（计算机系统结构专业论文）面向能耗优化的分布式实时系统调度算法研究.pdf

摘要 摘要 实时系统，特别是运行在安全关键应用领域的分布式实时系统，具有十分严格 的及时性和可靠性要求。随着当前系统能耗已经成为计算系统的重要设计约束，如 何在实时系统设计中进行能耗优化，已经成为实时系统研究中亟待解决的问题。实 时调度是保障实时系统及时性和可靠性的重要方法。实时系统能耗优化调度将能耗 优化机制与既有的实时调度策略相结合，从系统整体行为中挖掘其潜在的节能能力， 已成为实时系统能耗优化设计最有效的策略。 本论文1 以分布式实时系统的能耗优化调度算法设计为方向，分别对分布式强实 时系统的可调度性验证的形式化方法、实时任务调度、容错实时调度等关键问题进 行了深入的研究，提出一系列相关方法和策略，以期进一步完善实时系统能耗优化 调度方法。 实时系统的可调度性验证是确保实时系统满足及时性的重要手段，是实时系统 设计中的关键技术。分布式实时系统大量复杂特征的引入，需要采用更严谨的形式 化验证方法来判断实时系统是否满足定时约束。针对这一现状，本论文在对当前已 有实时系统的形式化描述模型的表达能力和建模难度进行分析比较的基础上，提出 了一种与频率相关的时间p c t r i 网悯r t p n 模型，以及基于该模型的可调度性验 证方法。f r t p n 引入交迁频率设置空间以及频率相关的静态引发时域，支持面向频 率调节的能耗优化调度研究；同时它增加一类抑制弧支持容错机制的建模：另外， 本论文在借鉴现有时间p c t r i 网相关验证技术的基础上，给出了f r t p n 模型的基于 状态类的可调度性验证方法，并通过对检查点容错策略进行建模验证了f r t p n 模型 的有效性。 、 基于动态电压调整( d v s ) 技术的实时能耗优化调度方法已经成为实时系统能 耗优化设计的最有效策略。针对现有分布式实时系统离线d v s 调度算法采用的系统 描述模型普遍缺乏全面准确刻画任务特征的能力，难以支持复杂分布式实时系统的 可调度性验证的问题。本论文以f r t p n 模型上的实时系统可调度验证为基础，提出 了一种基于能耗时间渐变率的启发式离线d v s 调度算法，综合考虑了频率调整对 系统能耗与松弛时间造成的影响，并以此为指导对待调频任务进行选择。另外，本 1 本论文的工作得到国家自然科学基金( n o 6 0 2 7 3 0 4 2 ) ，安徽省自然科学基金( n o 0 7 0 4 1 2 0 3 0 ) 和高校博士点 基金( n o 2 0 0 5 0 3 5 8 0 4 0 ) 的资助 摘要 论文还对任务分配进行了深入研究，提出了一种以任务利用率均匀化为目标的任务 分配方法，以减少频率切换过程导致的能耗开销。在上述算法实现过程中，本论文 根据f r t p n 模型状态空间的变化规律，优化系统状态空间的生成过程，提高了算法 的实现效率。 容错技术是保障实时安全关键系统可靠性的重要手段，而基副版本容错调度是 目前解决分布式实时系统容错问题的有效方法。针对当前基副版本容错实时调度中 缺乏对能耗优化机制考虑的问题，本论文对基副版本容错系统的d v s 能耗优化调 度展开研究。首先提出一种离线设置处理器执行频率的静态容错d v s 调度算法，在 此基础上提出能够在线收集动态松弛时间并进行再分配的动态容错d v s 调度算法t 最后提出一种以尽量推迟副版本释放时间为目标的基副舨本时限优化分配算法。模 拟试验表明，上述算法能够有效地改善容错实时系统的能耗开销。 综上所述，本论文所做工作的主要贡献与创新特色体现在以下三个方面： ( i ) 提出了一种能够有效对系统的能耗特征和容错机制建模的频率相关时间 p c t r i 网模型册n 及其相关可调度性验证方法，能够满足复杂的分布实时系统 的建模及面向能耗优化的实时系统可调度性验证需求。 ( 2 ) 提出了一种以系统能耗时间渐变率为指导的离线d v s 调度算法( e t g b s ) 以及一种以任务利用率均匀化为目标的任务分配算法( u b t a ) ，有效降低系统的能 耗开销。 ( 3 ) 首次开展了基s , j 版本容错系统的能耗优化调度研究，提出了相应的静态 d v s 调度算法( p b s s ) 、动态d v s 调度算法( p b d s ) 以及基副版本的时限优化分 配算法( p b d a ) ，在满足分布式容错实时系统的及时性、可靠性的前提下，降低系 统能耗。 