多核实时约束下基于DVFS/DPM节能技术的任务调度研究

In the real-time embedded areas，especially in consumer electronic products and portable computing devices，energy consumption is now of primary consideration．As to real-time applications for the current multi-core systems, we will analyze and discuss the real-time energy-efficient scheduling strategies in multi-core systems based on Dynamic Voltage Frequency Scaling (DVFS) / Dynamic Power Management (DPM) from homogeneous multi-core to heterogeneous multi-core. In the meantime, these strategies are well related to our goals about the tradeoff between system performance and energy saving under the conditions of the different architecture. Then, we go deep into optimization techniques of the DVFS/DPM-based real-time energy-efficient scheduling strategies in the multi-core systems mainly for the aspects of the periodic hard real-time task model and sporadic weakly hard real-time task model. The schedulability analysis model of the energy-efficient scheduling strategies is created for us to evaluate the tradeoff between feasibility and energy saving of task sets. Finally, the preliminary energy-efficient experiments with the prototype are provided for industrial application in the field of consumer electronic embedded products from the levels of task management and storage management. Consequently, combining system architecture, DVFS/DPM-based energy management and real-time task model to explore the real-time energy-efficient scheduling strategies in the multi-core systems，laying a theoretical and technical basis，the work is of great theoretical significance and practical application importance．

在实时嵌入式领域，如消费类电子设备和便携式领域，能耗是需突出考虑的因素。本课题针对多核系统的实时应用，基于动态电压频率调节（DVFS）/动态电源管理（DPM）技术，研究和探索如何将实时任务节能调度策略从传统多处理器延伸到多核处理器系统，如何从同构多核系统延展到异构多核系统，以合理折中不同体系结构特点带来的性能增益和能耗上升。随后重点针对周期性和偶发性的并行硬实时任务和弱硬实时任务的特征，进一步结合系统层和应用层的要求而优化节能调度策略。再者研究实时节能调度管理的性能和能耗的评价技术，提出节能调度策略的可调度性分析模型。最后实现多核系统中实时节能调度器原型系统，为在消费类嵌入式领域的工业化应用提供试验平台。因此，本课题所做的如何基于DVFS/DPM节能技术针对多核实时系统的任务调度策略的研究工作，将为今后多核系统在嵌入式实时领域的大规模应用打下坚实的节能控制理论基础，具有重大的实际应用价值。

在多核系统的实时应用领域，能耗是需突出考虑的因素。本课题根据多核实时系统的能耗层次化分布的特点，基于动态电压频率调节（DVFS）/动态电源管理（DPM）技术，重点在细粒度的调度策略以及粗粒度的任务划分等层面开展了相应的研究工作。即针对多核系统常见的周期任务模型，在不违反周期任务集可调度性的基础上,通过在每个TL面的初始时刻、任务提前完成时刻实现节能调度，提出了一种基于动态松弛时间回收的策略；并且进一步针对嵌入式实时系统存在的不可忽视的状态切换开销，通过TL面流调度模型与处理器实际切换开销模型相结合，提出了一种开销敏感的周期任务在线多处理器节能实时调度算法。模拟实验结果表明,以上算法不仅保证了周期任务集的最优可调度性,而且当任务集总负载超过某一个值后,其整体节能提升近20％。而在偶发性任务模型的研究上，课题组进一步扩展了TL面对偶发任务进行预测性分析的调度策略，其效果在高负载的环境下表现突出。同时，通过考虑多核结构下共享Cache和共享总线对多线程实时调度的干扰，提出了一种迭代的满足系统能耗节余与实时截止期约束之间的合理平衡的WCET估值分析方法。.在进行细粒度节能调度策略研究的同时，重点研究了视频流为对象的弱硬实时多任务环境下，提炼嵌入式多核系统节能效率与用户QoS的实时关联关系，挖掘了典型算法设计因面向特定应用而存在的大粒度节能需求。例如通过预测视频服务器未来工况的变动趋势，结合细粒度的多核实时调度策略，建立神经网络模型预测下一时间周期的温度，实现视频数据中心能耗优化。又如选择图像处理的HEVC技术规范，就图像帧之间的相关性和局部特性，采用对编/解码计算量的合理预测，实现图像处理的能效优化。目前，这些研究成果已经在终端设备节能和系统级平台节能上获得相关专利授权，为下一步考虑实际开销和复杂通信结构的多核节能研究，提供了良好的工作基础。