一種面向自主獲能異構系統(tǒng)的非精確實時任務調度方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及異構多處理器非精確實時任務的分配和調度技術，尤其涉及一種基于 能量采集系統(tǒng)中能量不確定性環(huán)境下的任務分配和調度技術。
【背景技術】
[0002] 實時系統(tǒng)是指能夠在系統(tǒng)規(guī)定的時間內完成指定的任務，并就完成的情況做出響 應的系統(tǒng)。實時系統(tǒng)具有很強的時間約束性，根據(jù)時間約束的強弱，實時系統(tǒng)又可以分為軟 實時系統(tǒng)和硬實時系統(tǒng)。軟實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)的時間限制具有一定的彈性，它可以容忍偶 爾的超時任務；硬實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)必須在規(guī)定的時間內完成規(guī)定的任務，它不允許出現(xiàn) 任何的超時，一旦超時可能會帶來嚴重的后果。實時系統(tǒng)正是因為其高度的可靠性，最近這 些年，嵌入式實時系統(tǒng)被越來越廣泛的應用于軍事、航天航空、信息采集以及環(huán)境勘測等領 域。
[0003] 對于嵌入式實時系統(tǒng)的能量管理方面的研究一直是國內外學者的研究焦點，比較 著名的能量管理技術有動態(tài)電壓頻率調節(jié)技術（DVFS)以及動態(tài)電源管理技術（DPM)。雖然 使用DPM和DVS技術進行能量管理能夠在降低系統(tǒng)能耗方面取得不錯的效果，但是這種方 法對于系統(tǒng)的硬件要求較高，不支持可變頻和動態(tài)功率選擇的處理器該技術是無法被應用 的。
[0004] 在能量受限的嵌入式實時系統(tǒng)中，任務可能由于能量不足而無法按時完成。雖然 通過降低任務執(zhí)行頻率可以減少系統(tǒng)能耗，但這亦不可避免地增加了任務的執(zhí)行長度，從 而推遲了后續(xù)任務的執(zhí)行，甚至于導致后續(xù)任務無法按時完成。在實時系統(tǒng)中，當任務無法 按時完成時，稱系統(tǒng)違背實時約束。為了盡可能避免因系統(tǒng)過載或者資源不足而違背實時 約束，提高系統(tǒng)的可靠性和健壯性，JaneW.SLiu等在1987年提出一種非精確計算技術。 當系統(tǒng)資源受限或者不確定時，可以利用非精確技術進行自適應的任務調度，以權衡系統(tǒng) 的服務質量與系統(tǒng)資源。現(xiàn)如今，嵌入式系統(tǒng)往往需要被應用在一些自然環(huán)境極其惡劣的 地方，對于這些地方設備的電池更換基本無法由人力完成，所以，自主獲能系統(tǒng)應運而生， 并且研究者們針對自主獲能實時系統(tǒng)的任務調度機制進行了深入而廣泛地研究。但是，目 前的研究所針對的大部分都是同構的處理器和任務，對于異構處理器和任務方面的研究還 很少。異構處理器是指同一個任務在不同的處理器上執(zhí)行相同的長度最終所消耗能量是不 一樣的。同樣，異構任務是指不同的任務在同一個處理器上執(zhí)行相同的時鐘周期最終所消 耗的能量也是不一樣的。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明是在自主獲能環(huán)境下，結合任務和處理器的異構特性，通過對非精確實時 任務的分配以及調度來最大化系統(tǒng)的服務質量。本發(fā)明在分配任務的時候考慮了系統(tǒng)可用 能量的不確定性，并且結合任務和處理器的異構特性來決定任務的調度。
[0006] 本發(fā)明的一種面向自主獲能異構系統(tǒng)的非精確實時任務調度方法，包括以下步 驟：
[0007] 步驟一：獲取所有待分配的任務和所有待分配任務的處理器，并且計算所有處理 器的能耗貢獻因子，并將所有的處理器按照功耗貢獻因子從低到高進行排序；
[0008] 步驟二：取所有任務的分配長度為其強制部分，調度任務分配算法，并計算執(zhí)行強 制部分所需要的能量E1ot;
[0009] 步驟三：取所有任務的分配長度為其完整的長度，調度任務分配算法，并計算任務 執(zhí)行完整長度所需要的能量Ehlgh;其中，所述完整的長度為完整的強制部分和可選部分；
[0010] 步驟四：估計系統(tǒng)在任務集的調度周期[t，t+D]內可以使用的能量Esup;
[0011] 步驟五：判斷系統(tǒng)預測到的可用的能量Esup與ElOT以及Ehlgh之間的關系，并確定最 終的任務分配長度；
[0012] 步驟六：調度任務分配算法，將任務分配到處理器上；
[0013] 步驟七：計算所有處理器上任務-處理器能耗因子EC，并將任務按照"任務-處 理器能耗因子"進行升序排列；
[0014] 步驟八：計算所有任務執(zhí)行其強制部分所需要的能量，然后計算出所有任務的可 選部分可以使用的剩余能量Ε_1;
