)時(shí)周期任務(wù)的執(zhí)行
頻率f i滿足下式<formula>formula see original document page 5</formula> 式中<formula>formula see original document page 5</formula> ，其中，e為自然指數(shù)，&表示實(shí)時(shí)周期任務(wù)Tt在最壞情況下
執(zhí)行所需的時(shí)鐘周期數(shù)<formula>formula see original document page 5</formula>，其中，a 。為執(zhí)行頻率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)
瞬時(shí)故障率均值，d為常數(shù)，為系統(tǒng)瞬時(shí)故障對(duì)處理器頻率和電壓的敏感度，fmin為經(jīng)歸一化
處理后的處理器頻率最小值； 進(jìn)一步，所述執(zhí)行所有實(shí)時(shí)周期任務(wù)所需的能耗滿足能耗約束條件是指該任務(wù)集 內(nèi)的實(shí)時(shí)周期任務(wù)的執(zhí)行頻率fi滿足以下約束
<formula>formula see original document page 5</formula> 式中，Ebudgrt為系統(tǒng)能耗約束值，Ei (fi)為執(zhí)行任務(wù)&所需的能耗， <formula>formula see original document page 5</formula>，其中Pindi為執(zhí)行實(shí)時(shí)周期任務(wù)&所需要消耗的與頻率無(wú)關(guān)的動(dòng)態(tài) 功耗，Crf為嵌入式處理器的有效開關(guān)電容； 進(jìn)一步，所述所有實(shí)時(shí)周期任務(wù)滿足時(shí)序約束是指執(zhí)行頻率&滿足以下約束<formula>formula see original document page 5</formula> 式中，&為實(shí)時(shí)周期任務(wù)1\的執(zhí)行截止期； 進(jìn)一步，步驟1)中，使用人工魚群算法對(duì)實(shí)時(shí)周期任務(wù)1\的執(zhí)行頻率&進(jìn)行求 解； 進(jìn)一步，使用人工魚群算法對(duì)實(shí)時(shí)周期任務(wù)1\的執(zhí)行頻率f i進(jìn)行求解具體包括如下步驟 11)初始化人工魚群，人工魚的狀態(tài)數(shù)組X(X" X2， X3， X4 XM)中的每一個(gè)狀態(tài) 值分別對(duì)應(yīng)任務(wù)集中的一個(gè)實(shí)時(shí)周期任務(wù)的執(zhí)行頻率fi ;設(shè)置食物濃度函數(shù)F(X)為 II i^nRi(fi);計(jì)算每條人工魚的獎(jiǎng)賞值； 12)找出魚群中最優(yōu)的人工魚，將其狀態(tài)值記錄到公告板；初始化算法參數(shù)；
13)每條人工魚分別模擬執(zhí)行覓食、追尾、聚群行為，選擇最優(yōu)行為作為該條人工 魚最終執(zhí)行的行為； 14)將步驟13)執(zhí)行行為后的人工魚狀態(tài)與公告板記錄的人工魚的狀態(tài)進(jìn)行比 較，若優(yōu)于公告板中記錄的狀態(tài)則用該人工魚當(dāng)前狀態(tài)更新公告板中的狀態(tài)，否則公告板 記錄的狀態(tài)不變； 15)重復(fù)步驟13、 14)的迭代，直到達(dá)到迭代完成條件，則輸出公告板的記錄的狀 態(tài)，即執(zhí)行頻率fi的最優(yōu)解； 進(jìn)一步，步驟ll)中初始化人工魚群的步驟具體包括 用一個(gè)NXM維的隨機(jī)數(shù)組初始化人工魚群，該數(shù)組的每一行表示一條人工魚，即 該人工魚群具有N條人工魚，每條人工魚包括一由M個(gè)狀態(tài)值組成的狀態(tài)數(shù)組，對(duì)應(yīng)包括M 個(gè)任務(wù)實(shí)時(shí)周期任務(wù)的任務(wù)集；對(duì)每條人工魚進(jìn)行初始化，從人工魚的第一個(gè)狀態(tài)值開始， 依次隨機(jī)分配一個(gè)執(zhí)行頻率，并使得該人工魚對(duì)應(yīng)的任務(wù)集滿足時(shí)序約束和能耗約束條 件； 進(jìn)一步，步驟12)中，初始化算法參數(shù)時(shí)預(yù)設(shè)公告板最優(yōu)值連續(xù)不變化次數(shù)的最 大閾值；步驟15)中，迭代完成條件是指達(dá)到預(yù)設(shè)的公告板最優(yōu)值連續(xù)不變化次數(shù)的最大 閾值。 