文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
分布式实时系统能耗优化设计方法研究
姓名:胡潇
申请学位级别:博士
专业:计算机系统结构
指导教师:龚育昌
20050501
摘要领域的研究热点。其中,、航空航天和军事装备等众多领域里有着广泛的应用。顾名思义,其首要设计目标是要确保系统满足定时约束。随着电路规模的飞速增长,能耗问题已成为实时系统又一重要的设计约束。与其他系统相比,实时绕涫欠布式实时低车哪芎脑际痈丛雍脱细瘛K裕绾卧诼愣ㄊ痹际那疤嵯尽可能降低系统能耗已成为目前实时系统设计的迫切需求和新的挑战。纵观各层次的低能耗研究成果,设计层次越高,节能潜力越大,因而此类研究的重心已逐渐向系统级能耗优化设计倾斜。特别是在分布式实时系统设计领域,将新兴的硬件节能机制同系统级设计过程相结合,已成为最有效的能耗优化设计策略。分布式实时系统的系统级设计过程由任务调度、任务同步和资源分配三大步骤组成,其结果相互影响、相互制约,共同决定系统的整体行为。因此,为切实有效的优化系统能耗,本论文‘将自&耗优化引入整个设计过程中,全面考察了底层硬件节能机制在各个设计步骤中的有效应用,提出了一套较为完整的分布式实时系统能耗优化设计理论和实现技术。实时系统的能耗优化设计必须以正确、高效的可调度性验证为基础。由于实际复杂的分布式实时系统包含了释放时间抖动、偶发任务、贪心同步、非确定性执行时间等不稳定因素,传统的可调度性验证手段己无法适用,必须启用严格的形式化验证技术。由于描述模型的选择不仅会对建模的准确度和难度产生实质性影响,而且会直接决定语义模型的特点及模型检测的方式,进而影响验证过程同能耗优化过程的可结合性。对此,本文首先分析比较了目前各种描述模型在表达能力和建模难度等方面的优劣,选择时间魑D勘晗低车慕9ぞ撸昃〉墓槟闪烁飨钕统特征在该模型中的表达方式,并引入一种基于状态类空间遍历的可调度性验证方法,为后续能耗优化设计奠定基础。基于动态电压调整哪芎挠呕鞫燃际跏堑鼻笆凳毕低衬芎挠呕杓谀芮绷Φ氖涤梅椒āS捎谝延械睦胂逥调度研究所采用的可调度性验证技术无法适用于具有上述不稳定因素的分布式实时系统,相应成果也就无法满足此类系统的低能耗设计需求。为此,本文以形式化可调度性验证为基础,从权衡设计效奉论文的工作得到国家自然科学基金桶不帐∽匀豢蒲Щ淖手
因素——非确定性执行时间,提出了一种新的分布式实时系统同步协议,约定各子议,能够有效缓解响应时间波动问题,并提供了一种新颖的编译实现方法;率和能耗优化效果的角度出发,提出了一种能耗渐变率驱动的贪心式离线鞫算法,并利用时间茨羁占涞男灾剩呕松杓乒蹋虾玫慕饩隽艘胄式化验证后的高复杂度问题,既有效开发了谀芮绷Γ布婀肆朔椒ㄊ涤眯浴同步协议设计是分布式实时系统设计的重要问题。不同的同步方式会极大的影响系统的各项性能指标。针对成本绕涫侨砑杀受限的系统设计,贪心同步协议由于其易实现性而成为最佳的同步策略,但它会导致较大的响应时间波动。对此,本论文首次将底层节能机制与同步协议相结合,围绕造成响应时间波动的关键任务尽可能以最大执行时间完成,以缩小执行时间变化幅度,缓和任务响应时间的波动。该协议的实现依赖于单任务鞫龋4耍疚奈迫绾卧谠诵惺本吩估程序的剩余最大周期数这一单任务鞫鹊暮诵奈侍猓岢隽艘恢中问交谋译分析算法,以及若干旨在降低预估开销的优化实现技术,既有效支持了上述同步协议的实现,又降低了系统能耗。分布式实时系统的资源分配不仅直接决定目标系统的性能与成本,也会深刻影响到后续离线鞫榷缘撞阌布谀芮绷Φ挠行Х⒒印?疾烨笆隼胂逥调度的结果,当共享同一处理单元的互斥子任务的最终频率相差较大时,该处理单元上的子任务切换会导致过大的频率调整开销。围绕如何缩小互斥子任务间频率差这一问题,本文提出了一种以均匀化任务利用率为指导的启发式资源分配方法。该方法从一个无共享的初始分配方案开始,逐步施加资源约束,直至系统满足其成本限额,且各任务的利用率趋于均匀,使各任务在离线鞫仁庇涤邢嘟那痹诮灯的芰Γ从而减小甚至消除互斥子任务的最终频率差,降低频率调整开销。在实现时,本文利用时间刺占涞谋浠媛桑蚧搜橹す蹋岣吡俗试捶峙涞男省综上,本文所做出的主要贡献如下:岢隽艘恢帜芎慕ケ渎是姆植际绞凳毕低忱胂逥调度方法,能够以很低的时间代价获得接近最优的频率设置结果:诠凇⑼馐状翁岢隽艘恢忠劳杏贒机制的新型分布式实时系统同步协岢隽艘恢忠跃然挝窭寐饰V傅嫉姆植际绞凳毕低匙试捶峙浞椒ǎ显著减小目标系统的频率调整开销。摘要
关键词:分布式实时系统;能耗优化调度;同步协议;资源分配形式化可调度性验证;时间摘要
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