多核系统中基于Global EDF 的在线节能实时调度算法

随着多核系统能耗问题日益突出,在满足时间约束条件下降低系统能耗成为多核实时节能调度研究中亟待解决的问题之一.现有研究成果基于事先已知实时任务属性的假设,而实际应用中,只有当任务到达之后才能够获得其属性.为此,针对一般任务模型,不基于任何先验知识提出一种多核系统中基于Global EDF在线节能硬实时任务调度算法,通过引入速度调节因子,利用松弛时间,结合动态功耗管理和动态电压/频率调节技术,降低多核系统中任务的执行速度,达到实时约束与能耗节余之间的合理折衷.所提出的算法仅在上下文切换和任务完成时进行动态电压/频率调节,计算复杂度小,易于在实时操作系统中实现.实验结果表明,该算法适用于不同类型的片上动态电压/频率调节技术,节能效果始终优于Global EDF算法,最多可节能15％～20％,最少可节能5％～10％.     

线性加速比并行实时任务的节能研究

节能设计是嵌入式实时系统中一个重要的研究方向.目前的研究大多采用串行任务模型,很少关注并行任务.文中研究了在离散工作模式与实时约束下,多核平台下的线性加速比并行实时任务的能耗最小化问题.文中假设所有处理器核都支持DVS技术且加速比是线性的,在此条件下,文中首先给出一个定理证明了当各任务执行在系统全部核上时系统能耗最小.然后,将问题建模为一个0-1整数线性规划,利用最早截止期优先算法确定任务调度,并给出了两个高效的节能算法确定各任务的工作频率.文中最后通过大量的模拟实验,证明提出的算法的效果显著,可以达到几乎与最优解相同的节能效果.     

基于多核处理器系统多维限制的节能实时调度

介绍了多核处理器系统所面对的处理器实际限制、抢占调度实际限制和并行任务模型实际限制等多维限制挑战, 主要针对处理器开销模型、有限抢占模型和复杂并行任务模型等方面, 深入探讨了基于系统实际多维模型的多核节能实时调度研究, 为促进多核处理器系统在实时嵌入式领域的应用提供理论和技术参考.     

一种基于VFD多核系统的硬实时任务节能调度算法

由于芯片功耗不断增加,节能已成为一个亟待解决的重要问题.基于全局异步局域同步(GALS)及电压频率域(VFD)技术的多核处理器计算平台,提出周期性硬实时任务节能调度算法.首先将给定任务集中的实时任务按最差匹配递减(WFD)策略映射到各个计算核上,使各计算核的利用率相对更加均衡,然后利用静态电压/频率调整策略,将每一个VFD内各计算核的共享运行频率降至此VFD中负载最重的计算核的利用率以回收并利用空闲时间节能.在静态策略的基础上提出空闲时间重分配(SR)策略,在保证实时任务可调度的前提下,通过进行任务迁移来平衡VFD内各计算核上的空闲时间分布,以进一步降低VFD的共享运行频率,从而降低能耗.实验表明提出的节能算法可取得较好的节能效果.     

基于能量消耗模型的WSN动态电压调节算法

为了降低WSN中弱硬实时系统的能量消耗,应用离散事件系统（DES）框架中的优化原理,建立数学模型,得到了能量消耗的目标函数,为了最小化目标函数,利用线性规划方法进行求解,得到一种可扩展的低复杂度算法来进行动态电压调节（DVS）。并对算法进行了模型实例计算,结果表明,优化的DVS算法能在满足弱硬实时系统时限要求的基础上更大程度节省节点能量。     

面向同构多核处理器的节能任务调度方法

对于运行在同构多核处理器上的周期性硬实时任务,设计了一个基于动态电压调节的节能调度方法。该方法首先将计算任务按照周期数降序排序并基于计算任务调度长度最短的原则安排任务映射。然后将各个处理核上具有最小通讯时间的计算任务设置为最后执行的计算任务而其它计算任务顺序保持不变。在初始映射中所有计算任务都被分配最高频率的情况下,每个处理核上的计算任务在执行时间扩展过程中确定最佳的计算任务顺序。基于 Intel PXA270的功耗模型,以几个随机任务集作实验。结果表明提出的方法能够有效地降低多核处理器的能量。     

RTLPoWer：一个实时动态电压调节低功耗系统

功耗问题是计算机系统发展亟待解决的问题,硬件和软件在解决功耗问题上都有重要的作用.尽管有许多工具可用于低功耗硬件的开发,但支持软件技术开发的低功耗工具并不多见.我们基于ARM的指令集开发了一个实时动态电压调节低功耗系统RTLPower.RTLPower综合了编译指导的动态电压调节和程序的性能功耗模拟,该系统能够有效支持编译指导的动态电压调节技术的研究开发.     

