嵌入式系統(tǒng)的低功耗與可靠性技術(shù)研究

牟云飛

(泰山科技學(xué)院,山東泰安,271000)

1 工業(yè)化背景下的嵌入式系統(tǒng)低功耗建設(shè)需求

嵌入式系統(tǒng)在形式實(shí)現(xiàn)方面追求向集中性系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)化轉(zhuǎn)變，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出資源服務(wù)化、自由開放化、綠色化發(fā)展優(yōu)勢(shì)。在技術(shù)升級(jí)過(guò)程中，則希望基于實(shí)際應(yīng)用需要優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立高度模塊化技術(shù)體系，確保嵌入式系統(tǒng)重新配置到位，建立修改與擴(kuò)展機(jī)制。

在嵌入式系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，需要滿足其系統(tǒng)低功耗建設(shè)需求，不斷擴(kuò)充系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模，滿足系統(tǒng)功能需要，不斷增大系統(tǒng)能耗。在這里，低功耗就意味著較低的運(yùn)行成本以及較小的電池尺寸，要結(jié)合程序移動(dòng)性特色展開分析，了解能源資源消耗過(guò)程，最大限度減少能量消耗，有效控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體成本。在設(shè)計(jì)高效節(jié)能系統(tǒng)過(guò)程中，必須確保減少管理散熱開銷，確保結(jié)合優(yōu)化功率來(lái)從源頭上控制熱量產(chǎn)生，保證低功耗設(shè)計(jì)滿足嵌入式系統(tǒng)功能與建設(shè)規(guī)模有效擴(kuò)展。如果從可靠性需求層面展開分析，則要有效調(diào)整嵌入式系統(tǒng)控制流錯(cuò)誤，明確檢測(cè)難點(diǎn)，結(jié)合檢測(cè)跳轉(zhuǎn)基本塊信息設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，結(jié)合檢查程序運(yùn)行過(guò)程來(lái)分析信息分塊內(nèi)容，確保記錄信息一致性來(lái)判斷程序所發(fā)生的控制流錯(cuò)誤內(nèi)容，優(yōu)化控制流錯(cuò)誤檢測(cè)結(jié)果，提高嵌入式系統(tǒng)實(shí)施低功耗技術(shù)應(yīng)用可靠性[1]。

2 嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)低功耗技術(shù)原理與系統(tǒng)類型

2.1 技術(shù)原理

在分析嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)低功耗技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，需要首先明確其低功耗技術(shù)原理，保證人嵌入式系統(tǒng)任務(wù)有序合理調(diào)度，充分考慮系統(tǒng)整體能耗。就目前來(lái)看，嵌入式系統(tǒng)中就成功引入了芯片集成技術(shù)，它的微處理器性能表現(xiàn)優(yōu)越，這一優(yōu)越性就充分體現(xiàn)于制造生產(chǎn)與自動(dòng)化控制中，確保工業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定有序，當(dāng)然它也帶來(lái)了更高的溫度能耗。就嵌入式系統(tǒng)建設(shè)而言，需要分析低功耗設(shè)計(jì)需要，在CMOS電路功耗分析方面建立專門的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)功耗技術(shù)體系。而在系統(tǒng)空閑與低速運(yùn)行過(guò)程中，則要降低電源電壓運(yùn)行機(jī)制，最大限度降低電路功耗，分析動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)機(jī)制，結(jié)合處理器實(shí)時(shí)負(fù)載狀況或增加、或降低電源電壓。就這一技術(shù)原理分析結(jié)果看來(lái)，它需要建立DVS技術(shù)體系優(yōu)化低功耗問(wèn)題工，利用實(shí)際任務(wù)執(zhí)行狀況明確執(zhí)行時(shí)間，最終產(chǎn)生空閑時(shí)間。在這里，要利用空閑時(shí)間來(lái)降低處理器運(yùn)行頻率，同時(shí)延長(zhǎng)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間，降低系統(tǒng)整體生產(chǎn)運(yùn)行能耗。所以說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)與當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互結(jié)合，其系統(tǒng)中所集成的大量設(shè)備與傳感器配件豐富，在大規(guī)模實(shí)現(xiàn)通訊與數(shù)據(jù)交換方面表現(xiàn)出色，但實(shí)際上它也導(dǎo)致大量能耗出現(xiàn)，為此必須進(jìn)一步完善系統(tǒng)低功耗調(diào)度能力，優(yōu)化調(diào)度方法[2]。

