優(yōu)化嵌入式軟件服務(wù)質(zhì)量的調(diào)度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種優(yōu)化嵌入式軟件服務(wù)質(zhì)量的調(diào)度 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 嵌入式系統(tǒng)（Embeddedsystem),是一種"完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而 設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)"。嵌入式系統(tǒng)一般定義為；W應(yīng)用為中屯、，W計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)， 軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)。
[0003] 從智能手機(jī)，到智能手環(huán)、智能手表等可穿戴設(shè)備，再到電冰箱、機(jī)頂盒、微波爐等 家具電器，嵌入式電子系統(tǒng)已經(jīng)悄然占據(jù)人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)角落。隨著電子巧片制造工 藝的日趨成熟，一部嵌入式系統(tǒng)承載的功能，即運(yùn)行的軟件數(shù)量，也隨著功能需求增加而不 斷增長。即使底層硬件（如CPU處理器）運(yùn)行速度越來越快，也難W避免對系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì) 量和功耗造成壓力。針對該種情況，現(xiàn)有主流解決方案為提高底層硬件性能、簡化軟件復(fù)雜 度、或減少運(yùn)行軟件的數(shù)量。該樣就不可避免帶來系統(tǒng)在功耗和金錢開銷上的浪費(fèi)，或者系 統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種優(yōu)化嵌入式軟件服務(wù)質(zhì)量的調(diào)度方法，用于在不增加 系統(tǒng)硬件開銷和不減少系統(tǒng)基本功能的基礎(chǔ)上，保障眾多軟件運(yùn)行時(shí)達(dá)到最優(yōu)的綜合服務(wù) 質(zhì)量。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種優(yōu)化嵌入式軟件服務(wù)質(zhì)量的調(diào)度方法，包括：
[0006] 步驟10、根據(jù)非精確計(jì)算模型定義軟件i的服務(wù)質(zhì)量A為單調(diào)遞增函數(shù)Q1 = 。(〇1)，其中〇i為軟件i選執(zhí)行部分占用CPU周期數(shù)；
[0007] 步驟20、為最大化系統(tǒng)中各運(yùn)行軟件i的服務(wù)質(zhì)量總和，數(shù)學(xué)建模為優(yōu)化問題進(jìn) 行求解：
[000引 目標(biāo)為求解0i，最大化S。(0i);
[0009] 約束條件為
[0010]
[0011]
其中K為常數(shù)，Ti為軟件i的執(zhí)行時(shí)間，Ebudget為嵌入 式系統(tǒng)給定能耗，fmi。為CPU最低頻率，f為CPU最高頻率；
[0012] 步驟30、按照求解結(jié)果設(shè)置各軟件i選執(zhí)行部分占用CPU周期數(shù)〇1。
[0013] 其中，根據(jù)非精確計(jì)算模型定義軟件i的服務(wù)質(zhì)量化為線性單調(diào)遞增函數(shù)Qi= 。(〇1) =biX〇i+nv其中bi和 為常數(shù)。
[0014] 其中，假設(shè)CPU頻率范圍無限，使得服務(wù)質(zhì)量最優(yōu)化的各〇i值為：
[0015]
此時(shí)軟件i的執(zhí)行時(shí) 間Ti=Tim。,，Tim。,為軟件i的執(zhí)行時(shí)間限制。
[0016] 其中，若〇i的最優(yōu)取值使得CPU頻率低于最小值fmi。，為保持〇i取值不變，減小軟 件執(zhí)行時(shí)間Ti至
[0017] 其中，若〇i的最優(yōu)取值使得CPU頻率高于最大值，需減少0產(chǎn)0 1=TiXfm。,。
[0018] 其中，根據(jù)非精確計(jì)算模型定義軟件i的服務(wù)質(zhì)量Qi為非線性單調(diào)遞增函數(shù)。
[0019] 其中，采用滿足非線性規(guī)劃最優(yōu)解的算法求解〇1。
[0020] 綜上所述，本發(fā)明優(yōu)化嵌入式軟件服務(wù)質(zhì)量的調(diào)度方法提供一種計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) 層面的統(tǒng)籌調(diào)度策略來控制系統(tǒng)中的軟件運(yùn)行，W達(dá)到在不增加系統(tǒng)硬件開銷和不減少系 統(tǒng)基本功能的基礎(chǔ)上，保障眾多軟件運(yùn)行時(shí)達(dá)到最優(yōu)的綜合服務(wù)質(zhì)量的效果。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明優(yōu)化嵌入式軟件服務(wù)質(zhì)量的調(diào)度方法的原理示意圖；
