本發明涉及嵌入式系統能耗管理技術領域，具體是一種硬實時系統能耗最優方法。

背景技術：

硬實時嵌入式系統在航空航天、通信、電力、機械制造等領域有著廣泛的應用。硬實時系統對時限有嚴格的要求，一旦任務錯誤截止期限，會帶來不可預料的后果，甚至導致嚴重的災難。隨著超大規模集成技術的快速發展，處理器的功耗逐漸增大，而采用電池供電的硬實時嵌入式系統，由于電池的體積與容量的限制，導致硬實時嵌入式設備的待機時間受限，這嚴重影響硬實時嵌入式設備的使用。因此，能耗問題成為設計硬實時嵌入式系統的瓶頸。目前絕大多數商業處理器和系統設備都能夠支持動態電壓調節(DVS)技術和動態功耗管理(DPM)技術這兩種低功耗技術，這為降低系統能耗提供了可能。

硬實時嵌入式系統的能耗主要來自處理器和系統設備的能耗。常見的系統設備有LCD、內存、硬盤等等。現有的研究方法主要將處理器能耗和系統設備能耗單獨分開研究，沒有將這兩個主題作為一個整體加以研究。也就是說，現有研究所計算出的處理器速度，僅僅對于處理器或者系統設備是最優的，但對于整個系統不是最優。針對現有研究方法的不足，提出節能效果更好，且能夠滿足硬實時系統時限要求的硬實時系統能耗最優速度方法。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提出一種硬實時系統能耗最優速度方法，該方法根據設備的臨界時間，利用DPM技術將設備切換到低功耗狀態以降低系統能耗。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種硬實時系統能耗最優方法，包括：

計算硬實時系統中每個使用設備D_k的臨界時間B_k；其中，k為整數；

將任務T_i所使用設備的臨界時間按照非降的順序進行排列；其中，i為整數；

根據所使用設備的臨界時間，將任務T_i的空閑區間劃分為m+1個子區間{I_m,I_m-1,…,I₀}；其中，m為大于等于1的整數；

分別計算任務T_i的響應時間屬于所述子區間和不屬于所述子區間時，執行任務T_i所消耗的總能耗E_i(S)；其中，S表示處理器的運行速度；

求取總能耗E_i(S)的最小值，獲得局部最優速度

根據局部最優速度計算全局最優速度

B_k的計算方法如下：

其中，為設備D_k狀態轉化的時間開銷，為設備D_k狀態轉化的能耗開銷，為設備D_k在活躍狀態的功耗，為設備D_k在休眠狀態的功耗，max表示求最大值。

的計算方法如下：

其中，表示設備D_k從活躍狀態切換到休眠狀態的時間開銷，表示設備D_k從休眠狀態切換到活躍狀態的時間開銷。

的計算方法如下：

其中，表示設備D_k從活躍狀態切換到休眠狀態的能耗開銷，表示設備D_k從休眠狀態切換到活躍狀態的能耗開銷。

所述將任務T_i所使用設備的臨界時間按照非降的順序進行排列，具體表示為：

B₁≤B₂≤…≤B_m≤d_i-c_i

其中，d_i表示任務T_i的相對截止期限，c_i表示任務T_i最壞情況下的執行時間，m表示任務T_i在執行過程中要使用設備個數。

所述根據所使用設備的臨界時間，將任務T_i的空閑區間劃分為m+1個子區間{I_m,I_m-1,…,I₀}，包括：

將空閑區間[c_i,d_i]劃分為m+1個子區間，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個子區間依次與{I_m,I_m-1,…,I₀}中的m+1個子區間相對應，也就是I_m表示區間[c_i,d_i-B_m]，I_m-1表示[d_i-B_m,d_i-B_m-1]，I₀表示區間[d_i-B₁,d_i]等等。