开销敏感的多处理器最优节能实时调度算法

嵌入式多处理器系统的能耗问题变得日益重要,如何减少能耗同时满足实时约束成为多处理器系统节能实时调度中的一个重要问题.目前绝大多数研究基于关键速度降低处理器的频率以减少动态能耗,采用关闭处理器的方法减少静态能耗.虽然这种方法可以实现节能,但是不能保证最小化能耗.而现有最优的节能实时调度未考虑处理器状态切换的时间和能量开销,因此在切换开销不可忽视的实际平台中不再是最优的.文中针对具有独立动态电压频率调节和动态功耗管理功能的多处理器系统,考虑处理器切换开销,提出一种基于帧任务模型的最优节能实时调度算法.该算法根据关键速度来判断系统负载情况,确定具有最低能耗值的活跃处理器个数,然后根据状态切换开销来确定最优调度序列.该算法允许实时任务在处理器之间任意迁移,计算复杂度小,易于实现.数学分析证明了该算法的最优性.     

基于简单反馈的混合静态/动态节能弱硬实时调度算法

随着能耗问题目益显著,节能实时调度成为实时调度领域研究的热点.由于混合静态/动态节能弱硬实时调度算法基于最坏情况执行时间计算任务的执行速度,因此限制了节能效果,文中针对这一问题,提出一种新算法,通过引入简单反馈机制,估计任务的实际执行时间,通过任务划分,降低任务的整体执行速度,延长执行时间,进而达到高效节能的目的.实验表明,当平均情况执行时间低于最坏情况执行时间较多时,新算法优于原始算法,最多可节能60%～70%,最少可节能约10%.算法的不足之处在于当平均情况执行时间接近最坏情况执行时间时,新算法比原算法更耗能.     

非对称多核处理器上的操作系统集成调度

相对于对称多核处理器,非对称多核处理器具有更高的效能,将成为未来并行操作系统中的主流体系结构.对于非对称多核处理器上操作系统的并行任务调度问题,现有的研究假设所有核心频率恒定,缺乏理论分析,也没有考虑算法的效能和通用性.针对该问题,该文首先建立非线性规划模型,分析得出全面考虑并行任务同步特性、核心非对称性以及核心负载的调度原则.然后,基于调度原则提出一个集成调度算法,该算法通过集成线程调度和动态电压频率调整来提高效能,并通过参数调整机制实现了算法的通用性.提出的算法是第一个在非对称多核处理器上结合线程调度和动态电压频率调整的调度算法.实际平台上的实验表明:该算法可适用于多种环境,且效能比其他同类算法高24%～50%.     

一个基于资源操作的强实时动态调压算法

动态调压算法能够降低系统功耗，可用来降低CPU发热量、延长电池供电系统的工作时间．然而，现有动态调压算法均不允许进程进行资源操作（申请或释放资源），这在实际应用中是难以满足的．因此，现有算法不便于实际应用,本文提出了一种新的强实时动态调压算法．该算法允许进程进行资源操作，并且功耗低于现有算法；该算法还能避免死锁．该算法易于应用到实际系统中．     