本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下優(yōu)點(diǎn)兼顧系統(tǒng)的能耗限制、實(shí)時(shí)性及可靠性， 在降低嵌入式系統(tǒng)能耗的同時(shí)，保證任務(wù)執(zhí)行的實(shí)時(shí)性和可靠性；分別選擇合適的能耗、實(shí) 時(shí)性和可靠性約束條件，使所得到的任務(wù)執(zhí)行頻率達(dá)到最優(yōu)；由于具有三個(gè)約束條件，使任 務(wù)執(zhí)行頻率的求解成為一個(gè)具有復(fù)雜約束的非線性組合優(yōu)化問(wèn)題，而使用人工魚群算法對(duì) 任務(wù)執(zhí)行頻率的最優(yōu)解進(jìn)行求解，具有收斂速度快、非劣解質(zhì)量高、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，能快 速，準(zhǔn)確地求得最優(yōu)解。 本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)，和特征在某種程度上將在隨后的說(shuō)明書中進(jìn)行闡述，并 且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可 以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其它優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)下面的說(shuō)明書，權(quán)利要 求書，以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn) 一步的詳細(xì)描述 圖1示出了嵌入式系統(tǒng)的能耗管理方法的流程示意圖；
圖2示出了使用魚群算法求解最佳頻率示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下將參照附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。 首先對(duì)本實(shí)施例所定義的嵌入式系統(tǒng)功耗模型、瞬時(shí)故障模型和任務(wù)模型進(jìn)行詳細(xì)描述。 嵌入式系統(tǒng)功耗模型
嵌入式系統(tǒng)功耗定義如下
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，Ps為靜態(tài)功耗，即嵌入式系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)下的功耗；P^為常數(shù)，表示與處
理器頻率無(wú)關(guān)的動(dòng)態(tài)功耗，如外部存儲(chǔ)器功耗等處理器外設(shè)的功耗；Pd為與處理器頻率相關(guān)的動(dòng)態(tài)功耗，包括處理器的動(dòng)態(tài)功耗，以及其他任何與系統(tǒng)電壓或處理器頻率相關(guān)的功耗，定義如下
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中a ，C^為嵌入式處理器的開關(guān)系數(shù)和負(fù)載電容，Vdd與f分別為嵌入式處理器的工作電壓和頻率。由于Vdd與f成線性關(guān)系，因此Pd可等效為
Pd = Ceff3 (3) 其中Cef為有效開關(guān)電容。式(1)中，&表示嵌入式系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)，若力=1則當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)正在運(yùn)行，若A-O則當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)已關(guān)閉或處于休眠狀態(tài)，此時(shí)嵌入式系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗為零。由此可見，降低處理器的工作頻率可以降低頻率相關(guān)的動(dòng)態(tài)能耗，但由于任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的延長(zhǎng)，嵌入式系統(tǒng)中與頻率無(wú)關(guān)的動(dòng)態(tài)能耗也會(huì)隨之增加。因此，為了降低嵌入式系統(tǒng)的能耗，處理器的工作頻率并不是越低越好，必然存在一個(gè)最佳的工作頻率fra使嵌入式系統(tǒng)能耗最小 <formula>formula see original document page 7</formula>
