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对低功耗进程调度算法的研究

吴刚  
【摘要】: 本文的研究内容是“低功耗进程调度算法”。这种算法通过改进进程调度策略,达到降低功耗的目的。此类算法的作用是: 1.在通用系统方面,由于功耗降低而使芯片热量下降,可以取消散热装置,以使计算机能够更小、更安静、更可靠; 2.在嵌入式系统方面,用来延长电池供电系统的工作时间,此类系统包括手机、笔记本电脑、GPS(全球定位仪)等。 低功耗进程调度算法又称为“DVS(动态调压)算法”。和其他低功耗算法(例如DPM算法)相比,DVS算法的优点是降耗效果好、便于移植。 DVS算法的核心问题是功耗和实时性的矛盾:为了降低功耗,就要降低频率,而这可能破坏实时性。如何把握功耗和实时性的平衡,是最主要的问题。 以文献[Mar94]为标志,从那以来,已经有许多论文提出了各自的DVS算法。这些算法可以分成在线和离线两大类。这些算法都不够实用,具体表现在: 1.在线算法通过“窗口”统计CPU利用率,这导致功耗浪费,并且也无法确定合适的窗口尺寸; 2.无论在线还是离线算法,均假设进程是自由运行的,这显然和实际不符。为了克服现有算法的缺点,本文首先提出并证明了最优低功耗调度定理,还证明了任何在线算法都不可能是强实时的:这两点对算法研究具有指导意义。 本文提出了两个新的DVS算法。一个是自适应DVS算法。这是一种在线算法,它统计的不是CPU利用率,而是“频率利用率”,并且也不是通过窗口统计的。这就使它摆脱了现有在线算法的缺点。实验数据表明:它的降耗效果不但优于主要的在线算法,甚至还优于离线算法。它的实时性也可以接受:在合适的硬件平台上,平均每运行1000次,破坏实时性不会超过2次。 第二个是DP-DVS算法,这是一个离线算法。它的特点是:注意到了进程并不是“自由”运行的,彼此间存在制约、依赖的关系。该算法利用依赖关系树确定进程的合理执行次序,再利用最优低功耗调度定理确定合理执行频率。该算法还具有一定的死锁避免能力,有助于增强系统健壮性。 上述两个算法的开销都很小。因此,都具有较高的工程应用价值。 本文还研究了进程调度和电池性能之间的关系。以前也有一些文献研究这个问题,但是它们的方法是基于化学、电子线路的,因此其结论的通用性、权威性较差。本文采用了新的研究方法,基于电池的放电曲线和基本物理知识,其结论具有很好的通用性和权威性。主要结论是:应该优先运行频率较高的进程,简称“高频率优先”原则。本文通过实际放电实验,验证了该结论。这个结论可以用来遴选、改进低功耗算法。作为示范,本文利用该结论改进了一个现有DVS算法。 围绕上述的定理、两个算法和电池问题,本文还论述了其他相关方面,比如功耗的产生机制、计算机系统中的功耗分布情况、现有操作系统的进程调度算法、CPU性能对DVS算法性能的影响、现有各种DVS算法的特点和优缺点、模拟和评估手段等。 本文的工作也表明:只有当CPU的主频能连续调节的时候,DVS算法的效果才能充分发挥。目前还没有这样的CPU,因此是值得开发的。


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