Feedback EDF Scheduling of Real-Time Tasks Exploiting Dynamic Voltage Scaling

Many embedded systems are constrained by limits on power consumption, which are reflected in the design and implementation for conserving their energy utilization. Dynamic voltage scaling (DVS) has become a promising method for embedded systems to exploit multiple voltage and frequency levels and to prolong their battery life. However, pure DVS techniques do not perform well for systems with dynamic workloads where the job execution times vary significantly. In this paper, we present a novel approach combining feedback control with DVS schemes targeting hard real-time systems with dynamic workloads. Our method relies strictly on operating system support by integrating a DVS scheduler and a feedback controller within the earliest-deadline-first (EDF) scheduling algorithm. Each task is divided into two portions. The objective within the first portion is to exploit frequency scaling for the average execution time. Static and dynamic slack is accumulated for each task with slack-passing and preemption handling schemes. The objective within the second portion is to meet the hard real-time deadline requirements up to the worst-case execution time following a last-chance approach. Feedback control techniques make the system capable of selecting the right frequency and voltage settings for the first portion, as well as guaranteeing hard real-time requirements for the overall task. A feedback control model is given to describe our feedback DVS scheduler, which is used to analyze the system's stability. Simulation experiments demonstrate the ability of our algorithm to save up to 29% more energy than previous work for task sets with different dynamic workload characteristics. This work was supported in part by NSF grants CCR-0208581, CCR-0310860 and CCR-0312695. Preliminary versions of parts of this work appeared in the ACM SIGPLAN Joint Conference Languages, Compilers, and Tools for Embedded Systems (LCTES'02) and Software and Compilers for Embedded Systems (SCOPES'02) (Dudani et al., 2002), in the Workshop on Compilers and Operating Systems for Low Power 2002 (Zhu and Mueller, 2002) and in the IEEE Real-Time Embedded Technology and Applications Symposium 2004 (Zhu and Mueller, 2004a).     

一种采用动态电压调整的实时节能调度算法

较高的能量消耗会导致处理器热量的增加及系统可靠性的降低,合理运用动态电压调整技术有效降低实时任务运行所需的能耗成为一个研究热点.提出一种动态实时节能调度算法MSF,以最大空闲时间优先调度为基础,结合动态调整技术,使得实时任务在其截止期内完成的同时能够最大限度地降低整个系统的能量消耗.实验结果表明, 该方法能够充分利用任务的不同能量特性和动态空闲时间,更有效的实现节能,优于其它算法.     

强实时系统的调度

实时系统的一个重要研究领域是调度 ,实时任务能否在规定的时限内完成依赖于调度算法的好坏。本文给出了当前强实时系统的主要调度思想和模型 ,并对各算法的特点进行了评述 ,对强实时系统的设计和论证具有重要意义。     

基于语法树的实时动态电压调节低功耗算法

动态电压调节是一种有效的低功耗技术.使用这种技术,编译器指导的动态电压调节能够有效地降低系统功耗.提出了基于语言语法树的实时动态电压调节低功耗算法.该算法在静态程序最差时间分析方法的辅助下,通过在程序内部自动插入电压调节代码来实现电压调节.在RTLPower(real-time low-power)实时低功耗系统上完成了算法的实现,对嵌入式测试,程序集的初步测试证明该算法最大可节省50%的能量消耗.     

EPTS:一种实时动态电压调整的抢占阈值调度器

低功耗目前已成为嵌入式实时系统设计中非常重要的性能需求。动态电压调度DVS机制通过动态调整处理器电压进而有效降低系统功耗,正在逐渐得到广泛应用。抢占阈值调度策略实现双优先级系统,每个任务具有两个优先级,任务优先级被用于任务之间竞争处理器,而抢占阈值作为任务开始运行后实际使用的优先级,从而减少现场切换次数,降低系统功耗,同时也提高整个任务集合的可调度性。本文提出一种在线节能调度算法EPTS,拓展抢占阈值调度模型,在任务执行过程中动态调节处理器电压,力求在保证任务集合可调度性的前提下尽可能减少系统功耗,提高系统性能。而后在AMDAthlon4处理器和RT-Linux平台上实现了EPTS调度器,实验证明对于实际任务集合能够有效节能,提高了处理器的利用率,改善了RT-Linux的实时性能。     

一种基于程序段的动态电压缩放算法

动态电压缩放技术是一种能有效优化处理器能耗的方法,它允许处理器在运行时动态地改变其时钟频率和供电电压.针对处理器提出了一种基于程序段的动态电压缩放算法PBVSA,该算法使用建立在指令工作集签名基础上的程序段监测状态机来判断程序段是否发生变化,并作出CPU电压和频率调整决定,在程序段内,通过计算该段的频率缩放因子β(片外工作时间与片上工作时间的比例关系)来设定CPU的电压和频率,在sim-panalyzer模拟器上完成了算法的实现,通过对Mibench测试程序集的测试表明:该算法平均降低了处理器29%的能耗,而性能损失平均为5.3%.