若處理器工作頻率低于fee，那么系統(tǒng)的能耗將會(huì)增加，甚至比處理器以較高頻率運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)能耗還要大，因此處理器的工作頻率應(yīng)大于任務(wù)執(zhí)行的最佳頻率。 瞬時(shí)故障模型 由于各種因素的影響(如硬件失效，電磁干擾，宇宙射線等)，任務(wù)在執(zhí)行過(guò)程中可能發(fā)生故障并導(dǎo)致任務(wù)執(zhí)行失敗，且瞬時(shí)故障的概率遠(yuǎn)高于永久故障的概率。研究表明系統(tǒng)的瞬時(shí)故障服從泊松分布，且泊松分布的參數(shù)A是處理器頻率的函數(shù)
<formula>formula see original document page 7</formula>
假設(shè)處理器有M個(gè)離散的工作頻率仏，f2，... fM}，其中fmin = 4， f隨=fM(歸一
化，令fMX = 1);則入。為頻率fmax = 1時(shí)對(duì)應(yīng)的均值，因此g(fmax) = 1。 d為常數(shù)，表示瞬時(shí)故障對(duì)處理器頻率和電壓的敏感度。由(5)可知，降低處理器的電壓和頻率會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)瞬時(shí)故障概率的指數(shù)上升。
任務(wù)模型 n個(gè)實(shí)時(shí)周期任務(wù)組成的任務(wù)集為W = {1\，T2，…，！U，各任務(wù)間相互獨(dú)立，在0時(shí)刻均處于就緒狀態(tài)，任務(wù)1\可用五元組表示為{Ci， Pindi， Pi， di， ，其中
(1) &表示1\在最壞情況下執(zhí)行所需的時(shí)鐘周期數(shù)(WCC)。
(2)Pindi表示執(zhí)行任務(wù)1\消耗的與頻率無(wú)關(guān)的動(dòng)態(tài)功耗。
執(zhí)行單個(gè)任務(wù)1\所需能耗為<formula>formula see original document page 8</formula>(6) 當(dāng)頻率為fM時(shí)，任務(wù)1\的能耗最小。 (3) Pi為任務(wù)1\的執(zhí)行周期，&為任務(wù)1\執(zhí)行的截止期，設(shè)截止期&和周期1\相等，如此，當(dāng)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間超過(guò)截止期則該任務(wù)執(zhí)行失敗。
(4)Ri(fi)為任務(wù)1\完成的概率，定義為 (7) 其中，入(fi)由(4)定義，&為1\的執(zhí)行頻率，咖隨著&增大而增大。系統(tǒng)的可靠性為 <formula>formula see original document page 8</formula> (8) 所有任務(wù)均在一個(gè)可變電壓處理器上執(zhí)行，該處理器能在執(zhí)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)地改變處理器的頻率(忽略頻率調(diào)整開銷)，假設(shè)處理器有M個(gè)離散的工作頻率{^，&，…fj，其
中<formula>formula see original document page 8</formula> 該處理器的頻率能在fmin到fmax (歸一化，令fmax = 1)之間任意調(diào)節(jié)(忽略頻率調(diào)節(jié)開銷)，任務(wù)1\在頻率&下的執(zhí)行時(shí)間ti為C乂fi，所需能耗為Ei(fi)。系統(tǒng)的總能耗約束記為Ebudgrt，執(zhí)行所有任務(wù)的總能耗不得超過(guò)Ebudgrt。 綜上，參見圖l，本實(shí)施例的嵌入式系統(tǒng)的能耗管理方法，包括如下步驟
1)對(duì)于嵌入式系統(tǒng)需執(zhí)行的由n個(gè)實(shí)時(shí)周期任務(wù)組成的任務(wù)集，求解任務(wù)集內(nèi)的每個(gè)實(shí)時(shí)周期任務(wù)Ti的執(zhí)行頻率fi的最優(yōu)解，使得嵌入式系統(tǒng)的可靠性最大化，即，所述嵌入式系統(tǒng)的可靠性最大化是指該任務(wù)集內(nèi)的實(shí)時(shí)周期任務(wù)的執(zhí)行頻率4滿足下式
<formula>formula see original document page 8</formula> 式中，《a)^-w4 ,其中，e為自然指數(shù)，&表示實(shí)時(shí)周期任務(wù)&在最壞情況下
執(zhí)行所需的時(shí)鐘周期數(shù)，/iC/;h;U(7;^4io^,其中，入。為執(zhí)行頻率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)瞬時(shí)故障率均值，d為常數(shù)，為系統(tǒng)瞬時(shí)故障對(duì)處理器頻率和電壓的敏感度，fmin為經(jīng)歸一化
