嵌入式系统的能耗管理方法技术方案

本发明专利技术提出一种嵌入式系统的能耗管理方法，特别适用于基于电池供电的嵌入式实时系统的能耗管理，在降低嵌入式系统能耗的同时，保证任务执行的实时性和可靠性，包括如下步骤：对于嵌入式系统需执行的由ｎ个实时周期任务组成的任务集，求解任务集内的每个实时周期任务Ｔｉ的执行频率ｆｉ的最优解，使得嵌入式系统的可靠性最大化，且执行所有实时周期任务所需的能耗满足能耗约束条件，且所有实时周期任务满足时序约束；嵌入式系统的处理器在执行实时周期任务Ｔｉ时，将处理器的频率设置为步骤中解得的该实时周期任务的执行频率ｆｉ；在进一步的技术方案中，使用人工鱼群算法对任务执行频率的最优解进行求解，具有收敛速度快、非劣解质量高、鲁棒性强的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及嵌入式系统能耗管理
，特别适用于基于电池供电的嵌入式实时系统的能耗管理。
技术介绍
在嵌入式系统设计中，系统的高性能带来的能耗需求越来越大，特别是对于电池 供电的嵌入式系统，越来越高的能量需求与有限的电池容量之间的矛盾正变得越来越突 出。因此，如何使嵌入式系统能够根据当前能耗的提供情况调整自身行为，适应能耗约束变 化，从而提高能耗的利用率已成为嵌入式系统设计者面临的严峻挑战。 在现有的嵌入式系统低功耗实现技术中主要分为静态低功耗和动态低功耗技术， 静态低功耗技术主要是从硬件角度涉及电子元器件；动态低功耗技术是从软件的角度来实 现的，主要从操作系统、编译器和嵌入式应用程序三个层次来实现对低功耗的优化设计。动 态电压调节(Dynamic VoltageScaling， DVS)技术提供了一种操作系统级别的能耗管理能 力，随着大规模集成电路的发展，越来越多的现代处理器采用了 DVS技术。DVS技术可以根 据需要动态地改变处理器的运行电压和时钟频率，由于频率与电压成正比，功耗和电压的 二次方成正比，降低电压可以有效地降低功耗，同时也导致任务的执行时间延长，如果任务 的执行时间太长以至于超过其截止期，那么该任务的执行宣告失败。并且，研究表明处理器 的执行频率越低，系统的可靠性越低。因此在能耗管理中，要兼顾系统的能耗限制，实时性 及可靠性，现有的能耗管理技术中，如公开号为CN101515338A的中国专利技术专利申请公布说 明书所公开的一种降低嵌入式系统功耗的方法，仅考虑系统的能耗优化，而现有技术中还 未有兼顾系统的能耗限制，实时性及可靠性的嵌入式系统能耗管理方法。 人工鱼群算法(AFSA)最早是由李晓磊等人在2002年提出的一种新型的寻优算 法，该算法模拟鱼集群游弋觅食的行为，通过鱼之间的集体协作使群体达到最优化的目的。 AFSA先初始化一群人工鱼，然后通过迭代搜寻最优解。在每次迭代中，人工鱼主要 是通过觅食、聚群和追尾等行为来更新自己，从而实现寻优，具体行为描述如下 (1)觅食行为指鱼循着食物多的方向游动的一种行为。人工鱼&在其视野内随 机选择一个状态Xj，分别计算它们的目标函数值并比较，如果发现Yj比1优，则Xi向Xj的 方向移动一步；否则，Xi继续在其视野范围内随机移动选择状态Xj，判断是否满足前进条 件，反复尝试try皿mber次之后，仍没有满足前进条件，则随机移动一步使得&到达一个新 的状态。 (2)聚群行为指每条鱼在游动过程中尽量向临近伙伴的中心移动并避免过分拥挤的一种寻优行为。人工鱼Xi搜索其视野内的伙伴数目及中心位置，若伙伴中心位置状态较优且不太拥挤，则Xi朝伙伴的中心位置移动一步，否则执行觅食行为。 (3)追尾行为指鱼向其可视域范围内的最优方向移动的一种行为。人工鱼&搜索其视野内的所有伙伴中函数值最优的伙伴，如果最优伙伴的周围不太拥挤，则&朝此伙伴移动一步，否则执行觅食行为。 (4)行为选择根据所要解决问题的性质，每条人工鱼对当前所处环境进行评价， 从而选择一种合适的行为执行。如先模拟执行觅食，聚群，追尾行为，然后评价行动后的目 标函数的值，选择最优行为执行。 (5)公告板在执行完一次迭代后将当前状态与公告板保存的状态进行比较，若 优于公告板中的状态则用自身状态更新公告板中的状态，否则公告板的状态不变。当整个 算法的迭代结束后，输出公告板的值，即为我们所求的最优值。
技术实现思路
