本發(fā)明涉及嵌入式系統(tǒng)能耗管理技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)能耗最優(yōu)方法。

背景技術(shù)：

硬實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)在航空航天、通信、電力、機(jī)械制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)時(shí)限有嚴(yán)格的要求，一旦任務(wù)錯(cuò)誤截止期限，會(huì)帶來(lái)不可預(yù)料的后果，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的災(zāi)難。隨著超大規(guī)模集成技術(shù)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(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)，由于電池的體積與容量的限制，導(dǎo)致硬實(shí)時(shí)嵌入式設(shè)備的待機(jī)時(shí)間受限，這嚴(yán)重影響硬實(shí)時(shí)嵌入式設(shè)備的使用。因此，能耗問(wèn)題成為設(shè)計(jì)硬實(shí)時(shí)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(shè)備都能夠支持動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)技術(shù)和動(dòng)態(tài)功耗管理(DPM)技術(shù)這兩種低功耗技術(shù)，這為降低系統(tǒng)能耗提供了可能。

硬實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的能耗主要來(lái)自處理器和系統(tǒng)設(shè)備的能耗。常見(jiàn)的系統(tǒng)設(shè)備有LCD、內(nèi)存、硬盤(pán)等等?，F(xiàn)有的研究方法主要將處理器能耗和系統(tǒng)設(shè)備能耗單獨(dú)分開(kāi)研究，沒(méi)有將這兩個(gè)主題作為一個(gè)整體加以研究。也就是說(shuō)，現(xiàn)有研究所計(jì)算出的處理器速度，僅僅對(duì)于處理器或者系統(tǒng)設(shè)備是最優(yōu)的，但對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)不是最優(yōu)。針對(duì)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(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)限要求的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)能耗最優(yōu)速度方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)能耗最優(yōu)速度方法，該方法根據(jù)設(shè)備的臨界時(shí)間，利用DPM技術(shù)將設(shè)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(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)能耗最優(yōu)方法，包括：

計(jì)算硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中每個(gè)使用設(shè)備D_k的臨界時(shí)間B_k；其中，k為整數(shù)；

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

根據(jù)所使用設(shè)備的臨界時(shí)間，將任務(wù)T_i的空閑區(qū)間劃分為m+1個(gè)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(jì)算任務(wù)T_i的響應(yīng)時(shí)間屬于所述子區(qū)間和不屬于所述子區(qū)間時(shí)，執(zhí)行任務(wù)T_i所消耗的總能耗E_i(S)；其中，S表示處理器的運(yùn)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(jì)算全局最優(yōu)速度

B_k的計(jì)算方法如下：

其中，為設(shè)備D_k狀態(tài)轉(zhuǎn)化的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，為設(shè)備D_k狀態(tài)轉(zhuǎn)化的能耗開(kāi)銷(xiāo)，為設(shè)備D_k在活躍狀態(tài)的功耗，為設(shè)備D_k在休眠狀態(tài)的功耗，max表示求最大值。

的計(jì)算方法如下：

其中，表示設(shè)備D_k從活躍狀態(tài)切換到休眠狀態(tài)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，表示設(shè)備D_k從休眠狀態(tài)切換到活躍狀態(tài)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。

的計(jì)算方法如下：

其中，表示設(shè)備D_k從活躍狀態(tài)切換到休眠狀態(tài)的能耗開(kāi)銷(xiāo)，表示設(shè)備D_k從休眠狀態(tài)切換到活躍狀態(tài)的能耗開(kāi)銷(xiāo)。

所述將任務(wù)T_i所使用設(shè)備的臨界時(shí)間按照非降的順序進(jìn)行排列，具體表示為：

B₁≤B₂≤…≤B_m≤d_i-c_i

其中，d_i表示任務(wù)T_i的相對(duì)截止期限，c_i表示任務(wù)T_i最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間，m表示任務(wù)T_i在執(zhí)行過(guò)程中要使用設(shè)備個(gè)數(shù)。

所述根據(jù)所使用設(shè)備的臨界時(shí)間，將任務(wù)T_i的空閑區(qū)間劃分為m+1個(gè)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(gè)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(gè)子區(qū)間依次與{I_m,I_m-1,…,I₀}中的m+1個(gè)子區(qū)間相對(duì)應(yīng)，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(jì)算任務(wù)T_i的響應(yīng)時(shí)間屬于所述子區(qū)間和不屬于所述子區(qū)間時(shí)，執(zhí)行任務(wù)T_i所消耗的總能耗E_i(S)，包括：

