Linux内核中基于改进OLDVS算法的实时节能调度技术研究与实现

摘要

近年来，能耗问题在实时系统领域越来越受到重视，动态电压调节(DVS)技术现已成为调节处理器系统能耗的主要手段，并被逐步应用到实时系统设计中。OLDVS-AQ(Online Dynamic Voltage Scaling Assisted Queue)是利用DVS技术对实时系统进行节能调度的一种划分调度算法，实现了在满足实时性要求的前提下合理改变电压、频率以尽可能降低系统能耗的目标，同时还具备良好的实时性和较高的节能性，因此成为实时节能调度研究领域的热点问题之一。
　　目前节能调度算法缺乏在实际实时操作系统中的实现，各种算法的能耗对比仅建立在理论分析的基础上，真实数据不足，制约了其在实时系统领域实际应用的发展。因此迫切需要一种验证各种节能调度算法实际能耗的实时操作系统实验平台。而现有比较流行的LITMUSRT(Linux Testbed for Multiprocessor Scheduling in Real-Time systems)实时调度实验平台支持的实时调度算法有限，不足以满足这种需求。
　　本文在集成Litmus2012-2内核补丁的Linux3.0.0版本内核基础上，开发了可有效支持OLDVS-AQ实时调度策略的内核调度器。研究并实现了实时任务运行时的进程之间抢占功能，实时任务不同状态之间的转换功能，对待调度进程的CPU频率动态调节功能以及对实时任务进程全生命周期内动态优先级队列的高效管理功能。本文还改造了OLDVS-AQ算法模型以适应真实的CPU处理器调节模式，设计了辅助队列用于对待调度进程CPU频率进行计算。同时本文还开发了一个高效的实时应用程序用于在本文设计的OLDVS-AQ调度器以及固定频率的EDF调度器上稳定地执行以便于内核能够记录各个实时任务进程的调度执行情况。大量的测试结果与实时任务对比调度实验验证了OLDVS-AQ实时调度器调度实时任务进程的正确性、有效性与节能性。本文的工作将更加有利于实时节能调度算法的节能分析与比较，并且为更加深入开展动态电压调节实时节能调度策略的应用研究提供有益的技术储备和丰富的实验数据支持，为能够推动节能调度理论研究成果向实际系统的应用起到促进作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 研究目标和意义

1．3 国内外研究现状

1．4 论文组织结构

第2章 相关理论与技术

2．1 系统节能设计技术

2．1．1 CMOS集成电路功耗分析

2．1．2 软硬件节能设计

2．2 实时调度相关理论

2．2．1 实时系统的特点

2．2．2 实时调度

2．2．3 实时系统节能调度技术

2．3 基于辅助队列的OLDVS实时调度策略

2．4 实时调度算法实现平台的相关技术

2．4．1 Linux内核的调度器框架

2．4．2 LITMUSRT平台的由来

2．4．3 Linux内核用户空间设置CPU频率的介绍

2．5 本章小结

第3章 OLDVS改进算法研究

3．1 OLDVS-AQ调度器总体架构

3．2 内核调度模块

3．2．1 实时任务进程的生命周期状态

3．2．2 内核调度模块的几个核心数据结构

3．2．3 实时任务调度过程中的相关函数

3．2．4 实时任务队列的管理

3．2．5 内核调度模块与Litmus调度类的接口设计

3．3 调节CPU频率的分析与设计

3．4 本章小结

第4章 OLDVS-AQ调度器实现

4．1 内核调度模块中的关键技术

4．1．1 动态优先级队列管理

4．1．2 实时任务进程抢占时机

4．1．3 调度插件主调度函数的实现

4．2 动态调节CPU频率

4．2．1 计算和设置CPU频率的时机

4．2．2 计算CPU频率的详细设计和实现

4．2．3 动态设置CPU频率的具体实现

4．3 实时应用程序模块的实现

4．3．1 Linux内核系统调用

4．3．2 实时应用程序的执行流程

4．4 本章小结

第5章 实验测试及分析

5．1 实验平台的搭建

5．1．1 系统开发的软硬件环境

5．1．2 内核调试技术

5．2 实验操作步骤

5．2．1 实验准备

5．2．2 实验的具体操作步骤

5．3 实验结果分析

5．3．1 实验结果的展示

5．3．2 实验结果分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 未来工作与展望

参考文献

致谢

科研项目和论文发表情况