2.2 系統(tǒng)類型

在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)該豐富系統(tǒng)類型，建立系統(tǒng)模型，這其中就包括了任務(wù)模型以及功耗模型。首先是任務(wù)模型，要根據(jù)周期任務(wù)建立實(shí)時(shí)任務(wù)模型，其任務(wù)中的調(diào)度周期任務(wù)應(yīng)該為T，且每個(gè)周期任務(wù)采用二元組表示相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合最壞情況執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行分析，確保任務(wù)實(shí)際執(zhí)行時(shí)間工小于其最壞情況執(zhí)行時(shí)間。具體來(lái)講，要結(jié)合EDF調(diào)度策略來(lái)分析整個(gè)任務(wù)集調(diào)度內(nèi)容。

其次是功耗模型，結(jié)合處理器功耗內(nèi)容建立與速度相關(guān)、無(wú)關(guān)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)功耗內(nèi)容，確保處理器能夠始終以勻速狀態(tài)運(yùn)行，其功耗模型應(yīng)該如下：

在上述模型中，優(yōu)化Cef建立電路負(fù)載電容，圍繞S變電壓處理器歸一化速度，圍繞處理器最大速度展開分析，如果最大速度為1時(shí)，最小速度應(yīng)該為Smin，假定處理提供連續(xù)速度，結(jié)合處理器功耗與速度關(guān)系常數(shù)展開分析，確保建立2 ≤Smin≤ 3 ，結(jié)合處理器總功耗建立系數(shù)，對(duì)處理器功耗P與速度S的單調(diào)遞增函數(shù)進(jìn)行分析，確保功耗大幅度降低，了解任務(wù)運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，增加靜態(tài)功耗，為任務(wù)運(yùn)行總能耗最優(yōu)情況進(jìn)行分析，了解處理器總能耗最低處理器速度。在使用DVS技術(shù)分析處理器速度，保證處理器同時(shí)處于運(yùn)行狀態(tài)、空閑狀態(tài)和休眠狀態(tài)。在該過(guò)程中可以選擇關(guān)閉處理器即能降低能耗消耗[3]。

另外，基于平均空閑時(shí)間分配相關(guān)算法，提出基于WCET比例休閑空間的策略分配機(jī)制，了解實(shí)驗(yàn)中所存在變量?jī)?nèi)容，對(duì)比值與任務(wù)集合總利用率進(jìn)行調(diào)整，專門采用控制變量法。具體來(lái)講，要將固定周期任務(wù)總利用率控制在0.7左右，同時(shí)觀察WCET比值變化，確保對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生正向影響。在具體實(shí)驗(yàn)中，要對(duì)WCET比值從1～10的變化進(jìn)行分析，確保步長(zhǎng)為1。結(jié)合LPABOASR算法的性能優(yōu)化節(jié)能效果。結(jié)合算法平均節(jié)省10%以上能耗，保證平均節(jié)省能耗超過(guò)5%。伴隨利用率的有效增加，它希望結(jié)合算法空閑時(shí)間分配策略內(nèi)容，優(yōu)化分配策略效果，將利用率控制在0.7～0.9范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)節(jié)能效果更好。在計(jì)算過(guò)程中至少節(jié)省5%以內(nèi)能耗[4]。

3 嵌入式系統(tǒng)基于平衡點(diǎn)的周期任務(wù)低功耗調(diào)度算法

3.1 研究動(dòng)機(jī)的提出

在研究嵌入式系統(tǒng)過(guò)程中，希望系統(tǒng)基于平衡點(diǎn)的周期任務(wù)展開低功耗調(diào)度算法優(yōu)化，明確研究動(dòng)機(jī)，建立Inter XScale處理器模型，結(jié)合實(shí)例方案建立任務(wù)集，如此就提出了明確的研究動(dòng)機(jī)。其中第一個(gè)任務(wù)集中就包含了多點(diǎn)任務(wù)，并在0時(shí)刻到達(dá)。在這里，需要分析處理器參數(shù)優(yōu)化功耗函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)功耗函數(shù)的有效簡(jiǎn)化，分析關(guān)鍵速度內(nèi)容，確保處理器轉(zhuǎn)換開銷到位，優(yōu)化空閑狀態(tài)下的功耗情況，計(jì)算空閑單位時(shí)間，必要時(shí)選擇關(guān)閉處理器，同時(shí)采用傳統(tǒng)DVS策略調(diào)度單位時(shí)間內(nèi)能耗。在這一過(guò)程中，需要保證多個(gè)單位時(shí)間同步運(yùn)行，確保剩余預(yù)留空閑時(shí)間較大。采用關(guān)鍵速度調(diào)度優(yōu)化節(jié)能效果，并繼續(xù)加入任務(wù)集，配合傳統(tǒng)DVS策略展開調(diào)度，計(jì)算調(diào)度速度與能耗，最終提出平衡點(diǎn)公式對(duì)關(guān)鍵速度調(diào)度任務(wù)算法進(jìn)行分析判定。一般來(lái)說(shuō)，要結(jié)合關(guān)鍵速度調(diào)度能耗增大這一現(xiàn)象來(lái)分析關(guān)鍵速度，優(yōu)化能耗最優(yōu)速度，提出平衡點(diǎn)公式判定關(guān)鍵速度調(diào)度任務(wù)算法，下文就提出LPABOBF算法，并合理應(yīng)用這一算法[5]。