當(dāng)任務(wù)T_i的響應(yīng)時(shí)間R_i屬于子區(qū)間I_l時(shí)，E_i(S)計(jì)算方法如下：

當(dāng)任務(wù)T_i的響應(yīng)時(shí)間R_i不屬于子區(qū)間I_l時(shí)，E_i(S)計(jì)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(guān)的常數(shù)，其取值范圍為2≤a≤3；S為處理器的運(yùn)行速度；d_i表示任務(wù)T_i的相對(duì)截止期限，c_i表示任務(wù)T_i最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間；為設(shè)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(shè)備D_j狀態(tài)轉(zhuǎn)化的能耗開(kāi)銷(xiāo)。

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(duì)變量S進(jìn)行求導(dǎo)，且將求導(dǎo)的結(jié)果設(shè)置為0，求解出其中為設(shè)備D_j在活躍狀態(tài)的功耗；

當(dāng)能夠滿足且時(shí)，表示任務(wù)T_i的響應(yīng)時(shí)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(dāng)不能夠滿足且時(shí)，表示任務(wù)T_i的響應(yīng)時(shí)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(jì)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(wù)滿足截止期限情況下的最低速度S_low中進(jìn)行選擇，選擇的方法為：

當(dāng)時(shí)，否則，其中，

當(dāng)且E(S_max)<E_best，否則，其中S_max是處理器能夠提供的最大運(yùn)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(shè)備的使用時(shí)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(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的一種硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)能耗最優(yōu)方法不局限于實(shí)施例。

附圖說(shuō)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(shí)施例歸一化能耗與任務(wù)最壞情況下執(zhí)行時(shí)間的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

參見(jiàn)圖1，本發(fā)明提供的一種硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)能耗最優(yōu)方法，包括如下步驟：

步驟101：計(jì)算硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中每個(gè)使用設(shè)備D_k的臨界時(shí)間B_k；

硬實(shí)時(shí)任務(wù)T_i在執(zhí)行過(guò)程中要使用設(shè)備集{D₁,D₂,…,D_m}，每個(gè)設(shè)備D_k都存在臨界時(shí)間B_k；設(shè)備的臨界時(shí)間是指當(dāng)設(shè)備能耗平衡的狀態(tài)，也就是說(shuō)在臨界時(shí)間點(diǎn)，利用DPM技術(shù)切換設(shè)備到低功耗狀態(tài)不會(huì)帶來(lái)額外的能耗節(jié)約；當(dāng)設(shè)備的空閑時(shí)間小于設(shè)備的臨界時(shí)間時(shí)，利用DPM技術(shù)將設(shè)備切換到低功耗狀態(tài)，反而會(huì)提高設(shè)備能耗。只有設(shè)備空閑時(shí)間大于其臨界時(shí)間時(shí)，利用DPM技術(shù)將設(shè)備切換到低功耗狀態(tài)，才可以降低設(shè)備能耗；設(shè)備D_k的臨界時(shí)間B_k，其計(jì)算方法如下：

其中，為設(shè)備D_k狀態(tài)轉(zhuǎn)化的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，為設(shè)備D_k狀態(tài)轉(zhuǎn)化的能耗開(kāi)銷(xiāo)，為設(shè)備D_k在活躍狀態(tài)的功耗，為設(shè)備D_k在休眠狀態(tài)的功耗，max表示求最大值。

的計(jì)算方法如下：

其中，表示設(shè)備D_k從活躍狀態(tài)切換到休眠狀態(tài)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，表示設(shè)備D_k從休眠狀態(tài)切換到活躍狀態(tài)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。

的計(jì)算方法如下：

其中，表示設(shè)備D_k從活躍狀態(tài)切換到休眠狀態(tài)的能耗開(kāi)銷(xiāo)，表示設(shè)備D_k從休眠狀態(tài)切換到活躍狀態(tài)的能耗開(kāi)銷(xiāo)。

步驟102：將任務(wù)T_i所使用設(shè)備的臨界時(shí)間按照非降的順序進(jìn)行排列；

將任務(wù)T_i所使用設(shè)備的臨界時(shí)間按照非降的順序進(jìn)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(wù)T_i的相對(duì)截止期限和最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間；任務(wù)T_i所使用設(shè)備的臨界時(shí)間必須小于或者等于任務(wù)T_i的最大空閑時(shí)間d_i-c_i，因?yàn)槿蝿?wù)完成執(zhí)行時(shí)，將不在使用設(shè)備，使用設(shè)備的時(shí)間為其最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間，而任務(wù)的最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間會(huì)比其相對(duì)截止期限小。

步驟103：根據(jù)所使用設(shè)備的臨界時(shí)間，將任務(wù)T_i的空閑區(qū)間劃分為m+1個(gè)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(gè)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(duì)應(yīng)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(jì)算任務(wù)T_i的響應(yīng)時(shí)間屬于所述子區(qū)間和不屬于所述子區(qū)間時(shí)，執(zhí)行任務(wù)T_i所消耗的總能耗E_i(S)；