處理后的處理器頻率最小值； 且執(zhí)行所有實(shí)時(shí)周期任務(wù)所需的能耗滿足能耗約束條件，S卩，所述執(zhí)行所有實(shí)時(shí)周期任務(wù)所需的能耗滿足能耗約束條件是指該任務(wù)集內(nèi)的實(shí)時(shí)周期任務(wù)的執(zhí)行頻率fi滿足以下約束 <formula>formula see original document page 8</formula> 式中，Ebudgrt為系統(tǒng)能耗約束值，即電池所能提供的能量，Ei(fi)為執(zhí)行任務(wù)&所
無(wú)關(guān)的動(dòng)態(tài)功耗，該值為各個(gè)任務(wù)的固有屬性，Crf為嵌入式處理器的有效開關(guān)電容；
且所有實(shí)時(shí)周期任務(wù)滿足時(shí)序約束，S卩，所述所有實(shí)時(shí)周期任務(wù)滿足時(shí)序約束是
需的能耗，《(y;h4,i+cvQ/;2 ，其中Pindi為執(zhí)行實(shí)時(shí)周期任務(wù)Ti所需要消耗的與頻率指執(zhí)行頻率fi滿足以下約束
W.《一->0;。 式中，&為實(shí)時(shí)周期任務(wù)1\的執(zhí)行截止期； 2)嵌入式系統(tǒng)的處理器在執(zhí)行實(shí)時(shí)周期任務(wù)1\時(shí)，將處理器的頻率設(shè)置為步驟1)中解得的該實(shí)時(shí)周期任務(wù)的執(zhí)行頻率fi。 步驟1)中，對(duì)實(shí)時(shí)周期任務(wù)1\的執(zhí)行頻率&的最優(yōu)解進(jìn)行求解可使用現(xiàn)有技術(shù)中的各種方法，但最佳的，由于該求解為一個(gè)具有復(fù)雜約束的非線性組合優(yōu)化問(wèn)題，因此利用人工魚群算法對(duì)實(shí)時(shí)周期任務(wù)Ti的執(zhí)行頻率fi的最優(yōu)解進(jìn)行求解最為適合，參見圖2，利用人工魚群算法對(duì)實(shí)時(shí)周期任務(wù)1\的執(zhí)行頻率fi的最優(yōu)解進(jìn)行求解具體包括如下步驟
11)用一個(gè)NXM維的隨機(jī)數(shù)組初始化人工魚群，該數(shù)組的每一行表示一條人工魚，即該人工魚群具有N條人工魚，每條人工魚包括一由M個(gè)狀態(tài)值組成的狀態(tài)數(shù)組，對(duì)應(yīng)一個(gè)具有M個(gè)實(shí)時(shí)周期任務(wù)的任務(wù)集，人工魚的狀態(tài)數(shù)組X(^，^，X3，X4…XM)中的每一個(gè)狀態(tài)值分別對(duì)應(yīng)任務(wù)集中的一個(gè)實(shí)時(shí)周期任務(wù)的執(zhí)行頻率4 ;從每條人工魚的第一個(gè)狀態(tài)值開始，依次隨機(jī)分配一個(gè)執(zhí)行頻率，同時(shí)判斷當(dāng)前任務(wù)集是否滿足時(shí)序約束和能耗約束條件，若不滿足則對(duì)執(zhí)行頻率做相應(yīng)調(diào)整，若仍不能滿足，則暫時(shí)放棄當(dāng)前的實(shí)時(shí)周期任務(wù)及其之后的實(shí)時(shí)周期任務(wù)，即將該人工魚中自此之后的執(zhí)行頻率賦值為0 ;設(shè)置食物濃度(收益度)函數(shù)F(X)為11^,1^(4);計(jì)算每條人工魚的獎(jiǎng)賞值； 12)找出魚群中最優(yōu)的人工魚，將其狀態(tài)值記錄到公告板；初始化算法參數(shù)，包括人工魚的視野范圍Vi sual ，擁擠度因子S ，步長(zhǎng)st印，最大試探次數(shù)try皿mber ，公告板最優(yōu)值連續(xù)不變化次數(shù)的最大閾值Maxbetter ;定義人工魚Xt與Xj之間的距離為Distance", Xj) = | X「Xj | +1 X「Xj | ，表示不同時(shí)屬于Xt與X」的元素的個(gè)數(shù)。定義人工魚
Xi視野內(nèi)的人工魚中心位置為L(zhǎng),此一;7l^Z, ，Xj為Xi視野內(nèi)的人工魚(包括Xi)。
77, 」 13)每條人工魚分別模擬執(zhí)行覓食、追尾、聚群行為，選擇最優(yōu)行為作為該條人工魚最終執(zhí)行的行為；每次人工魚狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)檢查該人工魚是否滿足時(shí)序約束和能耗約束條件，若不滿足則將其修正為一個(gè)與當(dāng)前狀態(tài)最相近的可行狀態(tài)值；
覓食行為人工魚Xi在其視野內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)狀態(tài)Xj，即Distance", X》
X —Z
< Visual,若F(Xj) 〉F(Xi)，則向該方向移動(dòng)一步，即:義,=,.!尤_《| +《，否則重新隨