3.2 LPABOBF算法的應(yīng)用

在利用LPABOBF算法來(lái)判斷平衡點(diǎn)，提出多點(diǎn)問(wèn)題并加以證明。首先提出問(wèn)題，針對(duì)任務(wù)中的到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行分析，了解截止時(shí)限，分析任務(wù)的可運(yùn)行時(shí)間，結(jié)合區(qū)間任務(wù)運(yùn)行不被搶占來(lái)討論任務(wù)內(nèi)容，避免其錯(cuò)過(guò)截止時(shí)限狀況。比如說(shuō)可以選擇DVS策略，結(jié)合關(guān)鍵速度策略分析最小能耗問(wèn)題。結(jié)合這一問(wèn)題，可以提出LPABOBF算法理論，選擇DVS策略展開調(diào)度，主要是參考DVS策略來(lái)計(jì)算運(yùn)行速度，選擇關(guān)鍵速度運(yùn)行內(nèi)容，確保所選擇的能耗達(dá)到最小。再一點(diǎn)，需要采用DVS策略調(diào)度最小能耗，結(jié)合關(guān)鍵速度策略處理器分析其關(guān)閉機(jī)制，了解任務(wù)能耗消耗狀況。在這一過(guò)程中，需要調(diào)整單調(diào)增函數(shù)，分析能耗最小值，將能耗降到最低。在關(guān)閉處理器以后，需要將所產(chǎn)生能耗采用DVS策略，確保所產(chǎn)生能耗有效降低。應(yīng)該利用XScale處理器功耗模型來(lái)代入簡(jiǎn)化表示機(jī)制，判斷任務(wù)管理機(jī)制，選用DVS策略來(lái)優(yōu)化關(guān)鍵速度策略算法，分析處理器速度，保證剩余最壞狀況下執(zhí)行時(shí)間與剩余可用執(zhí)行時(shí)間有效優(yōu)化?？傮w來(lái)講，就要根據(jù)周期任務(wù)特征來(lái)回收空閑時(shí)間，確保調(diào)度前準(zhǔn)確計(jì)算最佳運(yùn)行速度，分析周期任務(wù)內(nèi)容，結(jié)合任務(wù)當(dāng)前實(shí)例剩余可用執(zhí)行時(shí)間分析最壞情況下任務(wù)情況，計(jì)算剩余執(zhí)行時(shí)間，結(jié)合實(shí)時(shí)調(diào)度器設(shè)置至少兩個(gè)隊(duì)列，確保即將到達(dá)任務(wù)集合，包含就緒任務(wù)集合，按照任務(wù)優(yōu)先級(jí)高低排列，在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中優(yōu)化可估計(jì)空閑時(shí)間。最后，要結(jié)合平衡點(diǎn)判斷算法以及空閑時(shí)間來(lái)展開LPABOBF算法應(yīng)用，其算法描述應(yīng)該參考如下：

首先明確輸入與輸出內(nèi)容，在輸入端建立周期任務(wù)集T，保證輸出速度調(diào)節(jié)后形成Ti集合。在計(jì)算離線階段速度過(guò)程中形成以下算式[6]：

其次如果計(jì)算時(shí)刻為t時(shí)刻，確保t時(shí)刻中數(shù)據(jù)內(nèi)容能夠被有效釋放，要建立EDF優(yōu)先級(jí)順序來(lái)加入ready_queue，同時(shí)設(shè)置新t時(shí)刻。