當(dāng)任務(wù)T_i的響應(yīng)時(shí)間R_i屬于子區(qū)間I_l時(shí)，E_i(S)計(jì)算方法如下：

當(dāng)任務(wù)T_i的響應(yīng)時(shí)間R_i不屬于子區(qū)間I_l時(shí)，E_i(S)計(jì)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(guān)的常數(shù)，其取值范圍為2≤a≤3；S為處理器的運(yùn)行速度；d_i，c_i分別是任務(wù)T_i的相對(duì)截止期限和最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間；為設(shè)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(shè)備D_j狀態(tài)轉(zhuǎn)化的能耗開(kāi)銷(xiāo)。的計(jì)算方法為：

其中，表示設(shè)備D_i從活躍狀態(tài)切換到休眠狀態(tài)的能耗開(kāi)銷(xiāo)，表示設(shè)備D_i從休眠狀態(tài)切換到活躍狀態(tài)的能耗開(kāi)銷(xiāo)。

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(jì)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(jì)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(duì)變量S進(jìn)行求導(dǎo)，且將求導(dǎo)的結(jié)果設(shè)置為0，求解出其中為設(shè)備D_j在活躍狀態(tài)的功耗。當(dāng)能夠滿足公式(2)和公式(3)時(shí)，也就是當(dāng)任務(wù)T_i的響應(yīng)時(shí)間R_i屬于子區(qū)間I_i，就是局部最優(yōu)速度；當(dāng)不能夠滿足公式(2)和公式(3)時(shí)，也就是當(dāng)任務(wù)T_i的響應(yīng)時(shí)間R_i不屬于子區(qū)間I_i，的取值為其中c_i是任務(wù)T_i的最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間。

步驟106：根據(jù)局部最優(yōu)速度計(jì)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(wù)滿足截止期限情況下的最低速度S_low中進(jìn)行選擇，而其中c_i和d_i分別是任務(wù)T_i的最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間和相對(duì)截止期限；全局最優(yōu)速度選擇的方法為：

當(dāng)時(shí)，否則，其中，

當(dāng)且E(S_max)<E_best，否則，其中S_max是處理器能夠提供的最大運(yùn)行速度，

如圖2所示，本實(shí)施例中，任務(wù)T_i的執(zhí)行過(guò)程中需要使用4個(gè)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備活躍狀態(tài)的功耗分別為0.19W，1.3W，0.125W，0.225W；每個(gè)設(shè)備處于休眠狀態(tài)的功耗分別為0.085W，0.1W，0.001W，0.02W；每個(gè)設(shè)備的能耗切換開(kāi)銷(xiāo)分別為0.25W，1W，0.1W，0.2W；每個(gè)設(shè)備的時(shí)間切換開(kāi)銷(xiāo)為20ms，24ms，2ms，4ms；設(shè)置任務(wù)T_i的相對(duì)截止期限設(shè)置為d_i＝44ms，考察其最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間c_i對(duì)算法能耗的影響，c_i的取值范圍從2ms到20ms，其步長(zhǎng)為1ms；圖2中比較了兩種方法：第一，MP方法，任務(wù)始終以滿足其截止期限需求的最小速度執(zhí)行，設(shè)備一直處于活躍狀態(tài)；第二，本發(fā)明方法，任務(wù)以最優(yōu)全局速度執(zhí)行，且利用DPM技術(shù)關(guān)閉閑置設(shè)備；以MP方法在任務(wù)最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間等于20ms的能耗為基準(zhǔn)進(jìn)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(wù)最壞情況下執(zhí)行時(shí)間的影響。當(dāng)任務(wù)最壞情況下執(zhí)行時(shí)間增加時(shí)，所有方法的歸一化能耗上升。這是因?yàn)槿蝿?wù)最壞情況下執(zhí)行時(shí)間增加，所需的能耗增加；當(dāng)任務(wù)最壞情況下執(zhí)行時(shí)間較小時(shí)，本發(fā)明方法節(jié)約的能耗更多；隨著任務(wù)最壞情況下執(zhí)行時(shí)間增加，本發(fā)明方法節(jié)約的能耗逐漸減少，這是因?yàn)槿蝿?wù)最壞情況下執(zhí)行時(shí)間增加，設(shè)備可以利用的空閑時(shí)間減少，降低系統(tǒng)能耗的機(jī)會(huì)減少；總之，無(wú)論任務(wù)最壞情況下執(zhí)行時(shí)間怎么變化，本發(fā)明方法的能耗都比MP方法少，經(jīng)過(guò)計(jì)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(shí)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。