实时系统中混合任务集的动态电压调节算法

摘要 在实时嵌入式系统中，核心处理器的能耗占据整个能耗的相当大一部分。动态电压调节被看作是降低处理器能耗的关键技术，介绍实时系统|0">实时系统和动态电压调节的基本概念，并在CMOS器件功耗理论和实时系统下任务调度理论的基础上，提出基于混合任务集的减慢因子DVS|0">DVS算法。

关键词 动态电压调节 实时操作系统 低功耗 任务调度

嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。人们要求实时嵌入式产品能够提供更为强劲的计算能力，以满足无线通信、多媒体应用的要求，然而高性能的代价就是高能耗，因此延长实时嵌入式系统电池使用时间已经成为实时嵌入式系统设计普遍关注的问题。在实时嵌入式系统中，核心处理器的能耗占据整个能耗的相当大一部分。动态电压调节被看作是降低处理器能耗的关键技术，其原理是在系统运行时态通过动态改变处理器的电压和频率，降低系统中的无用能耗，从而提高能量的有效利用率[1]。
　　当前，基于任务的动态电压调节算法主要集中在对周期性任务集合的研究，其中只有很少一部分是对周期性任务和非周期性任务的混合任务集进行研究。另外，基于工作负荷的DVS算法尽管能从系统级上解决无用能耗问题，但却很少考虑到系统的实时性。

1 动态电压调节算法理论背景
1.1 动态电压调节算法的必要性
　　由于CMOS电路的能量消耗E与电路电压V的平方成正比，因此降低电压是降低线路能耗的最有效的方法之一。DVS算法的基本原理： 系统在运行时间内根据性能的不同要求而相应地执行降低或者提高电压和工作频率的操作，从而降低能耗。
　　传统的电源管理技术只是在空闲时间内降低功耗十分有效，而在运行时间内却无能为力。目前，一些操作系统内核对动态电压管理（DPM）的支持还是局限于不能调整核心电压，主要是通过调整CPU频率和支持开关外围设备的供电来实现。但是近年来，随着半导体技术的发展，在运行时态动态改变处理器的工作电压和/或时钟频率已经变成了现实。很多商用嵌入式处理支持动态电压调节DVS这一技术，比如TI公司的OMAP系列处理器、Intel公司的StrongARM处理器、Transmeta公司的Crusoe处理器，还有IBM公司的PowerPC 405LP处理器等。
1.2 实时操作系统与任务调度
　　在实时系统软件中，最基本的软件是实时操作系统。它是实时系统软件的基础，所有的实时应用软件都是在实时操作系统的支撑下运行的。与通用操作系统相比，实时操作系统有其特有的一些重要特征，包括规模较小、中断时间很短、进程切换很快、中断被屏蔽时间很短、能管理ms级或μs级的多个定时器。因此它能适应各种实时应用的需求，从快速的实时响应到慢速的实时响应，都能应付自如。
　　实时系统的实时性通过周期（period）和时限（deadline）来体现。周期是均匀重复性任务每两次调用开始的时间间隔。任务必须在某个时刻前完成操作，启动时刻与该时刻的时间间隔被称为"时限"。均匀重复性任务又称为"周期性任务（periodic task）"。周期性任务在一个周期内的一次调用可以看作是一个作业。通常，周期性任务的作业周期和时限是相等的。
　　实时操作系统的核心就是任务调度。它提供给系统一个决策机制，决定在某个瞬间时刻下，系统作业池中哪一个作业占用处理器。基于线程的任务间DVS算法就是以实时系统的任务调度为主要理论基础。
1.3 服务器
　　然而，现实的情况是实时系统中并非所有的任务都是非周期性的。对于两种任务的混合调度情况，在基于优先级的方案中，简单地使非周期性任务的优先级低于周期性的任务[2]。这样，非周期性任务作为后台活动运行；而在抢占式系统中，它就不能掠夺周期性任务的资源。尽管这是一个安全的方案，但是考虑到非周期性任务的时限，如果让它们只作为后台运行，往往会错过它们的时限。为了改善非周期性任务的这种状况，可利用服务器（server）来解决。在RM策略下，最广泛研究的是可延期服务器（Deferred Server，DS）和偶发服务器[3]（Sporadic Server，SS）。
　　在DS中，引进一个新的最高优先级任务，这个任务也就是服务器。它有一个周期Ts和一个容量（Budget）Es。在运行时态，当一个非周期性任务达到时，如果服务器有可用容量，就立即开始执行，直到任务完成或服务器容量耗尽;如果服务器没有可用容量，那么非周期进程会被挂起（或转换为后台优先级）。在DS模型中，服务器容量每Ts个单位被补充一次。
　　SS的操作不同于DS在于它的容量补充策略。在SS中，如果一个任务在t时刻到达，并要求使用容量e,那么服务器在时间t后的Ts个时间单位补充容量e。通常，SS能提供比DS更高的容量，但同时也增加了实现的开销。