[发明专利]用于多状态多处理器的延长电池使用时间的任务分配方法

说明书

技术领域

用于多状态多处理器的延长电池使用时间的任务分配方法属于嵌入式系统设计技术领域，特别涉及应用于电池供电的便携式器件的嵌入式实时系统设计中的任务分配技术领域。

背景技术

目前，电池供电的便携式器件越来越广泛地应用于移动计算、无线通信等领域，而且器件的功能越来越复杂，对能耗的需求也越来越大。出于便携的考虑，这类器件不能尺寸太大或者重量太重，这就使电池的体积和容量也受到限制。高性能计算带来的能耗需求和有限的电池容量之间的矛盾，使得提高电池能量的利用效率、延长电池使用时间成为重要的设计目标之一。

由于实际电池并不是理想电容，而是存在着一些非理想效应，例如放电电流过大会使得能量转化效率下降(称为比率容量效应，rate-capacity effect)，放电过程中插入适当的空闲时间会使电池可提高的有效电荷增多(称为恢复效应，recovery effect)，等等。这些非理想效应的存在，使得电池的使用时间严重依赖于放电电流的分布情况。

便携式系统的应用是由一系列的任务组成的，很多情况下，这些任务可以有不同的执行方式，也对应着不同的性能。本发明所针对的系统包括两个以上具有多个工作状态(也称为工作点)的处理单元(Processing Element，PE)。任务可以在处理单元的不同工作状态下执行，以适应不同的性能需求。

根据任务的不同性能需求，通过改变任务在处理单元上执行时对应的工作状态，可以控制系统的工作电流，进而影响到电池的放电电流分布。这个将任务分配到处理器上执行的过程，就是确定任务的先后执行顺序以及任务对应的处理器工作状态的过程，也称为“任务分配”，此处的任务分配因为是针对多状态处理单元，因而要包括处理器工作状态的确定。任务分配是影响电池使用时间的重要途径，如果任务分配过程中根据电池特性加以优化，从而达到延长电池使用时间的目的，就称为“电池感知的任务分配”。任务在较低的处理单元的工作点执行时，处理单元的工作电流减小，会带来电池代价降低，但是任务的执行时间却延长。因此，电池感知任务分配就是在时序约束和电池代价之间平衡的问题。

目前有多个工作状态的处理单元包括可变电压处理器、可重构处理器等。

对于可变电压处理器来说，其工作状态的改变主要通过动态电压调整(dynamic voltagescaling，DVS)来实现。DVS是一种有效的系统级低功耗技术，它根据当前的任务性能要求来调整处理器的工作速度(即频率)和电压，以达到有效利用能量的目的。目前有许多商用处理器支持DVS功能，例如Intel Xscale、StrongArm SA1100等。

对于可重构处理器来说，其工作状态的改变则主要通过配置信息来控制。近年来，可重构处理器的研究也逐渐成为热点。可重构处理器的硬件部分能够根据用户需求而配置成不同的结构，使得系统的灵活性大大增加。但是跟专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，ASIC)相比，它的能耗比较严重。随着可重构处理器应用于便携式器件领域，提高能量利用效率、延长电池使用时间成为重要的挑战。

目前，电池感知的任务分配研究在国内尚属空白，而国际上目前已有的研究，要么过于简易，使得电池效率的优化力度不够(参见例如P Chowdhury，“Static Task-SchedulingAlgorithms for Battery-Powered DVS Systems”(针对电池供电的DVS系统的静态任务调度算法)，IEEE Trans.On VLSI Design，2005)，要么过于复杂，通过多次循环迭代，以接近于穷举的复杂度来争取较高的电池效率(参见例如J.Khan，“Energy Management for Battery-PoweredReconfigurable Computing Platforms”(针对电池供电的可重构计算平台的能耗管理)，IEEETrans.On VLSI Design，2006)。究其原因，有两点，一是没有对电池特性进行充分理解，二是没有在每一步的优化中充分利用信息，造成信息量或者是计算量的浪费。

发明内容

本发明是针对电池供电的多状态多处理器系统上的实时任务分配问题，而提出一种基于关键路径的电池感知任务分配方法，它具有一种能显著提高计算效率的新颖流程，以极低的计算复杂度获得很高的电池效率，明显延长了电池的使用时间。