單處理器及多處理器系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究.pdf

1、隨著數(shù)字化進(jìn)程的日益加劇，系統(tǒng)的節(jié)能問(wèn)題顯得越發(fā)的重要。節(jié)能技術(shù)優(yōu)劣不但影響電池供電嵌入式系統(tǒng)的使用或工作時(shí)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(fèi)開(kāi)銷(xiāo)。為了延長(zhǎng)嵌入式系統(tǒng)的生命周期，以及降低大規(guī)模系統(tǒng)的運(yùn)行成本，在軟件和硬件層次上，大量工作對(duì)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了研究。在硬件方面，許多處理器提供了動(dòng)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(shí)，幾乎所有的外圍設(shè)備也支持動(dòng)

2、態(tài)電源管理(DPM)，即設(shè)備具有多種不同的工作狀態(tài)或模式。在軟件方面，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)負(fù)載（任務(wù)）在處理器上的工作狀態(tài)、任務(wù)劃分和調(diào)度以及使用外設(shè)的方式來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。隨著片外設(shè)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(wèn)題受到了越來(lái)越多的關(guān)注。
　　本文從軟件層面上，主要對(duì)單處理器多資源和多核實(shí)時(shí)系統(tǒng)的節(jié)能問(wèn)題進(jìn)行深入的研究。首先，在單處理器系統(tǒng)中，根據(jù)設(shè)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(wù)的不同特性，提出相應(yīng)的解決方法。具體來(lái)說(shuō)，本文工作主要包含以下幾個(gè)方面:
　　(1)在處理器功耗占系統(tǒng)功耗主要部分（外設(shè)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(shí)間和能量開(kāi)銷(xiāo)，研究能耗敏感的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度及其可調(diào)度性測(cè)試條件。首先，提出新的可調(diào)度性測(cè)試條件，大大降低了其悲觀性;其次，通過(guò)任務(wù)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(duì)處理器在

4、每個(gè)協(xié)周期內(nèi)對(duì)休眠時(shí)間的限制，使算法適用于更多類(lèi)型的處理器。
　　(2)針對(duì)外設(shè)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的節(jié)能問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用中被廣泛采用，因?yàn)閭鞲泄?jié)點(diǎn)往往是由電量有限的電池供電，所以，如何恰當(dāng)?shù)目刂泼總€(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的能量消耗從而最大化WSN的生命周期是至關(guān)重要的。本文研究輸油管道監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的線(xiàn)性布置問(wèn)題，目的是最大化該WSN的生命周期。對(duì)于簡(jiǎn)

5、單的等距布置方式，首先，說(shuō)明基于被普遍接受的理想功耗模型的一個(gè)結(jié)論（增加傳感器節(jié)點(diǎn)可以增加WSN的生命周期）并不適用于真實(shí)的功耗模型;然后，研究等功耗放置方式，并將該問(wèn)題建模為混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃(MILP);最后，提出兩個(gè)高效的啟發(fā)式算法，從相反的方向搜索各傳感節(jié)點(diǎn)工作的功耗等級(jí)。與等距放置策略相比，提出的兩個(gè)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(diǎn)的能耗，顯著的增加了WSN的生命周期。其中一個(gè)算法的結(jié)果與MILP的最優(yōu)解幾

6、乎相同。
　　(3)在處理器與外設(shè)功耗相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)中，研究單處理器多外設(shè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的節(jié)能調(diào)度問(wèn)題。具體工作主要包含兩個(gè)部分。首先，對(duì)于簡(jiǎn)單的基于幀的周期任務(wù)，針對(duì)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(guò)計(jì)算使系統(tǒng)運(yùn)行能耗最小的處理器最優(yōu)頻率和設(shè)備最優(yōu)空閑時(shí)間，來(lái)實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)節(jié)能。其次，本文研究具有固定數(shù)量實(shí)時(shí)任務(wù)和固定數(shù)量外設(shè)的系統(tǒng)，考慮不可忽略的設(shè)備轉(zhuǎn)換時(shí)間和能耗開(kāi)銷(xiāo)，找出能耗最優(yōu)調(diào)度，包括任務(wù)的執(zhí)行順序，任務(wù)的運(yùn)行頻率

7、以及設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間點(diǎn)。對(duì)于不同的系統(tǒng)配置，分別采用數(shù)學(xué)規(guī)劃結(jié)合啟發(fā)式算法的方式解決該問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的算法大大降低了系統(tǒng)的能耗。
　　(4)對(duì)于多核實(shí)時(shí)系統(tǒng)，研究劃分為簇(cluster)或島(island)的多核體系結(jié)構(gòu)的節(jié)能調(diào)度問(wèn)題，這種體系結(jié)構(gòu)下，每個(gè)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(shí)間和頻率約束，對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)提出能耗最小化的調(diào)度算法。首先，證明在不考慮時(shí)間約束的情況下，每個(gè)島的

8、能耗最小化的最優(yōu)頻率并不依賴(lài)于映射到該島上的負(fù)載，而是依賴(lài)于該島的核數(shù)及其漏電功耗。然后，針對(duì)具有時(shí)間約束的系統(tǒng)，在固定任務(wù)劃分情況下，提出一多項(xiàng)式復(fù)雜度的算法最小化能耗，并證明其最優(yōu)性。最后，給出多項(xiàng)式復(fù)雜度的整體算法來(lái)確定系統(tǒng)活躍島的數(shù)量，任務(wù)劃分和任務(wù)頻率分配。實(shí)驗(yàn)表明該算法在節(jié)能方面大大優(yōu)于相關(guān)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(shí)時(shí)任務(wù)的節(jié)能調(diào)度問(wèn)題。對(duì)于執(zhí)行在固定個(gè)數(shù)處理器

9、上的并行任務(wù)，首先，提出幾個(gè)基于層裝箱(level-packing)的啟發(fā)式任務(wù)調(diào)度算法，大大降低各層內(nèi)的空閑時(shí)間;然后，提出一個(gè)多項(xiàng)式復(fù)雜度能耗最小化算法，并證明其最優(yōu)性。對(duì)于執(zhí)行并行任務(wù)的處理器個(gè)數(shù)可以變化的情況，提出另一個(gè)多項(xiàng)式復(fù)雜度的算法來(lái)確定執(zhí)行各個(gè)任務(wù)的處理器個(gè)數(shù)，任務(wù)調(diào)度以及任務(wù)的頻率分配。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)。首先，研究單處理器多