关键词：分布式实时系统；能耗优化；实时调度；容错实时调度；形式化可调 度性验证；频率相关时间p e t r i 网( f r t p n ) a b s t r a c t a b s t r a c t t o d a y , r e a l - t i m es y s t e m se s p e c i a l l yd i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e m si ns a f e t y - c r i t i c a l d o m a i na r eu b i q u i t o u sa n dh a v ew i d ea p p l i c a t i o np e r s p e c t i v e r e a l t i m es y s t e m sh a v et h e e x t r e m e l ys t r i c td e m a n do nt i m e l i n e s s a n dt h er e l i a b i l i t y t oa v o i dt h ec a t a s t r o p h i c c o n s e q u e n c e so fm i s s i n gd e a d l i n e s ，i ti se s s e n t i a lt h a tr e a l - t i m et a s km e e td e a d l i n e se v e n i np r e s e n c eo ff a u l t s m o r e o v e r , p r o c e s s o rp e r f o r m a n c eh a si m p r o v e da tt h ee x p e n s eo f d r a s t i c a l l yi n c r e a s i n gp o w e rc o n s u m p t i o ni nr e c e n ty e a r s e n e r g yc o n s u m p t i o nh a s b e c o m eac r i t i c a lc o n s t r a i n ti nr e a l - t i m es y s t e md e s i g n h o wt og u a r a n t e et a s kd e a d l i n e s w h i l es t a y i n gw i t h i ne n e r g yc o n s t r a i n t sh a sa l r e a d yb e c o m et h ei s s u ew h i c hi su r g e n t l y a w a i t e dt ob es o l v e di nt h er e s e a r c hf i e l do fr e a l - t i m es y s t e m t h er e a l t i m es c h e d u l i n g p o l i c i e sc a ns a f e g u a r dt i m e l i n e s sa n dt h er e l i a b i l i t yi nr e a l t i m es y s t e m e n e r g y - e f f i c i e n t r e a l t i m e s c h e d u l i n gw h i c hi s a nc o m b i n a t i o no fd v sm e c h a n i s ma n dr e a l - t i m e s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，e x p l o r i n gi t s l a t e n te n e r g yc o n s e r v a t i o no ns y s t e ml e v e l ，h a s b e c o m et h em o s te f f e c t i v es t r a t e g yi nr e a l - t i m es y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o no p t i m i z a t i o n d e s i g n i nv i e w o fd i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e md e s i g nd e m a n d ，w et a k et h ee n e r g y - e f f i c i e n t d e s i g na st h em a i ns t a r t i n gp o i n t , s e p a r a t e l yc o n d u c t st h er e s e a r c hi nt h es c h e d u l a b i l i t y v e r i f i c a t i o n , r e a l t i m et a s ks c h e d u l i n g , f a u l tt o l e r a n ts c h e d u l i n gi nd i s t r i b u t e dh a r d r e a l - t i m es y s t e m s w ep r o p o s e das e r i e so fc o r r e l a t i o n sm e t h o d sa n ds