有鉴于此，为了解决上述问题，为此，本专利技术提出一种嵌入式系统的能耗管理方法，兼顾系统的能耗限制、实时性及可靠性，在降低嵌入式系统能耗的同时，保证任务执行 的实时性和可靠性。本专利技术的目的是这样实现的，包括如下步骤 1)对于嵌入式系统需执行的由n个实时周期任务组成的任务集，求解任务集内的 每个实时周期任务Ti的执行频率&的最优解，使得嵌入式系统的可靠性最大化，且执行所 有实时周期任务所需的能耗满足能耗约束条件，且所有实时周期任务满足时序约束； 2)嵌入式系统的处理器在执行实时周期任务Ti时，将处理器的频率设置为步骤 1)中解得的该实时周期任务的执行频率fi。 进一步，所述嵌入式系统的可靠性最大化是指该任务集内的实时周期任务的执行频率f i满足下式<formula>formula see original document page 5</formula> 式中<formula>formula see original document page 5</formula> ，其中，e为自然指数，&表示实时周期任务Tt在最坏情况下执行所需的时钟周期数<formula>formula see original document page 5</formula>，其中，a 。为执行频率最大时对应的系统瞬时故障率均值，d为常数，为系统瞬时故障对处理器频率和电压的敏感度，fmin为经归一化处理后的处理器频率最小值； 进一步，所述执行所有实时周期任务所需的能耗满足能耗约束条件是指该任务集 内的实时周期任务的执行频率fi满足以下约束<formula>formula see original document page 5</formula> 式中，Ebudgrt为系统能耗约束值，Ei (fi)为执行任务&所需的能耗， <formula>formula see original document page 5</formula>，其中Pindi为执行实时周期任务&所需要消耗的与频率无关的动态 功耗，Crf为嵌入式处理器的有效开关电容； 进一步，所述所有实时周期任务满足时序约束是指执行频率&满足以下约束<formula>formula see original document page 5</formula> 式中，&为实时周期任务1\的执行截止期； 进一步，步骤1)中，使用人工鱼群算法对实时周期任务1\的执行频率&进行求 解； 进一步，使用人工鱼群算法对实时周期任务1\的执行频率f i进行求解具体包括如下步骤 11)初始化人工鱼群，人工鱼的状态数组X(X" X2， X3， X4 XM)中的每一个状态 值分别对应任务集中的一个实时周期任务的执行频率fi ;设置食物浓度函数F(X)为 II i^nRi(fi);计算每条人工鱼的奖赏值； 12)找出鱼群中最优的人工鱼，将其状态值记录到公告板；初始化算法参数； 13)每条人工鱼分别模拟执行觅食、追尾、聚群行为，选择最优行为作为该条人工 鱼最终执行的行为； 14)将步骤13)执行行为后的人工鱼状态与公告板记录的人工鱼的状态进行比 较，若优于公告板中记录的状态则用该人工鱼当前状态更新公告板中的状态，否则公告板 记录的状态不变； 15)重复步骤13、 14)的迭代，直到达到迭代完成条件，则输出公告板的记录的状 态，即执行频率fi的最优解； 进一步，步骤ll)中初始化人工鱼群的步骤具体包括 用一个NXM维的随机数组初始化人工鱼群，该本文档来自技高网...

【技术保护点】
嵌入式系统的能耗管理方法，其特征在于，包括如下步骤：１）对于嵌入式系统需执行的由ｎ个实时周期任务组成的任务集，求解任务集内的每个实时周期任务Ｔ↓［ｉ］的执行频率ｆ↓［ｉ］的最优解，使得嵌入式系统的可靠性最大化，且执行所有实时周期任务所需的能耗满足能耗约束条件，且所有实时周期任务满足时序约束；２）嵌入式系统的处理器在执行实时周期任务Ｔ↓［ｉ］时，将处理器的频率设置为步骤１）中解得的该实时周期任务的执行频率ｆ↓［ｉ］。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗钧，刘永锋，付丽，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]