機(jī)選擇其他狀態(tài)Xj，判斷是否滿足前進(jìn)條件，若嘗試try皿mber次后仍不滿足前進(jìn)條件則隨機(jī)移動(dòng)一步，則使得Xi到達(dá)一個(gè)新的狀態(tài)，Xi = Xi+rand， rand為隨機(jī)數(shù)；
追尾行為計(jì)算人工魚Xi視野內(nèi)的所有伙伴魚的收益度，如果收益度最優(yōu)伙伴Xj
一JT
的周圍不太擁擠，則&朝此伙伴移動(dòng)一步，《=^印'-《I + X,，否則執(zhí)行覓食行為；聚群行為人工魚Xi搜索其視野內(nèi)的伙伴數(shù)目rif，及中心位置Xcenter，若F(Xcenter)
>F(X》inf< 5 ，則Xi朝伙伴的中心位置移動(dòng)一步，^ "嘩'^^:^+《，否則執(zhí)行覓食行為；
9
14)將步驟13)執(zhí)行行為并檢查后的人工魚狀態(tài)與公告板記錄的人工魚的狀態(tài)進(jìn)行比較，若優(yōu)于公告板中記錄的狀態(tài)則用該人工魚當(dāng)前狀態(tài)更新公告板中的狀態(tài)，否則公告板記錄的狀態(tài)不變； 15)重復(fù)步驟13、14)的迭代，直到達(dá)到迭代完成條件，本實(shí)施例的迭代完成條件為公告板最優(yōu)值連續(xù)不變化次數(shù)達(dá)到最大閾值Maxbetter，則輸出公告板的記錄的狀態(tài)，即執(zhí)行頻率4的最優(yōu)解。 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
嵌入式系統(tǒng)的能耗管理方法，其特征在于，包括如下步驟1)對(duì)于嵌入式系統(tǒng)需執(zhí)行的由n個(gè)實(shí)時(shí)周期任務(wù)組成的任務(wù)集，求解任務(wù)集內(nèi)的每個(gè)實(shí)時(shí)周期任務(wù)Ti的執(zhí)行頻率fi的最優(yōu)解，使得嵌入式系統(tǒng)的可靠性最大化，且執(zhí)行所有實(shí)時(shí)周期任務(wù)所需的能耗滿足能耗約束條件，且所有實(shí)時(shí)周期任務(wù)滿足時(shí)序約束；2)嵌入式系統(tǒng)的處理器在執(zhí)行實(shí)時(shí)周期任務(wù)Ti時(shí)，將處理器的頻率設(shè)置為步驟1)中解得的該實(shí)時(shí)周期任務(wù)的執(zhí)行頻率fi。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式系統(tǒng)的能耗管理方法，其特征在于所述嵌入式系統(tǒng)的可靠性最大化是指該任務(wù)集內(nèi)的實(shí)時(shí)周期任務(wù)的執(zhí)行頻率fi滿足下式<formula>formula see original document page 2</formula>式中，<formula>formula see original document page 2</formula>,，其中，e為自然指數(shù)，&表示實(shí)時(shí)周期任務(wù)&在最壞情況下執(zhí)行所需的時(shí)鐘周期數(shù)，;iC/;卜yi。gC/;h義。io^,其中，入。為執(zhí)行頻率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)瞬時(shí)故障率均值，d為常數(shù)，為系統(tǒng)瞬時(shí)故障對(duì)處理器頻率和電壓的敏感度，fmin為經(jīng)歸一化處理后的處理器頻率最小值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求i所述的嵌入式系統(tǒng)的能耗管理方法，其特征在于所述執(zhí)行所有實(shí)時(shí)周期任務(wù)所需的能耗滿足能耗約束條件是指該任務(wù)集內(nèi)的實(shí)時(shí)周期任務(wù)的執(zhí)行頻率fi滿足以下約束式中，Ebudgrt為系統(tǒng)能耗約束值，Ei(fi)為執(zhí)行任務(wù)i\所需的能耗，= 4,，其中Pindi為執(zhí)行實(shí)時(shí)周期任務(wù)Ti所需要消耗的與頻率無(wú)關(guān)的動(dòng)態(tài)功耗，crf為嵌入式處理器的有效開關(guān)電容。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式系統(tǒng)的能耗管理方法，其特征在于所述所有實(shí)時(shí)周期任務(wù)滿足時(shí)序約束是指執(zhí)行頻率fi滿足以下約束<formula>formula see original document page 2</formula>式中，di為實(shí)時(shí)周期任務(wù)1\的執(zhí)行截止期。