t r a t e g y f u r t h e r m o r e ， w ec o m p l e t et h ee n e r g y - e f f i c i e n ts c h e d u l i n gf o rd i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e m sb yt h et i m e s c h e d u l a b i l i t yv e r i f i c a t i o no fr e a l t i m es y s t e m si sa ne s s e n t i a lw a yt od e t e r m i n e w h e t h e rag i v e nc a s ks e ti ss c h e d u l a b l e d u et om a s s i v ec o m p l e xc h a r a c t e r i s t i c so f d i s t r i b u t e dr e a l - t i m es y s t e m s ，i t si n d i s p e n s a b l et ou s ot h em o r er i g o r o u sf o r m a l i z e d m e t h o dt og u a r a n t e et a s kd e a d l i n e s t os u p p o r tt h er e s e a r c ho nt h ee n e r g y - e f f i c i e n t s c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o rr e a l t i m et a s k s ，a ne x t e n d e dt i m e p e t f in e tm o d e l ，f r t p n ( f r e q u e n c yr e l a t e dt m a ep e t r in e t ) i sp r o p o s e d f r t p ni n t r o d u c e st h ef r e q u e n c ys p a c e a n df r e q u e n c y - r e l a t e df i r i n gi n t e r v a lo ft h et r a n s i t i o n ，w h i c hs u p p o r tm o d e l i n gd i s t r i b u t e d r e a l t i m e s y s t e m sa n di n t e g r a t i n g t h es c h e d u l a b i l i t yv e r i f i c a t i o ni n t ot h e e n e r g y o p t i m i z a t i o n s w ed e f i n ef r t p nw i t ht h ei n h i b i t o ra r c sf o rf a u l tr e c o v e r y m o r e o v e r , a b s t r a c t f o r m a ls e m a n t i c so ff r t p ni s p r e s e n t e da n dm e t h o d sf o re n e r g ye v a l u a t i o na n da r e a c h a b i h t ya n a l y s i sm e t h o dw h i c hi sb a s e df i l l s t a t e s p a c ee n u m e r a t i o na p p r o a c ha r e g i v e n t h cf a a s i b i h t yo ft h ep r o p o s e da p p r o a c hi sp r o v e nb yt h ef a u l tt o l e r a n c es c h e d u l i n g i nr e a l t i m es y s t e m sw i t h c h e c k p o i n ts c h e m e d y n a m i cv o l t a g es c a l i n g v s ) i sa l le f f e c t i v et e c h n i q u ef o rr e d u c i n gp r o c e s s o r e n e r g yc o n s u m p t i o n , a n dc a nb ee f f e c t i v e l ya p p h e di n t ot h er e a l - t i m es y s t e m sf o r e n e r g y - e f f i c