[0015] 步驟九：在系統(tǒng)可選部分可用能量下迭代地計算任務可選部分的執(zhí)行長度，并返 回新的任務集，其中每個任務可選部分的執(zhí)行長度已經(jīng)確定；
[0016] 步驟十：計算每個處理器上所應該分配到的能量占整個系統(tǒng)可用能量的比例hj
[0017] 步驟十一：對于每個處理器，結合系統(tǒng)采集到的能量來實時調度任務。
[0018] 所述任務分配算法具體包括：
[0019] 步驟A1 :根據(jù)任務的分配長度計算所有任務的能耗貢獻因子，并將任務按能耗耗 貢獻因子由高到低排序，并選取第一個處理器開始分配任務；
[0020] 步驟A2:依次將任務分配到處理器上，在分配每個任務的時候，檢查是否滿足任 務的時間約束以及當前處理器的容量限制；如果不滿足條件，則選取下一個處理器，直到所 有的任務全部分配完或者所有的處理器全部用完；如果所有處理器已全部選取完，但仍然 有任務未完成分配，則分配失敗；
[0021] 步驟A3 :返回并保存每個處理器上所分配的任務集。
[0022] 所述步驟四中的估計系統(tǒng)在任務集的調度周期[t，t+D]內可以使用的能量Esup是 使用指數(shù)平滑預測法，通過計算指數(shù)平滑值，并配合一定的時間序列模型對未來一段時期 的序列進行預測；其原理是任一期的指數(shù)平滑值都是本期實際觀察值與前一期指數(shù)平滑值 的加權平均；指數(shù)平滑法基于如下公式：
[0024] 其中，馬指代第i期的指數(shù)平滑值；而Xl是第i期的觀察值；ω(〇彡ω彡1)是 平滑常數(shù)，它使得指數(shù)平滑具有隨時間遞減的性質；4-1則是第i-Ι期的指數(shù)平滑值。
[0025] 所述步驟五中的確定最終的任務分配長度具體包括：
[0026] 步驟B1:判斷Esup是否小于或等于ElOT，如果是，則令所有任務的分配長度都為其 強制部分；否則，執(zhí)行步驟B2;
[0027] 步驟B2:判讀Esup是否大于或等于Ehlgh，如果是，則令所有任務的分配長度為其完 整的長度；否則，執(zhí)行步驟B3;
[0028] 步驟B3:令任務的分配長度為其強制部分和完整部分長度的中值；
[0029] 步驟B4 :調度任務分配算法，計算任務執(zhí)行分配長度所需要的能量EdM;
[0030] 步驟B5:判斷|Esup-EdaJ〈％，如果滿足，則得到任務的分配長度；否則，執(zhí)行步驟 B6 ;其中，ε為一個很小的正數(shù)，取值0-0. 1 ;
[0031] 步驟Β6 :判斷是否Esup大于Ed_如果是，則令任務的分配長度為其右區(qū)間的中值； 否則，令任務的分配長度為其左區(qū)間的中值，并返回步驟M。
[0032] 所述步驟九中的計算任務可選部分的執(zhí)行長度具體包括：
[0033] 步驟C1:判讀是否所有任務可選部分的執(zhí)行長度已確定，如果是，步驟九結束；否 貝1J，執(zhí)行步驟C2;
[0034] 步驟C2:判斷是否E。#大于0,如果是，執(zhí)行步驟C3 ;否則，令接下來還未確定可 選部分長度的所有任務可選部分的執(zhí)行長度為〇,步驟九結束；
[0035] 步驟C3:判斷是否I#滿足當前任務可選部分的完整執(zhí)行，如果是，則令當前任務 的可選部分執(zhí)行長度為其可選部分完整長度；否則，執(zhí)行步驟C4 ;
[0036] 步驟C4:當前任務可選部分的執(zhí)行長度為I#除以當前任務-處理器能耗因子 EC；
[0037] 步驟C5:更新系統(tǒng)中剩余任務可選部分能夠使用的能量E。#，并選取下一個任務， 返回步驟C1。
[0038] 所述步驟十一中實時調度任務具體包括：
[0039] 步驟D1 :基于比例系數(shù)k將系統(tǒng)中的能量分配給每個處理器；
[0040] 步驟D2 :判斷處理器Θ^上的任務是否都已經(jīng)執(zhí)行完，如果是，則步驟十一結束； 否則，執(zhí)行步驟D3;
[0041] 步驟D3 :判斷處理器Θ^中可用的能量是否能夠支持當前任務完成其強制部分和 由步驟九求出的任務可選部分的執(zhí)行長度的執(zhí)行，如果可以，則執(zhí)行該任務的強制部分和 其求出的任務可選部分的執(zhí)行長度；否則，執(zhí)行步驟D4 ;
[0042] 步驟D4 :判斷處理器Θ^中可用的能量是否能夠支持當前任務完成其強制部分， 如果可以，則執(zhí)行該任務的強制部分，否則，丟棄該任務；
[0043] 步驟D5 :更新處理器Θ^中可用的能量，并選取下一個任務；返回步驟D2。
[0044] 本發(fā)明通過這種任務分配算法可以使得在給定有限的能量下最大化系統(tǒng)所有任 務的執(zhí)行時鐘周期，從而來最大化系統(tǒng)的服務質量。在任務分配完成以后，每個任務都被綁 定到具體的處理器上，然后分析任務和處理器的特性，提出任務調度算法，使得對于同樣的 能量，本發(fā)明中提出的