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的嵌入式系統(tǒng)的能耗管理方法，其特征在于步驟1)中，使用人工魚群算法對(duì)實(shí)時(shí)周期任務(wù)1\的執(zhí)行頻率&進(jìn)行求解。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的嵌入式系統(tǒng)的能耗管理方法，其特征在于使用人工魚群算法對(duì)實(shí)時(shí)周期任務(wù)Ti的執(zhí)行頻率&進(jìn)行求解具體包括如下步驟11) 初始化人工魚群，人工魚的狀態(tài)數(shù)組X(^，^，X3，^…XM)中的每一個(gè)狀態(tài)值分別對(duì)應(yīng)任務(wù)集中的一個(gè)實(shí)時(shí)周期任務(wù)的執(zhí)行頻率fi ;設(shè)置食物濃度函數(shù)F(X)為11 i^nRi(fi);計(jì)算每條人工魚的獎(jiǎng)賞值；12) 找出魚群中最優(yōu)的人工魚，將其狀態(tài)值記錄到公告板；初始化算法參數(shù)；13) 每條人工魚分別模擬執(zhí)行覓食、追尾、聚群行為，選擇最優(yōu)行為作為該條人工魚最終執(zhí)行的行為；14) 將步驟13)執(zhí)行行為后的人工魚狀態(tài)與公告板記錄的人工魚的狀態(tài)進(jìn)行比較，若優(yōu)于公告板中記錄的狀態(tài)則用該人工魚當(dāng)前狀態(tài)更新公告板中的狀態(tài)，否則公告板記錄的狀態(tài)不變；15)重復(fù)步驟13、14)的迭代，直到達(dá)到迭代完成條件，則輸出公告板的記錄的狀態(tài)，即執(zhí)行頻率fi的最優(yōu)解。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的嵌入式系統(tǒng)的能耗管理方法，其特征在于步驟11)中初始化人工魚群的步驟具體包括用一個(gè)NXM維的隨機(jī)數(shù)組初始化人工魚群，該數(shù)組的每一行表示一條人工魚，即該人工魚群具有N條人工魚，每條人工魚包括一 由M個(gè)狀態(tài)值組成的狀態(tài)數(shù)組，對(duì)應(yīng)包括M個(gè)任務(wù)實(shí)時(shí)周期任務(wù)的任務(wù)集；對(duì)每條人工魚進(jìn)行初始化，從人工魚的第一個(gè)狀態(tài)值開始，依次隨機(jī)分配一個(gè)執(zhí)行頻率，并使得該人工魚對(duì)應(yīng)的任務(wù)集滿足時(shí)序約束和能耗約束條件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的嵌入式系統(tǒng)的能耗管理方法，其特征在于步驟12)中，初始化算法參數(shù)時(shí)預(yù)設(shè)公告板最優(yōu)值連續(xù)不變化次數(shù)的最大閾值；步驟15)中，迭代完成條件是指達(dá)到預(yù)設(shè)的公告板最優(yōu)值連續(xù)不變化次數(shù)的最大閾值。
全文摘要
本發(fā)明提出一種嵌入式系統(tǒng)的能耗管理方法，特別適用于基于電池供電的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的能耗管理，在降低嵌入式系統(tǒng)能耗的同時(shí)，保證任務(wù)執(zhí)行的實(shí)時(shí)性和可靠性，包括如下步驟對(duì)于嵌入式系統(tǒng)需執(zhí)行的由n個(gè)實(shí)時(shí)周期任務(wù)組成的任務(wù)集，求解任務(wù)集內(nèi)的每個(gè)實(shí)時(shí)周期任務(wù)Ti的執(zhí)行頻率fi的最優(yōu)解，使得嵌入式系統(tǒng)的可靠性最大化，且執(zhí)行所有實(shí)時(shí)周期任務(wù)所需的能耗滿足能耗約束條件，且所有實(shí)時(shí)周期任務(wù)滿足時(shí)序約束；嵌入式系統(tǒng)的處理器在執(zhí)行實(shí)時(shí)周期任務(wù)Ti時(shí)，將處理器的頻率設(shè)置為步驟中解得的該實(shí)時(shí)周期任務(wù)的執(zhí)行頻率fi；在進(jìn)一步的技術(shù)方案中，使用人工魚群算法對(duì)任務(wù)執(zhí)行頻率的最優(yōu)解進(jìn)行求解，具有收斂速度快、非劣解質(zhì)量高、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06F1/32GK101710254SQ20091025094
公開日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者付麗, 劉永鋒, 羅鈞 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)