i e n tr e a l - t i m es c h e d u l i n g m o s te x i s t i n gs c h e d u h n gc 觚n o td e s c r i b es y s t e m c o m p r e h e n s i v e l y t o m o d e lc h a r a c t e r i s t i ci nt h ed i s t r i b u t e dr e a l - t i m e s y s t e m s c o n s e q u e n t l y ，t h e yc a nn o tb ea p p l i e dt ot h ec o m p l i c a t e dd e s i g nc a s e s t a k i n gt h ee f f e c t o ff r e q u e n c ys c a l i n gt oe n e r g ys a v i n ga n ds l a c kt i m ew a s t ei ns y s t e mi n t oa c c o u n t ，w e p r o p o s ea l le n e r g y t i m eg r a d i e n t - b a s e dd v ss c a l i n ga l g o r i t h mw i t hf o r m a lv e r i f i c a t i o n u s i n gf r t p na ss p e c i f i c a t i o nm o d e l s i na d d i t i o n ，w ep r e s e n tah e u r i s t i ct a s ka l l o c a r i o n a l g o r i t h m t or e d u c e p r o c e s s o re n e r g yc o n s u m p t i o n b ye x p l o r i n g s t a t e s p a c e t r a n s f o r m a t i o nr u l e , w ee n h a n c et h ee f f i c i e n c yo ft h ea l g o r i t h m f a u l t - t o l e r a n c ei st y p i c a l l ya c h i e v e dt h r o u i g hc o m p o n e n tr e d u n d a n c ya n dr e p l i c a t e d e x e c u t i o no ft a s k s i nr e a l - t i m es y s t e m s i ti sn e c e s s a r yt oe n s u r et h a tt a s kr e e x e c u t i o n d o e sn o tj e o p a r d i z et h et i m e l yc o m p l e t i o no ft a s k s e n e r g ya n a l y s i sr e l a t e dt os c h e d u l i n g a n dt i m e l i n e s so fr e a l - t i m es y s t e m sh a sb e e ne x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e d h o w e v e r , t h e r ei s n op r e v i o u sa t t e m p ti ne n e r g ya n a l y s i so fp r i m a r y b a c k u pf a u l t - t o l e r a n c em e c h a n i s m i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，w ei n v e s t i g a t ea ni n t e g r a t e da p p r o a c ht h a tp r o v i d e sf a u l tt o l e r a n c ea n d d v sm e c h a n i s mi nr e a l t i m e s y s t e m s f i r s t l y , w ep r o p o s e a p r i m a r y b a c k u p f a u l t - t o l e r a n c es t a t i cd v ss c h e d u l i n ga l g o r i t h m , s e t t i n gp r o c e s s o rf r e q u e n c yo f f - l i n e b e i n gb a s e do nt