容错实时嵌入式系统低功耗调度技术研究

论文摘要

随着嵌入系统应用的不断扩展,实时嵌入式系统的功耗和可靠性已经成为学术界和产业界关注的重点。低功耗/能耗技术和容错技术在实时嵌入式系统中具有重要意义,长期以来它们都是被作为两个相互独立的领域进行研究。目前许多应用在国防、空间和消费产品等领域的嵌入式实时系统往往既有功耗限制又有容错需求,而最新的一些研究成果又表明,功耗限制和容错需求往往存在相互矛盾。因此,在实时嵌入系统中将容错技术与低功耗技术融合具有重要的现实意义和应用价值。近年来,国外的一些学者已经开始将二者结合起来进行考虑和研究,并且受到学术界越来越多的重视。实时嵌入式系统容错与低功耗的融合可以在不同层次上实现,本文根据实时嵌入式系统资源往往受限,系统层的容错技术和低功耗技术具有开销小、灵活性强和效率高等特点,选择从任务调度来研究容错实时嵌入式系统的节能问题,本文的工作与成果主要有以下几点:1.目前容错与节能相结合的任务调度主要基于检查点和DVS展开。许多研究只考虑了检查点的时间开销,本文从检查点实现过程、动态功耗组成及DVS原理等方面研究认为在某些情况下检查点的功耗开销必须要考虑。建立了检查点的功耗模型,并基于该模型改进了基于检查点的DVS容错节能算法。分析和讨论了检查点功耗开销对最优检查点个数和节能效率的影响。2.针对目前DVS容错算法中离线算法实现简单、开销小,但对空闲时间的利用过于保守,在线算法空闲时间利用率高,但在线计算开销大、计算复杂等不足,本文提出了一种准静态的容错节能调度算法,它能以较低的在线时间开销达到近似在线算法的性能。此外,与目前大多数算法不同,我们考虑了DVS本身对暂时性故障率的影响,并且任务可以具有不同的可靠度,使得算法更接近现实应用。3.嵌入式系统的能量供给往往是十分有限的,如何在能量受限的环境下,最大化能量的利用率或使系统性能最优是目前实时系统低功耗研究领域的热点之一。本文研究了能量约束时,基于非精确计算模型ICM的实时容错调度问题,提出一种使系统性能优化的调度算法。该算法在离线阶段根据能量密度的优先级来选择要执行的任务的可选部分,达到静态性能最优;运行阶段通过动态资源回收,利用节余的能量进一步提高系统性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 实时嵌入式系统
• 1.1.2 嵌入式系统的功耗/能耗问题
• 1.1.3 嵌入式系统的可靠性
• 1.1.4 嵌入式系统容错与低功耗的融合
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 硬件层容错与低功耗的融合
• 1.2.2 软件层容错与低功耗的融合
• 1.3 研究内容
• 1.3.1 现有工作的不足
• 1.3.2 研究内容
• 1.4 论文结构
• 第二章 实时系统的容错技术与低功耗技术分析
• 2.1 引言
• 2.2 实时系统的容错技术
• 2.2.1 容错技术概述
• 2.2.2 实时系统的检查点技术
• 2.3 实时系统的低功耗技术
• 2.3.1 低功耗/能耗设计技术
• 2.3.2 DVS技术
• 2.3.3 实时节能调度技术
• 2.4 实时系统容错与低功耗相结合的调度技术
• 2.4.1 实时系统中容错与低功耗的关系
• 2.4.2 目前的研究现状
• 2.5 小结
• 第三章 检查点功耗开销的研究与分析
• 3.1 引言
• 3.2 嵌入式系统的检查点
• 3.3 检查点功耗开销的提出与建模
• 3.4 考虑检查点功耗开销的容错节能模型
• 3.5 分析与讨论
• 3.5.1 检查点功耗开销的影响
• 3.5.2 检查点功耗开销与时间开销及任务松驰程度的关系
• 3.6 小结
• 第四章 实时系统中容错约束下准静态节能调度技术
• 4.1 引言
• 4.2 相关工作
• 4.3 系统模型
• 4.3.1 处理器模型和能耗模型
• 4.3.2 任务模型
• 4.3.3 故障模型
• 4.4 算法描述
• 4.4.1 确立任务执行序列
• 4.4.2 离线部分
• 4.4.3 在线部分
• 4.5 模拟与分析
• 4.6 小结
• 第五章 基于ICM容错模型的有能量约束的实时任务调度
• 5.1 介绍
• 5.1.1 非精确计算容错模型
• 5.1.2 有能量约束的实时系统
• 5.1.3 基于值的调度
• 5.2 系统模型
• 5.2.1 功耗和能耗模型
• 5.2.2 任务模型
• 5.2.3 故障模型
• 5.3 可调度性分析
• 5.3.1 没有能量约束时的任务集可调度性分析
• 5.3.2 有能量约束时的任务集可调度性分析
• 5.4 算法描述
• 5.4.1 定义算法的性能指标
• 5.4.2 算法描述
• 5.5 模拟与分析
• 5.5.1 模拟设计
• 5.5.2 结果分析
• 5.6 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文