分別計算任務T_i的響應時間屬于所述子區間和不屬于所述子區間時，執行任務T_i所消耗的總能耗E_i(S)，包括：

當任務T_i的響應時間R_i屬于子區間I_l時，E_i(S)計算方法如下：

當任務T_i的響應時間R_i不屬于子區間I_l時，E_i(S)計算方法如下：

其中，l為0≤l≤m之間的整數；a為與系統相關的常數，其取值范圍為2≤a≤3；S為處理器的運行速度；d_i表示任務T_i的相對截止期限，c_i表示任務T_i最壞情況下的執行時間；為設備D_j在活躍狀態的功耗，j為1≤j≤m之間的整數，為設備D_j狀態轉化的能耗開銷。

所述獲得局部最優速度的步驟包括：

求E_i(S)的最小值min(E_i(S))，將min(E_i(S))對變量S進行求導，且將求導的結果設置為0，求解出其中為設備D_j在活躍狀態的功耗；

當能夠滿足且時，表示任務T_i的響應時間R_i屬于子區間I_i，求解出的為局部最優速度；其中，LL_j和UL_j分別為子區間I_i的下限和上限；

當不能夠滿足且時，表示任務T_i的響應時間R_i不屬于子區間I_i，的取值置為

所述根據局部最優速度計算全局最優速度具體為：

全局最優速度只能在局部最優速度以及在確保系統任務滿足截止期限情況下的最低速度S_low中進行選擇，選擇的方法為：

當時，否則，其中，

當且E(S_max)<E_best，否則，其中S_max是處理器能夠提供的最大運行速度，

本發明具有如下有益效果：

(1)系統能耗的降低，可以降低產品的生產成本，延遲設備的使用時間，減少電池的更換周期；

(2)本發明的方法比現有的方法平均節約大約43.48％的能耗。

以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明，但本發明的一種硬實時系統能耗最優方法不局限于實施例。

附圖說明

圖1為本發明方法的流程圖示意圖；

圖2為本發明的實施例歸一化能耗與任務最壞情況下執行時間的仿真實驗結果圖。

具體實施方式

參見圖1，本發明提供的一種硬實時系統能耗最優方法，包括如下步驟：

步驟101：計算硬實時系統中每個使用設備D_k的臨界時間B_k；

硬實時任務T_i在執行過程中要使用設備集{D₁,D₂,…,D_m}，每個設備D_k都存在臨界時間B_k；設備的臨界時間是指當設備能耗平衡的狀態，也就是說在臨界時間點，利用DPM技術切換設備到低功耗狀態不會帶來額外的能耗節約；當設備的空閑時間小于設備的臨界時間時，利用DPM技術將設備切換到低功耗狀態，反而會提高設備能耗。只有設備空閑時間大于其臨界時間時，利用DPM技術將設備切換到低功耗狀態，才可以降低設備能耗；設備D_k的臨界時間B_k，其計算方法如下：

其中，為設備D_k狀態轉化的時間開銷，為設備D_k狀態轉化的能耗開銷，為設備D_k在活躍狀態的功耗，為設備D_k在休眠狀態的功耗，max表示求最大值。

的計算方法如下：

其中，表示設備D_k從活躍狀態切換到休眠狀態的時間開銷，表示設備D_k從休眠狀態切換到活躍狀態的時間開銷。

的計算方法如下：

其中，表示設備D_k從活躍狀態切換到休眠狀態的能耗開銷，表示設備D_k從休眠狀態切換到活躍狀態的能耗開銷。

步驟102：將任務T_i所使用設備的臨界時間按照非降的順序進行排列；

將任務T_i所使用設備的臨界時間按照非降的順序進行排列；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T_i的相對截止期限和最壞情況下的執行時間；任務T_i所使用設備的臨界時間必須小于或者等于任務T_i的最大空閑時間d_i-c_i，因為任務完成執行時，將不在使用設備，使用設備的時間為其最壞情況下的執行時間，而任務的最壞情況下的執行時間會比其相對截止期限小。