h i sw o r k , ad y n a m i cd v ss c h e d u l i n ga l g o r i t h ma d o p t sar e c l a i m i n g s c h e m et oc o l l e c t st h es l a c kt i m ea n dr e s i d u et i m eb u d g e ta n dr e d i s t r i b u t et h e mt 0o t h e r t a s k s a n dt h e n ，w ed e v e l o pah e u r i s t i ca l g o r i t h m ，w h i c hd e l a y st h er e l e a s et i m eo ft h e b a c k u pt a s ka sm u c ha sp o s s i b l e t h e r e b ym a k i n g i tm o r e l i k e l yf o rt h ep r i m a r yw i t hm o r e t i m et oe x e c u t ea n dd e c r e a s ee n e r g y a tl a s t ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e p r o p o s e dm e t h o dc a n r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o no ff a u l tt o l e r a n tr e a l t i m es y s t e m i ns u m m a r y , t h ec o n t r i b u t i o n sa n di n n o v a t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e ： ( 1 ) a ne x t e n d e dt i m ep e t r in e tm o d e l ，f r t p n ( f r e q u e n c yr e l a t e dt i m ep e t r in e t ) i s a b s t r a c t p r o p o s e 也w h i c hs u p p o r t sm o d e l i n gd i s t r i b u t e dt e a l - t i m es y s t e m sa n di n t e g r a t i n gt h e s c h c d u l a b i l i t yv e r i f i c a t i o ni n t ot h ee n e r g yo p t i m i z a t i o n s ( 2 ) ae n e r g y t i m eg r a d i e n t b a s e dd v ss c a l i n ga l g o r i t h m ( e t g b s ) i sp r o p o s e d , w h i c hp u tm o r ea t t e n t i o no nf r e q u e n c ys c a l i n gi n f l u e n c i n gt oe n e r g ya n dt a s ke x e c u t et i m e a n dat a s ka l l o c a t i o na 1 9 0 r i t h m 巾b t a ) i sp r o p o s e d , w h i c hc a nd e c r e a s ep r o c e s s o r f r e q u e n c ys w i t c h i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ( 3 ) f o rt h ef i r s tt i m e ，d e s i g no fe n e r g y - a w a r es c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ，a n dad e a d l i n e a l l o c a t i o n a l g o d t h mi np r i m a r y b a c k u p f a u l t - t o l e r a n tr e a l - t i m es y s t e m st a k e sd v s m e c h a n i s mi n t oa c c o u n t i tc a ng u a r a n t e et i m e l i n e s sa n dr e l i a b i l i t yw h i l eb r i n g i n gm o r e s u b s t a n t i a le