多资源单处理器及多核系统上节能调度问题的研究

【摘要】：随着微电子技术的发展和嵌入式系统功能越来越强大,系统能耗已经增加到电池供电和风冷散热的极限,成为制约嵌入式发展的瓶颈。所以低功耗设计是嵌入式设计中需要考虑的重要因素。本文首先讨论现在广泛应用的多资源单处理器系统的节能调度问题,然后讨论代表未来多核发展趋势的基于电压岛的多核系统的节能调度问题。 动态电压缩放技术(DVS)和动态电源管理技术(DPM)是嵌入式系统广泛应用的两种节能关键技术。现在主流的嵌入式电子产品采用由支持DVS的处理器和支持DPM的多个外设构成的实时嵌入式系统,所以本文首先讨论这种多资源单处理器系统的节能调问题,其中系统采用帧任务模型,系统中实时任务的数目是固定的,并且考虑设备工作状态切换的时间开销和能量开销。本文的目标是找到最优的任务调度,它包括任务的执行顺序、任务频率分配和设备工作状态切换的时机。对于不同的任务模型,本文提出了基于0-1非线性规划(0-1INLP)的能耗优化算法。 目前研究领域大量关于节能调度问题的研究主要集中在单处理器和多处理器系统的节能调度,而未来多核系统将成为嵌入式系统的发展趋势,但是关于多核系统的节能问题研究工作比较少。多核系统的电压岛技术将多核划分成若干个电压岛,每个电压岛有独立的电源管理系统,它综合考虑了硬件设计的复杂性和电源管理效率,是多核系统节能技术的一种发展趋势。本文讨论了同构电压岛(或簇)多核系统的节能调度问题,论文提出的节能调度算法综合考虑了时间限制和频率限制。首先,本文指出当不考虑任务截止时间约束时,电压岛的关键频率序列与电压岛内处理器核数目、漏电功耗相关,与电压岛的任务负载无关。当考虑任务时间约束时,对于给定的任务划分,本文给出一个多项式复杂度的能耗最优算法；对于不确定的任务划分,本文提出一个全局优化算法,从3个维度：活跃电压岛数目、任务划分、任务频率分配来优化多核系统的能耗。 本文通过大量的模拟实验,验证了本文提出的节能方法明显优于其它方法,并有很高的效率。 【关键词】：嵌入式系统 能耗 DVS DPM 优化
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP332;TP316
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 引言11-19
• 1.1 课题背景11-12
• 1.2 研究意义12-13
• 1.3 研究现状及问题13-16
• 1.3.1 多资源单处理器系统的研究现状及问题13-14
• 1.3.2 基于簇的多核系统的研究现状及问题14-16
• 1.4 本文创新点16-17
• 1.4.1 多资源单处理器系统的创新点16
• 1.4.2 基于簇的多核系统的创新点16-17
• 1.5 论文组织结构17-19
• 第2章 相关工作19-29
• 2.1 嵌入式实时系统简介19
• 2.2 多资源单处理器系统的能耗19-20
• 2.3 基于簇的多核系统的能耗20-21
• 2.4 能耗原理及节能技术概述21-25
• 2.4.1 CMOS集成电路的功耗21
• 2.4.2 处理器能耗21-22
• 2.4.3 节能技术22-25
• 2.5 最优化问题简介25-26
• 2.6 数学规划软件综述26-28
• 2.7 本章小结28-29
• 第3章 多资源单处理器系统的节能调度问题29-49
• 3.1 系统模型及假设29-32
• 3.2 说明动机的例子32-33
• 3.3 任务模型分类33-34
• 3.4 ZFOV-FLEX模型34-37
• 3.4.1 算法第一阶段——任务分组算法34-35
• 3.4.2 算法第二阶段——建立数学模型35-37
• 3.5 ZFOV/POV-FIX模型37-41
• 3.5.1 算法第一阶段——确定设备活动区间38-39
• 3.5.2 算法第二阶段——建立数学模型39-41
• 3.6 POV-FLEX模型41-43
• 3.6.1 保守算法42
• 3.6.2 高效的启发式算法42-43
• 3.7 性能评估43-48
• 3.7.1 实验方法43-45
• 3.7.2 实验结果及分析45-48
• 3.8 本章小结48-49
• 第4章 基于簇的多核系统的节能调度问题49-65
• 4.1 系统模型及假设49-51
• 4.1.1 电压岛和能耗模型49-50
• 4.1.2 基于簇的多核系统的能耗管理50-51
• 4.1.3 问题模型的定义51
• 4.2 关键频率序列51-53
• 4.3 给定任务划分下的能耗最优化问题53-57
• 4.3.1 缩小时间区段的取值区间54
• 4.3.2 最优解算法54-57
• 4.4 多维度下的DVFS多核系统能耗最小化问题57-60
• 4.5 性能评估60-63
• 4.5.1 能耗最小值对比60-62
• 4.5.2 不同电压岛划分的能耗对比62-63
• 4.6 未来的工作63-64
• 4.7 本章小结64-65
• 第5章 结论与展望65-67
• 5.1 结论65-66
• 5.1.1 多资源单处理器系统能耗问题的研究65
• 5.1.2 基于簇的多核系统的能耗问题的研究65-66
• 5.2 未来工作的展望66-67
• 5.2.1 多资源单处理器系统能耗问题的展望66
• 5.2.2 基于簇的多核系统能耗问题的展望66-67
• 参考文献67-73
• 致谢73-75
• 研究生阶段的科研项目和论文工作情况75

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