再次如果是t時(shí)刻，分析運(yùn)行過(guò)程中被其他就緒任務(wù)搶占到位，重新按照優(yōu)先級(jí)順序加入就緒隊(duì)列[7]。

在LPABOBF算法來(lái)展現(xiàn)周期任務(wù)內(nèi)容，按照周期釋放特點(diǎn)建立兩階段調(diào)度算法，確保在離線階段充分利用靜態(tài)空閑時(shí)間。如果任務(wù)被搶占，需要重新按照優(yōu)先級(jí)就緒隊(duì)列建立新調(diào)度機(jī)制并執(zhí)行，結(jié)合計(jì)算后任務(wù)速度分析Scrit變化，結(jié)合算法判斷要求來(lái)調(diào)整關(guān)鍵速度內(nèi)容，確保就緒隊(duì)列滿足任務(wù)空間時(shí)間大于t0要求，此時(shí)需要關(guān)閉處理器確保新任務(wù)就緒。這里簡(jiǎn)單闡述LPABOBF算法，在結(jié)合至少3個(gè)周期任務(wù)組成任務(wù)集過(guò)程中，需要結(jié)合實(shí)際執(zhí)行時(shí)間來(lái)優(yōu)化多任務(wù)，在0時(shí)刻直接釋放數(shù)據(jù)內(nèi)容，確保參考LPABOBF算法計(jì)算離線速度應(yīng)該為0.5，同時(shí)調(diào)度執(zhí)行單位空閑時(shí)間。具體來(lái)說(shuō)就是參考優(yōu)先級(jí)調(diào)度執(zhí)行單位空閑時(shí)間，計(jì)算可執(zhí)行時(shí)間，確保t=20小時(shí)內(nèi)完成所執(zhí)行任務(wù)[8]。

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

最后分析仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，采用C語(yǔ)言編寫一套圍繞EDF所展開的調(diào)度策略，形成仿真器系統(tǒng)。在這里，要結(jié)合Intel PXA處理器展開分析，基于歸一化速度明確速度范圍應(yīng)該為（0.15,1），分析處理器功耗模型，確保其關(guān)鍵速度選取范圍在0.3～0.5范圍內(nèi)。就這一實(shí)驗(yàn)過(guò)程，需要結(jié)合每個(gè)周期任務(wù)集包來(lái)提出至少5個(gè)周期任務(wù)，將周期選定在區(qū)間為10～200，同時(shí)明確任務(wù)集的最壞執(zhí)行時(shí)間，均勻分布任務(wù)集內(nèi)容。此時(shí)需要定義執(zhí)行時(shí)間過(guò)程中真實(shí)服從參數(shù)內(nèi)容，確保參數(shù)內(nèi)容均勻分布。如果任務(wù)在0時(shí)刻釋放，則需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)行至少20000個(gè)時(shí)間片，再計(jì)算能耗數(shù)據(jù)，形成100次實(shí)驗(yàn)，計(jì)算能耗數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行分析。在此次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)比分析提出3種算法[9]：

第一種算法是兩階段DRA算法，第二種算法是DSTRA算法，第三種算法是LPABOBF算法。就以LPABOBF算法為例，它必須首要考量在BCET計(jì)算比值下的能耗變化影響，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定任務(wù)集利用率，將利用率控制在0.5，結(jié)合1～10區(qū)間步長(zhǎng)展開分析，隨時(shí)調(diào)整BCET，結(jié)合比值決定在算法運(yùn)行過(guò)程中人物內(nèi)所產(chǎn)生的空閑時(shí)間。如果算法比值為1，則其能耗基準(zhǔn)應(yīng)該結(jié)合歸一化處理過(guò)程分析LPABOBF能耗低于前兩者。結(jié)合任務(wù)實(shí)際執(zhí)行狀況平均值進(jìn)行分析，確保任務(wù)集的平均性能優(yōu)化DRA算法，同時(shí)形成全新的DSTRA算法。

第二種算法是EDF算法，它同樣要參考LPABOBF算法來(lái)分析節(jié)能效果。如果該算法的整體利用率偏小，則需要保證處理器時(shí)刻處于關(guān)閉狀態(tài)，采用DPM技術(shù)對(duì)算法內(nèi)容進(jìn)行分析，提高算法利用率，爭(zhēng)取在一定時(shí)間段內(nèi)對(duì)DVS策略進(jìn)行分析應(yīng)用。實(shí)際上，LPABOBF算法是可以獲得理想計(jì)算效果的，如果其算法利用率接近于1，則其負(fù)載會(huì)不斷加重，與此同時(shí)處理速度也會(huì)小于關(guān)鍵速度。在這一過(guò)程中需要分析LPABOBF算法分析算法節(jié)能效果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以了解到，LPABOBF算法相比于傳統(tǒng)DRA算法能夠節(jié)省最低7.9%、最高27.18%的能耗能量，整體看來(lái)節(jié)能作用效果非常良好[10]。

4 總結(jié)

在當(dāng)前，智能連接物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)全面建設(shè)，它其中的嵌入式系統(tǒng)在低功耗與可靠性技術(shù)優(yōu)化方面已經(jīng)建立了良好運(yùn)營(yíng)模式，在快速擴(kuò)張嵌入式系統(tǒng)技術(shù)內(nèi)容方面發(fā)揮了巨大優(yōu)勢(shì)，它也為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)推廣創(chuàng)造了有利空間條件。從整體上來(lái)看，其系統(tǒng)軟硬件在能耗較高與瞬時(shí)錯(cuò)誤處理方面表現(xiàn)突出，所以其低功耗與高可靠性系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面表現(xiàn)出色。