[0022] 圖2為本發(fā)明優(yōu)化嵌入式軟件服務(wù)質(zhì)量的調(diào)度方法中軟件服務(wù)質(zhì)量隨選執(zhí)行部 分時(shí)長變化的關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖，通過對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】詳細(xì)描述，將使本發(fā)明的技術(shù)方案 及其有益效果顯而易見。
[0024] 本發(fā)明方案的成功實(shí)施必須基于兩個(gè)重要的技術(shù)前提；（1)可變頻的CPU處理器； (2)運(yùn)行的軟件任務(wù)有明確的服務(wù)質(zhì)量量化定義。
[0025] 變頻處理器指嵌入式系統(tǒng)的控制中樞，即CPU,可按需改變自身時(shí)鐘頻率，改變自 身運(yùn)行速度，也因此改變軟件運(yùn)行速度。變頻功能在主流處理器中廣泛存在，如智能手機(jī)常 用的ARMCodex-A8處理器，速度可在600MHZ-1細(xì)Z之間調(diào)節(jié)。英特爾處理器自i3系列開 始，已經(jīng)應(yīng)用SpeedSt巧技術(shù)調(diào)解處理器頻率，現(xiàn)今該系列處理器已升級至i9。
[0026] 參見圖1及圖2,圖1為本發(fā)明優(yōu)化嵌入式軟件服務(wù)質(zhì)量的調(diào)度方法的原理示意 圖；圖2為軟件服務(wù)質(zhì)量隨選執(zhí)行部分時(shí)長變化的關(guān)系示意圖。本發(fā)明定義軟件的服務(wù)質(zhì) 量取決于軟件執(zhí)行的CPU時(shí)鐘周期數(shù)，也就是說CPU執(zhí)行該軟件越多越久，軟件所產(chǎn)生的服 務(wù)質(zhì)量越好。本發(fā)明用非精確計(jì)算（Imprecise-Computation)模型來定義服務(wù)質(zhì)量與CPU 執(zhí)行時(shí)長的關(guān)系。其中"必執(zhí)行部分"規(guī)定了軟件執(zhí)行的基本質(zhì)量需求，如無法達(dá)到則軟件 執(zhí)行不成功，成功完成必執(zhí)行部分則完成軟件基本服務(wù)質(zhì)量。"選執(zhí)行部分"占用CPU越多， 則軟件服務(wù)質(zhì)量越高。隨著軟件設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，加上軟件代碼的迭代特征，該種定義方法越 來越符合現(xiàn)代軟件形態(tài)。比如，作為當(dāng)今主流視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)ISO的H. 264視頻編解碼標(biāo) 準(zhǔn)對視頻編解碼質(zhì)量漸變性有類似規(guī)定。
[0027] -個(gè)嵌入式系統(tǒng)在某一運(yùn)行時(shí)刻，操作系統(tǒng)中有多個(gè)軟件任務(wù)等待執(zhí)行。每個(gè)任 務(wù)不可能無限執(zhí)行下去，因而每個(gè)任務(wù)有時(shí)限要求。本方法解決的技術(shù)問題是，如何最優(yōu)的 安排（調(diào)度）系統(tǒng)中每個(gè)軟件--Imprecise-Computation任務(wù)的開始、結(jié)束時(shí)間，使得任 務(wù)完成時(shí)不違反時(shí)限要求，同時(shí)最大化所有任務(wù)的綜合服務(wù)質(zhì)量。
[0028] 軟件任務(wù)調(diào)度需決定=個(gè)參數(shù)，分別為軟件i執(zhí)行時(shí)間Ti、軟件執(zhí)行時(shí)CPU頻率 fi、軟件選執(zhí)行部分占用CPU周期數(shù)(V軟件選執(zhí)行部分執(zhí)行的越多，則軟件服務(wù)質(zhì)量越優(yōu)。
[0029] 在嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，需局限于嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)因素。其中S個(gè)關(guān)鍵 因素為時(shí)間、能耗、處理器可調(diào)頻范圍。
[0030] 時(shí)間
[0031] 嵌入式系統(tǒng)的任務(wù)通常是周期性的，該也就要求一個(gè)任務(wù)必須在一個(gè)時(shí)限內(nèi)完 成，W保證執(zhí)行效果和后續(xù)任務(wù)順利進(jìn)行。在該里假設(shè)任一軟件i都有一個(gè)執(zhí)行時(shí)間限制， 設(shè)為Tim"。一般來說，希望軟件盡量完全占用該段執(zhí)行時(shí)間，W最大化此軟件的服務(wù)質(zhì)量。 因而軟件執(zhí)行時(shí)間Ti一般就設(shè)定為最大時(shí)間限制，即T
[0032] 能耗
[0033] 嵌入式系統(tǒng)的處理器能耗由CPU任務(wù)運(yùn)行周期數(shù)和CPU運(yùn)行頻率決定。該 里假設(shè)有充足能量來源保證任務(wù)的必執(zhí)行部分完成，因而只考慮可執(zhí)行部分的能耗 Ebudget。可執(zhí)行部分能耗用公示表示為&=CXVi2X〇i，其中C為已知常量，Vi為與處 理器頻率相關(guān)的操作電壓，與軟件執(zhí)行時(shí)間和〇i關(guān)系約為
其中k為 處理器物理特性相關(guān)常量。由此可進(jìn)一步導(dǎo)出能耗定義；
i中K 由k和C表示。能耗局限指各軟