單處理器及多處理器系統(tǒng)節(jié)能技術的研究.pdf

1、隨著數(shù)字化進程的日益加劇，系統(tǒng)的節(jié)能問題顯得越發(fā)的重要。節(jié)能技術優(yōu)劣不但影響電池供電嵌入式系統(tǒng)的使用或工作時間，即生命周期（lifetime），而且很大程度上決定了大規(guī)模系統(tǒng)（例如數(shù)據(jù)中心）的電費開銷。為了延長嵌入式系統(tǒng)的生命周期，以及降低大規(guī)模系統(tǒng)的運行成本，在軟件和硬件層次上，大量工作對節(jié)能技術進行了研究。在硬件方面，許多處理器提供了動態(tài)電壓縮放(DVS)的功能，即處理器可以工作在不同的電壓/頻率上。同時，幾乎所有的外圍設備也支持動

2、態(tài)電源管理(DPM)，即設備具有多種不同的工作狀態(tài)或模式。在軟件方面，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)負載（任務）在處理器上的工作狀態(tài)、任務劃分和調(diào)度以及使用外設的方式來達到節(jié)能的目的。隨著片外設備數(shù)量的增加和多核系統(tǒng)的普及，多資源以及多核系統(tǒng)的節(jié)能問題受到了越來越多的關注。
　　本文從軟件層面上，主要對單處理器多資源和多核實時系統(tǒng)的節(jié)能問題進行深入的研究。首先，在單處理器系統(tǒng)中，根據(jù)設備和處理器的功耗在系統(tǒng)總體功耗中所占的不同比例，給出不同的解決方

3、法。其次，根據(jù)多核系統(tǒng)不同的劃分以及任務的不同特性，提出相應的解決方法。具體來說，本文工作主要包含以下幾個方面:
　　(1)在處理器功耗占系統(tǒng)功耗主要部分（外設功耗可忽略或是恒為常量）的單處理器系統(tǒng)中，考慮處理器模式切換的時間和能量開銷，研究能耗敏感的實時任務調(diào)度及其可調(diào)度性測試條件。首先，提出新的可調(diào)度性測試條件，大大降低了其悲觀性;其次，通過任務合并消除處理器的空閑模式，大大減少模式切換次數(shù)，從而降低功耗;最后，放松對處理器在

4、每個協(xié)周期內(nèi)對休眠時間的限制，使算法適用于更多類型的處理器。
　　(2)針對外設功耗處于系統(tǒng)整體功耗的決定性部分的嵌入式系統(tǒng)，研究了典型的無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)的節(jié)能問題。無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)在監(jiān)控系統(tǒng)等應用中被廣泛采用，因為傳感節(jié)點往往是由電量有限的電池供電，所以，如何恰當?shù)目刂泼總€傳感節(jié)點的能量消耗從而最大化WSN的生命周期是至關重要的。本文研究輸油管道監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器節(jié)點的線性布置問題，目的是最大化該WSN的生命周期。對于簡

5、單的等距布置方式，首先，說明基于被普遍接受的理想功耗模型的一個結論（增加傳感器節(jié)點可以增加WSN的生命周期）并不適用于真實的功耗模型;然后，研究等功耗放置方式，并將該問題建模為混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP);最后，提出兩個高效的啟發(fā)式算法，從相反的方向搜索各傳感節(jié)點工作的功耗等級。與等距放置策略相比，提出的兩個啟發(fā)式算法大大的降低了系統(tǒng)能耗，有效地平衡了各傳感節(jié)點的能耗，顯著的增加了WSN的生命周期。其中一個算法的結果與MILP的最優(yōu)解幾

6、乎相同。
　　(3)在處理器與外設功耗相當?shù)南到y(tǒng)中，研究單處理器多外設實時系統(tǒng)的節(jié)能調(diào)度問題。具體工作主要包含兩個部分。首先，對于簡單的基于幀的周期任務，針對連續(xù)和離散處理器頻率模型，本文分別提出高效的算法，通過計算使系統(tǒng)運行能耗最小的處理器最優(yōu)頻率和設備最優(yōu)空閑時間，來實現(xiàn)全系統(tǒng)節(jié)能。其次，本文研究具有固定數(shù)量實時任務和固定數(shù)量外設的系統(tǒng)，考慮不可忽略的設備轉(zhuǎn)換時間和能耗開銷，找出能耗最優(yōu)調(diào)度，包括任務的執(zhí)行順序，任務的運行頻率

7、以及設備狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時間點。對于不同的系統(tǒng)配置，分別采用數(shù)學規(guī)劃結合啟發(fā)式算法的方式解決該問題，實驗結果表明提出的算法大大降低了系統(tǒng)的能耗。
　　(4)對于多核實時系統(tǒng)，研究劃分為簇(cluster)或島(island)的多核體系結構的節(jié)能調(diào)度問題，這種體系結構下，每個島上的所有處理器（核）具有相同的工作電壓和頻率。該研究綜合考慮了系統(tǒng)的時間和頻率約束，對實時任務提出能耗最小化的調(diào)度算法。首先，證明在不考慮時間約束的情況下，每個島的

8、能耗最小化的最優(yōu)頻率并不依賴于映射到該島上的負載，而是依賴于該島的核數(shù)及其漏電功耗。然后，針對具有時間約束的系統(tǒng)，在固定任務劃分情況下，提出一多項式復雜度的算法最小化能耗，并證明其最優(yōu)性。最后，給出多項式復雜度的整體算法來確定系統(tǒng)活躍島的數(shù)量，任務劃分和任務頻率分配。實驗表明該算法在節(jié)能方面大大優(yōu)于相關的方法，并且分析了不同簇劃分的節(jié)能效果。
　　(5)研究同質(zhì)多處理器/多核系統(tǒng)并行實時任務的節(jié)能調(diào)度問題。對于執(zhí)行在固定個數(shù)處理器

9、上的并行任務，首先，提出幾個基于層裝箱(level-packing)的啟發(fā)式任務調(diào)度算法，大大降低各層內(nèi)的空閑時間;然后，提出一個多項式復雜度能耗最小化算法，并證明其最優(yōu)性。對于執(zhí)行并行任務的處理器個數(shù)可以變化的情況，提出另一個多項式復雜度的算法來確定執(zhí)行各個任務的處理器個數(shù)，任務調(diào)度以及任務的頻率分配。實驗結果表明提出的算法可以大大的降低系統(tǒng)的能耗。
　　總之，本文綜合研究了單處理器及多處理器系統(tǒng)的節(jié)能技術。首先，研究單處理器多