步驟103：根據所使用設備的臨界時間，將任務T_i的空閑區間劃分為m+1個子區間{I_m,I_m-1,…,I₀}；

將空閑區間[c_i,d_i]劃分為m+1個子區間，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]}

與此相對應的子區間為{I_m,I_m-1,…,I₀}，也就是I_m表示區間[c_i,d_i-B_m]，I_m-1表示[d_i-B_m,d_i-B_m-1]，I₀表示區間[d_i-B₁,d_i]等等。

步驟104：分別計算任務T_i的響應時間屬于所述子區間和不屬于所述子區間時，執行任務T_i所消耗的總能耗E_i(S)；

當任務T_i的響應時間R_i屬于子區間I_l時，E_i(S)計算方法如下：

當任務T_i的響應時間R_i不屬于子區間I_l時，E_i(S)計算方法如下：

其中，l為0≤l≤m之間的整數；a為與系統相關的常數，其取值范圍為2≤a≤3；S為處理器的運行速度；d_i，c_i分別是任務T_i的相對截止期限和最壞情況下的執行時間；為設備D_j在活躍狀態的功耗，j為1≤j≤m之間的整數，為設備D_j狀態轉化的能耗開銷。的計算方法為：

其中，表示設備D_i從活躍狀態切換到休眠狀態的能耗開銷，表示設備D_i從休眠狀態切換到活躍狀態的能耗開銷。

步驟105：求取總能耗E_i(S)的最小值，獲得局部最優速度

局部最優速度其計算方法如下：

求E_i(S)的最小值(1)

且滿足

其中LL_j和UL_j分別為子區間I_i的下限和上限；其計算方式如下：

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)對變量S進行求導，且將求導的結果設置為0，求解出其中為設備D_j在活躍狀態的功耗。當能夠滿足公式(2)和公式(3)時，也就是當任務T_i的響應時間R_i屬于子區間I_i，就是局部最優速度；當不能夠滿足公式(2)和公式(3)時，也就是當任務T_i的響應時間R_i不屬于子區間I_i，的取值為其中c_i是任務T_i的最壞情況下的執行時間。

步驟106：根據局部最優速度計算全局最優速度

全局最優速度只能在局部最優速度以及在確保系統任務滿足截止期限情況下的最低速度S_low中進行選擇，而其中c_i和d_i分別是任務T_i的最壞情況下的執行時間和相對截止期限；全局最優速度選擇的方法為：

當時，否則，其中，

當且E(S_max)<E_best，否則，其中S_max是處理器能夠提供的最大運行速度，

如圖2所示，本實施例中，任務T_i的執行過程中需要使用4個設備，每個設備活躍狀態的功耗分別為0.19W，1.3W，0.125W，0.225W；每個設備處于休眠狀態的功耗分別為0.085W，0.1W，0.001W，0.02W；每個設備的能耗切換開銷分別為0.25W，1W，0.1W，0.2W；每個設備的時間切換開銷為20ms，24ms，2ms，4ms；設置任務T_i的相對截止期限設置為d_i＝44ms，考察其最壞情況下的執行時間c_i對算法能耗的影響，c_i的取值范圍從2ms到20ms，其步長為1ms；圖2中比較了兩種方法：第一，MP方法，任務始終以滿足其截止期限需求的最小速度執行，設備一直處于活躍狀態；第二，本發明方法，任務以最優全局速度執行，且利用DPM技術關閉閑置設備；以MP方法在任務最壞情況下的執行時間等于20ms的能耗為基準進行歸一化。

從圖2中可以看出，所有方法的歸一化能耗都受到任務最壞情況下執行時間的影響。當任務最壞情況下執行時間增加時，所有方法的歸一化能耗上升。這是因為任務最壞情況下執行時間增加，所需的能耗增加；當任務最壞情況下執行時間較小時，本發明方法節約的能耗更多；隨著任務最壞情況下執行時間增加，本發明方法節約的能耗逐漸減少，這是因為任務最壞情況下執行時間增加，設備可以利用的空閑時間減少，降低系統能耗的機會減少；總之，無論任務最壞情況下執行時間怎么變化，本發明方法的能耗都比MP方法少，經過計算可知，本發明方法比MP方法平均節約43.48的能耗。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。