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1、华中科技大学 硕士学位论文 实时系统中基于容错的节能调度算法研究 姓名：付霞 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：韩建军 2011-01-17 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 实时系统的能耗问题一直是研究的热点。节能可以通过软件和硬件的手段来实 现。到目前为止，大部分的软件节能都是基于动态电压调整DVS（Dynamic Voltage Scaled） 。不过，最近的研究表明，利用DVS进行节能的同时，会提高系统的短暂性错 误发生率，导致系统的可靠性降低。因此，在通过DVS节能调度的同时保证系统的可 靠性成为一个新的研究分支。 通过引入容错技术
2、，可以保证节能调度时系统的可靠性。容错主要是通过冗余设 计来实现的，在软件节能调度时，用来实现容错的冗余资源主要是空闲时间。空闲时 间在实时系统中是一个敏感的概念，特别是在使用 DVS 节能的实时系统中，空闲时 间成为平衡能耗和可靠性的关键性因素。 在了解了各种节能和容错相关技术的基础上，重点研究了能兼顾容错和节能的 RA-PM 算法，对其进行了改进和扩展。对于动态的 RA-PM（Reliability-Aware Power Management）算法，针对就绪队列只有一个任务的情况，对原算法进行扩展，通过对 包裹任务进行“重组” ，避免空闲时间浪费；然后对原算法进行改进，加入对空闲的 截止
3、期延长时间的推迟处理，以提高空闲的利用率。对于静态的 RA-PM 算法，提出 哑任务的概念，将静态空闲转化为动态空闲，实现静态和动态空闲的一致管理，使静 态空闲得到充分利用。 实验结果表明， 改进的算法与原算法相比， 可靠性不变， 但具有更好的节能效果。 关键词：关键词：单处理器系统，实时调度，节能，容错 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 II Abstract The energy consumption of real-time systems has been the research focus. There are software and hardware met
4、hods for energy-saving. So far, most of software techniques are based on DVS (Dynamic Voltage scaled). However, recent research shows that DVS has a direct and adverse effect on the transient fault rates, and will reduces the reliability of the system. Therefore, energy conservation through the DVS
5、while maintaining system reliability has become a new research branch. By introducing fault-tolerant technology, system reliability can be ensured. Fault tolerance is mainly achieved by redundant design. Usually during energy saving by software techniques, slack time is the main redundancy resource.
6、 However, Slack time is a sensitive concept in real-time system, especially when using DVS for energy-saving, which becomes a key factor to balance energy consumption and reliability of the system. Based on the understanding of a variety of energy conservation and fault-tolerant related technologies
7、, focus on the RA-PM (Reliability-Aware Power Management) algorithm, which considers these two technologies together, this study expands and improves it. For the dynamic RA-PM algorithm, at first we expand the original algorithm. Considering when there is only one task in the ready queue, we propose
8、 the concept of wrapper tasks “reorganization” to avoid slack waste. Then we reconsider the timing of the wrapper tasks deadline extension in order to increase the utilization of idle, by which we improve RA-DPM algorithm. For static RA-PM algorithm, we introduce the concept of dummy task and change
9、 static slack to dynamic slack, and then we can manage static slack with wrapper task like dynamic slack and make full use of static idle slots. Experimental results show that compared with the original algorithm our algorithm can achieve better energy efficiency and keep the same reliability as the
10、 origin. Keywords: Uniprocessor system, real-time scheduling, energy saving, fault-tolerance. 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解
11、学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 1 1 绪论绪论 1.1 课题研究背景和意义课题研究背景和意义 在过去的二十多年里，各大生产商竞相提高时钟频率以提高处理器性能，
12、因 而台式电脑处理器设计的主要差异就是速度。一个最好的例子就是，早期的英特 尔和 AMD 都全身心地研究提高速度的方法，双方都热衷于领先于对方研制出更 高频率的处理器。最后，AMD 于 2000 年 3 月 7 日抢先推出了全球第一款 1GHz 处理器，暂时领先于英特尔成为赢家，然而英特尔也不甘示弱，在短短的三天之 后也宣布了他们自己的 1GHz 处理器，由此可见，处理器的速度之争正处于白热 化阶段。但在这期间，业界也慢慢开始认识到：处理器时钟频率的升高，会为计 算机带来一系列的负面影响，硬件复杂性的增长就是其中之一1。此外，基于 CMOS（Complementary Metal Oxide
13、Semiconductor）的处理器，其动态能耗 dynamic P，即指令执行所需要的能量，正比于时钟频率f和操作电压 dd V，其关系 式为fVP dddynamic 2 ，其中fVdd。因此处理器的能量消耗会随着时钟频率的增 长而快速增长。 处理器能耗的增加会带来一系列的副作用。一方面，能耗的快速增加势必会 缩短供应电源的使用时间和寿命， 特别是对于一些依靠有限电池或太阳能供电的 嵌入式实时系统，能量被视为最重要的资源之一，因此节能成为嵌入式设备制造 商们日益关注的问题2, 3, 4。 另一方面， 能耗的快速增加所产生的大量的热量会对 系统的稳定性产生影响，同时造成系统可靠性的下降5。简
14、单的例子如：普通的 电脑当 CPU 产生的热量过高时，电脑速度会减慢或者直接自动关机，手机在热 量过高时会出现通话中断甚至爆炸的可能。能耗快速增加所带来的种种危害，促 使了各种节能技术的产生，现有的节能技术包括硬件节能技术和软件节能技术。 硬件节能主要是通过改进处理器的制造工艺来实现，例如，研究发现英特尔处理 器消耗的电能中，很大一部分是被晶体管的漏电流消耗的，而现在的处理器芯片 中晶体管数目日趋庞大，因此改善单个晶体管所产生的增殖效应，将会给整个设 备带来巨大的能量节省6。在软件节能方面，最为简单的节能技术就是当设备处 于空闲时，让设备人为或自动的转为休眠状态。除此以外，比较常用的方法是在
15、华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 2 处理器的调度程序中嵌入各种节能调度算法。 目前大部分的节能调度算法都是基 于动态电压调节 DVS 技术，该技术利用了前面所述的能耗与操作电压和时钟频 率之间的关系，在任务运行时，通过适当的降低 CPU 的操作电压，从而使能耗 按电压的立方比例减少。 但是最近的研究发现，使用 DVS 会提高系统短暂性错误的发生率，使得系 统的可靠性下降7, 8，因此在通过 DVS 节能调度的同时，为系统引入容错技术成 为一个新的研究分支。早期，人们对于节能和容错的研究都是独立进行的，因此 虽然对于独立的两个分支已经存在大量的研究， 但是将二者结合考虑的研究才刚 刚起步。 实时系统由于具有响应时间快，可靠性高等特点，在航空航天、军事、核工 业等一些关键领域得到广泛应用。其中大多数的实时系统也是能量约束的，系统 的生命周期很大程度上受到电池寿命的影响， 因此实时系统中的节能也是非常重 要的。在普通系统中，通过 DVS 技术来换取能耗的节省不会有太大影响，但在 时间敏感的实时系统中， 使用 DVS 技术会减少空闲时间并延长任务的执行时间， 如果使用不当会导致任务的执行时间超过其截止期，甚至会带来灾难性的后果。 此外，随着实时系统在安全关键领域的应用，如核电站控制系统、飞行控制系统 和病人监护系统等，可靠性也逐渐成为实时系统的重要特性。为了避免