n e r g ys a v i n g 脚o r d s ：d i s t r i b u t e d r e a l t i m e s y s t e m s ，e n e r g y e f f i c i e n td e s i g n ，r e a l - t i m e s c h e d u l i n g , f a u l t - t o l e r a n t r e a l t i m e s c h e d u l i n g , f o r m a ls c h e d u l a b i l i t y v e r i f i c a t i o n , f r e q u e n e yr e l a t e dt i m ep e t r in e t ( f r 卯n ) 。t h er e s e a r c hi ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( n o 6 0 2 7 3 0 4 2 ) ， a n h u in a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( n o 0 7 0 4 1 2 0 3 0 ) a n dr e s e a r c hf u n df o r t h ed o c t o r a l p r o g r a mo fh i g h e re d u c a t i o no fc h i n a ( n o 2 0 0 5 0 3 5 8 0 4 0 ) 圈表目录 图表目录 图3 1 实时系统形式化描述方法分类2 7 图3 2 周期任务释放的f r t p n 模型3 5 图3 3 优化的周期任务释放的f r t p n 模型3 6 图3 4 包含释放时间抖动的周期任务的f r t p n 模型3 7 图3 5 资源共享的f r t p n 模型3 8 图3 6 检查点以及故障恢复3 9 图3 7 基于检查点容错机制的实时系统的f r i p n 模型4 0 图4 1 不同子任务在不同频率点的能耗渐变率 图4 2 不同子任务在不同频率点的时间渐变率 图4 3 任务分配过程的f r t p n 模型6 0 图4 4e t g b s 、g o d a 、i o d a 算法能耗比较6 3 图4 5 频率调整能耗的比较“ 图4 6 负载均衡性的比较 图5 1 基、副版本之间的时限分配7 8 图5 2 算法能耗优化效果比较8 l 表1 1 微处理器性能、功耗的比较3 表2 1 不同精度的冗余版本对调度的影响 表4 1 能耗渐变率d v s 调度实例5 0 表4 2 将表4 。i 中实例按照嘞s 算法调度的参数变化。5 5 表4 3 测试用例的相关参数生成方式6 2 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借闳，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：破 3 d 。7 年s 月d 日 致谢 致谢 感谢我的导师周学海教授。在这五年的学习生活中，周老师不但在学业上传授 给我丰富的专业知识，而且在生活上给予我无微不至的关怀。他正直的品格、严谨 的治学态度、以及对学科前沿敏锐的洞察力使我受益匪浅，这必将成为我受用终生 的财富。在此，我要向周老师表示衷心的感谢! 感谢赵振西教授和龚育昌教授。两位老师渊博的学识、勤勉的工作作风、乐观 的人生态度深深地感染着我。两位老师对我的关爱我会铭记在心。在此祝愿两位老 师身体健康，永远快乐! 感谢李曦教授。李老师对我的研究工作一直给予了极大的关注，他以多年把握 专业前沿积淀下来的敏锐视角为我提供了很多宝贵的意见和建议。李老师具有令人 敬重的人格力量，他的严于律己永远是我学习的榜样。 感谢同项目组的胡潇、王志刚、杨君、余洁、仲力在科研工作中的亲密合作， 以及研讨过程中带给我的有益启发。同时，感谢与我共事多年的各位实验室的兄弟 姐妹曾给予我的无私帮助。 感谢中国科学技术大学计算机科学技术系对我的多年培养。感谢包括陈国良院 士、王煦法教授、顾乃杰教授、杨寿保教授、熊焰教授、岳丽华教授、陈意云教授、 黄刘生教授、陈恩红教授、曹先彬教授、于天顺老师、李胜柏老师、卢贤若老师在 内的各位老师对我的教导和帮助。 感谢父母的抚育和培养，他们无私的关爱是我完成此文的前提，也是我未来继 续前进的动力。感谢我的男朋友王峰，与我同舟共济，共同进步。 感谢在百忙中抽出时间为我评阅论文的老师们。 最后，感谢所有关心、爱护、帮助过我的亲人和朋友l 第1 章绪论 第1 章绪论 实时系统( r e a l - t i m es y s t e m ) 自从二十世纪中叶出现以来，已经被广泛应用于 国防科技、航空航天、工业控制、电信行业、医疗行业、信息家电等领域。实时系 统，特别是运行在安全关键( s a f e t y - c r i t i c a l ) 应用的实时系统，如防空防御系统、 空间探测系统、飞行控制系统等，具有十分严格的及时性( t i m e l i n e s s ) 和可靠性 ( d e p e n d a b i l i t y ) 要求。另外，随着制造工艺的日益精密，集成电路的规模飞速发展， 系统的能耗问题日益凸现，能耗已成为实时系统的重要设计约束。如何保证在系统 出现故障的情况下，仍旧能够满足系统的及时性要求，同时尽可能地降低系统能耗， 已经成为目前实时系统设计的迫切需求和新的挑战。 实时调度( r e a l - t i m es c h e d u l i n g ) 旨在为一系列任务合理分配系统资源，确定 任务执行顺序，以满足实时系统的定时约束和资源约束。实时调度算法是保障实时 系统及时性和可靠性的最重要的手段之一，是实时系统研究中的热点问题。实时节 能调度方法结合既有的实时调度方法和硬件节能技术所提供节能机制，从系统整体 行为中挖掘其潜在的节能能力，已成为实时能耗优化设计最有效的策略。 本论文面向分布式强实时系统，深入探索系统底层节能机制在实时调度算法中 的应用。分别对面向能耗优化的无容错需求的实时任务调度策略以及有容错需求的 实时任务调度策略进行研究，并利用形式化验证以及算法分析两种不同方法对实时 系统的可调度性进行验证。 1 1 研究背景 实时系统是计算正确性不仅依赖于计算的逻辑结果，而且依赖于产生结果的时 间的系统【l l o 及时性是实时系统的一个最重要的特征。 实时系统能够及时响应外部事件，并在定时约束范围内完成对该事件的处理。 通常，对任务的定时行为所施加的约束称为定时约束( t i m i n gc o n s t r a i n t ) 。不同的实 时系统应用领域。定时约束要求不同。工业过程控制大都要求实时系统在1 秒钟之 内响应外部输入，而飞行控制系统对外部输入的响应需要在数毫秒内完成。任务满 足其定时约束称为可调度，所有任务均可调度的系统称为可调度的系统，判断一个 实时系统是否可调度的过程称为可调度性验证( s c h e d u l a b i l i t yv e r i f i c a t i o n ) 。 2 第1 章绪论 根据系统对定时约束要求的严格程度，实时系统分为两种类型：弱实时系统( s o f t r e a l - t i m es y s t e m ) 和强实时系统( h a r dr e a l - t n n es y s t e m ) 。允许任务以某种可以接 受的低概率延迟于定时约束执行的实时系统被称为弱实时系统，如联机事务系统、 电话交换系统、多媒体系统。对弱实时系统来说，满足定时约束不是唯一要考虑的 因素，偶尔错过时限甚至放弃执行也是可以容忍的，它更关注平均响应时间和高吞 吐率等指标。强实时系统是指当任务不满足定时约束即被认为是致命错误的系统。 强实时系统广泛应用于航空航天、军事、核工业等一些关键性领域中，因为这些领 域通常要求操作具有及时性，否贝i j 就可能造成事故，甚至引起灾难性后果。因此， 探索正确实用的强实时系统设计方法具有重大的实际意义，本论文针对这一领域进 行了深入研究。 实时系统能够通过任务调度算法确保任务执行的及时性。实时调度旨在为一系 列任务合理分配系统资源，确定任务执行顺序，以满足实时系统的定时约束和资源 约束。随着实时系统的设计越来越复杂，单机实时系统已经难以满足应用的计算要 求，分布式实时系统逐渐成为处理复杂应用的有效计算手段。 实时系统除了具有及时性之外，还需要有较高的可靠性。任何不可靠因素( 硬 件故障、软件故障) 以及这些不可靠因素引发的实时任务超时，都可能引起难以预 测的严重后果。鉴于许多实时系统所处的工作环境通常比较恶劣( 比如航空航天系 统周围一直存在大量的电磁辐射) ，修理和维护都十分困难，因此需要采用合理的容 错机制，使得系统在出现故障的情况下仍然能够继续运行，保障系统的及时性和可 靠性。 分布式实时系统固有的硬件冗余特性为提高系统可靠性奠定了基础。硬件冗余 4 1 1 5 1 是分布式容错系统中解决系统硬件故障的有效途径，然而它需要花费额外的硬件 代价实现系统的可靠性。容错实时调度不需要额外的硬件开销，是一种通过软件冗 余解决分布式实时系统容错问题的有效方法。相对于分布式实时调度算法为各个处 理器合理分配任务时需要在保证系统实时性的前提下，降低系统资源的需求、提高 系统的吞吐量的研究目标而言，分布式系统容错实时调度算法还需要考虑如何合理 利用冗余资源。 近年来，随着制造工艺的日益精密，集成电路的规模飞速发展，系统的能耗问 题日益严重。表1 1 对几款不同时期i n t e l 和a m d 生产的c t u 进行了比较，不难发 现：每次制造工艺更新换代，芯片的晶体管数量跟上一代相比平均提升一倍；在微 第1 章绪论 3 处理器性能提升的同时其功耗在随之显著增加。例如i n t e l8 0 3 8 6 的功耗仅有3 瓦， 发展到i n t e lp c n t i u m 其功耗已经达到8 6 瓦。功耗问题引发了难以解决的散热问 题，限制了处理器主频的进一步提高，影响了处理器的可靠性因此，近年来面向 能耗优化的系统设计方法成为学术界与业界共同关注的重点。 表1 1 微处理器性能、功耗的比较 集成晶体功耗 年代 处理器工艺 主频0 t z ) 管数 ( w a t t ) 1 9 8 9i n t e l8 0 3 8 6 i g m 2 7 5 k3 3 m 3 1 9 9 3i n t e lp e n t i u m 0 8 # m 3 1 m6 6 m1 5 1 9 9 7 a m d k 5 0 3 5 z m 4 3 m1 6 6 m1 6 1 9 9 7i n t e lp e n t i u m1 1 0 3 5 # m 7 5 m3 0 0 m1 6 4 3 1 9 9 9a m da t h l o n1 0 0 0 0 1 8 # m 3 7 m1 g5 4 2 0 0 0 i n t e ip c n t i u mr 1 0 1 8 # m 2 8 m1 g1 5 - 2 6 2 0 0 4m o b i k a 尬a t h l o n6 4 0 1 3 u n a 1 0 5 9 m3 4 g8 1 2 0 ( ) 4 i n t e lp e n t i u mi v6 3 09 0 n m1 2 5 m3 g8 6 2 0 0 5a m da t h l o n 6 43 5 0 0 + 9 0 n m 1 0 5 m 2 2 gm a x 6 7 2 0 0 5i n t e lp e n t i u me e8 4 09 0 n m2 3 0 m3 2 0 g1 3 0 2 0 0 6i n t e lc e l e r o nd3 5 2 6 5 l l r n1 8 8 m3 2 g8 6 a m da t h l o n6 4 x 2 2 0 0 66 5 蛐1 5 4 3 m2 1 g _ 2 6 g6 5 _ 7 6 b r i s b a n e 2 0 0 6i n t e lc o r e2d l i oe 6 3 0 0 6 5 n m1 6 7 m1 8 6 g6 5 实时系统在应用背景和设计目标上的特殊性，为低能耗设计带来了新的挑战和 发展机遇。在实时系统中考虑能耗优化设计主要基于以下两点原因： ( 1 ) 大量实时应用基于电池供电设备( 如航天探测器、蜂窝电话) ，能耗直接 影响到系统的可用性、体积、重量。 当前电池技术发展平缓，已无法满足系统规模增大对能量需求的迅速增长。因 此，实时系统设计中需要采用低能耗技术来降低系统能耗，使系统在有限电源供给 下尽可能延长工作时间，或者在定时约束下减小对电池的需求量来减轻系统所携带 电池的容量和重量。 ( 2 ) 实时应用在系统可靠性方面有较高的要求。 4 第1 章绪论 实时系统要求任务在定时约束范围内完成，一旦出现故障很可能导致任务错过 时限，造成严重的损失。高功耗带来的高热量会增加芯片封装和冷却的成本，同时 高温还会影响到系统的稳定性与可靠性，据统计，温度每升高1 0 ，器件的故障率 就要提高两倍f q o 如今，芯片的散热技术已经接近极限，高功耗成为阻碍微处理器性 能进一步提高的瓶颈。低能耗技术可以降低实时系统对散热和冷却的要求，从而节 省封装和冷却成本，提高系统的可靠性。 不论是否采用了容错技术，实时调度算法研究考虑的前提是：系统的硬件性能 完全确定的情况下，通过软件设计中采用不同的调度策略在满足定时约束的前提下， 提高资源利用率。而实时节能调度方法是考虑系统硬件性能可变的情况下，结合现 有的实时调度方法和硬件节能技术所提供的节能机制，从系统整体行为中挖掘其潜 在的节能能力。在实时系统中考虑能耗优化，仍然需要满足实时系统的定时约束。 因此，实时系统能耗优化设计需要解决如何在保证系统满足定时约束的前提下尽可 能降低其能耗这一问题。相应的，安全关键的实时系统的能耗优化设计需要保证在 系统出现故障的情况下，仍旧能够满足系统的及时性要求，同时尽可能地降低系统 能耗。 分布式实时系统在很多领域有着重要应用，例如卫星系统。在轨卫星是一个对 实时性要求非常严格的系统，系统中存在着大量周期性任务，例如卫星姿态控制、 运行轨道维护、空间或地面数据采集等等。除此以外，系统中还具有一些偶发任务， 例如接收地面突发的控制指令、运行故障检测等等。为了保证卫星的飞行安全，系 统要求无论是周期任务还是偶发任务都必须在规定的时限约束内完成。 以在轨卫星系统为代表的分布式实时系统具备以下几点特征： ( 1 ) 强实时性。在轨卫星的所有控制任务都是强实时性任务，都有着非常严格 的时限约束，在任何时刻都不能丢失相关的数据和信息，这是保证卫星飞行安全的 基本前提。 ( 2 ) 周期任务释放时间抖动。例如在轨卫星在进行地面数据采集前需要根据自 身的飞行状态调整必要的设备参数，这会导致数据采集任务启动延迟，即表现为释 放时间的抖动。 ( 3 ) 偶发任务。例如在轨卫星随时会接收并处理地面控制站发来的控制指令， 这类任务是偶发的，因而其释放并不服从周期性。任务一旦释放，也必须严格满足 第1 章绪论 s 定时约束，否则会造成灾难性的后果。 ( 4 ) 高可靠性。卫星所处的空间环境非常恶劣，任何不可靠因素( 硬件故障、 软件故障) 以及这些不可靠因索引发的实时任务超时，都可能引起难以预测的严重 后果。 ( 5 ) 低能耗。卫星系统采用太阳能电池