Energy consumption can be an important design parameter for embedded real-time systems. Dynamic(or software-controlled) power management(DPM) has emerged as an attractive alternative to inflexible hardware solutions. I/O-based DPM techniques, however, have been extensively researched in non-real-time systems. These techniques focus on switching I/O devices to low power states based on various policies and are not applicable to real-time environments because of the non-deterministic nature of the policies. The challenge in saving energy in embedded real-time systems is thus to reduce power consumption while preserving temporal correctness. Thus, not having the online schedulability check algorithm, the previous works on I/O-based DPM for real-time system was based on a given input schedule of task execution. Systems based on these offline-generated schedules cannot use the runtime behavior of system that will lead them to more energy saving.
To address this problem, we introduce an online schedulability check algorithm for non-preemptive real-time systems. It can be used for generating alternative task execution sequence for hard real-time systems that reduces the energy consumption of I/O devices. We present some results of preliminary experiments to show that it can be used to generate a preferable task sequence without task deadline misses.
Based on the runtime schedulability check algorithm, we propose runtime task and device scheduling algorithms for I/O device energy savings. The task scheduler takes as input a device-usage list for each task and it generates a sequence of task execution for more device energy saving. We also propose two non-work-conserving scheduling schemes for merging short-period idle times and distributing idle times for more energy savings. The device scheduler controls the power states for each device such that the energy consumption of the device for a given task execution sequence is minimized. It also guarantees timing constraints of real-time systems.
Simulation studies have shown that runtime scheduling schemes can save more energy exploiting dynamic slacks and the proposed scheduling schemes save more energy than EDF scheduling. When the average execution time of tasks is is less than 85% of WCET of tasks, the proposed scheduling schemes can save more energy than any offline-based scheduling schemes.
실시간 시스템은 주어진 시간안에 주어진 작업을 처리하고 그에 따른 결과를 산출하여야 한다. 이러한 실시간시스템은 크게 경성 실시간시스템과 연성실시간 시스템으로 구분된다. 경성 실시간시스템은 항공기와 인공위성 및 원자력발전소와 같이, 주어진 시간안에 작업을 처리하지 못할 경우, 치명적인 결과를 초래하는 시스템을 말한다. 이러한 시스템에서는 각각의 작업이 주어진 시간안에 처리될 수 있음을 수학적으로 증명할 수 있어야만 한다. 실시간 시스템의 또다른 특징중에 하나는, 대부분의 시스템이 장착되는 환경을 감시하고 통제하는 작업을 실행한다는 것이다. 따라서, 주변환경의 감시를 위한 감지장치(sensor) 및 통제와 제어를 위한 구동장치(actuator)를 많이 사용하게 되고, 장치들에서 소비되는 에너지가 전체 실시간시스템에서 소비되는 에너지 중에 많은 비율을 차지하게 된다. 소비에너지의 증가는 시스템의 발열량의 증가로 인해 시스템의 안정성을 해치게 되고, 베터리로 작동하는 시스템에서는 시스템의 운용시간에 악영향을 미치게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 실시간시스템의 장치에서 소비되는 에너지를 줄이기 위한 연구들이 활발히 진행되어 오고 있다. 기존의 연구들은 장치들이 사용되지 않을 경우에, 장치의 상태를 저전력 상태로 전환하여 장치의 소비전력을 낮추는 방법을 사용하고 있다. 하지만, 대부분의 장치들은 전력상태를 바꾸는 데 소비되는 시간이 무시할 수 없는 수준이어서, 주어진 기간 안에 작업을 실시간으로 처리하는데 영향을 끼친다. 따라서, 기존 연구에서는 오프라인에서 결정한 작업의 순서 따라, 장치의 전력상태를 시스템 운용중에 전환시키는 방법을 사용해왔다. 하지만, 오프라인에서 작성한 작업의 스케쥴은 실제 작업을 실행할 때 발생하는 동적 유휴시간(dynamic slack)을 이용할 수 없다는 단점이 있다.
본 연구에서는 실시간 시스템의 I/O 장치들에서 소비되는 에너지를 줄이기 위한 방법들을 제시하고, 그 성능을 고찰하였다.
먼저, I/O장치들에서 소비되는 에너지를 줄이기 위해, 실행되는 테스크의 실행순서를 바꾸는 방법을 제안하였다. 실시간 시스템에서 미리 정해진 순서가 아닌 다른 순서로 작업을 실행할 경우에는 각 작업이 주어진 기간안에 실행을 끝날 수 없는 경우가 발생하므로, 작업의 순서를 임의로 바꾸어 줄 수 없다. 또한 작업의 순서를 바꾸어 줄 수 있는지를 검사하는 방법이 다항적 시간(polynomial time)안에 실행될 수 없으므로, 시스템의 운용중에 작업의 순서를 바꾸어 줄 수 있는지를 검사하기 힘들다. 따라서, 본 논문에서는 작업 순서의 변경이 가능한지를 다항적 시간에 검사하는 방법을 제시하고, 제시한 방법으로 실행 순서를 바꾸어 스케쥴링할 경우에도 각 작업의 작업종료 기한을 어기지 않는 다는 것을 증명하였다. 이는 시스템 실행중에 작업의 순서를 제한된 범위 안에서나마 바꾸어 실행할 수 있음을 의미한다. 제시된 방법은 주기적(periodic)인 작업외에도 산발적(sporadic)인 작업에도 역시 적용가능하다.
그리고, 작업시작을 지연시켜 I/O장치에서 소비되는 에너지를 줄이는 두가지 방법을 제시하였다. 첫번째는 각 작업 사이에 존재하는 짧은 기간의 유휴시간을 병합하는 방법을 소개하였다. 일반적으로 장치의 전력상태 전환시간 보다 작은 구간의 유휴시간은 장치의 에너지 소비를 줄이는 데 사용될 수 없기 때문에, 이러한 짧은 유휴기간을 병합하여 긴 유휴기간을 만들어 줌으로써 많은 장치에서 소비되는 에너지를 줄일 수 있다. 뿐만아니라, 빈번한 상태전환을 줄여서 에너지를 절약한다. 또한, 작업의 실행을 연기시킴으로써, 보다 많은 수의 작업이 대기상태에 존재하게 되며, 스케줄링 시에는 스케쥴러가 선택할 수 있는 다음 작업의 선택 범위가 넓어지는 효과도 가져온다. 이처럼, 작업을 실행을 지연시키기 위해서는 작업실행지연의 범위를 시스템 실행중에 결정해야 한다. 작업을 너무 오래 지연하게 되면, 이후 작업의 종료기한을 만족할 수 없게 된다. 따라서, 본 논문에서는 이후 작업의 종료기한을 어기지 않는 범위에서 작업실행을 지연시킬 수 있는 최대기간을 산출하는 방법을 제시하였다. 두번째로, 연속된 작업 사이에 유휴기간을 삽입하여 I/O장치의 활성화를 지연시키는 방법을 소개하였다. 작업의 실행시간이 I/O장치의 상태 활성화 시간에 비해 오랜 기간동안 실행될 경우, I/O장치는 불필요하게 활성화된 상태로 현재 작업이 끝날 때 까지 대기해야만 하고 많은 에너지를 소비하게 된다. 따라서, 불필요한 장치의 활성화가 수반되는 경우에는 현재 작업과 다음 작업 사이에 장치활성화를 위한 유휴시간을 삽입할 수 있다면 장치에서 소비하는 에너지를 절약할 수 있다. 하지만 유휴시간의 삽입으로 인해 작업이 제한시간 안에 끝나지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 본 논문에서는 시스템 운용중에 모든 작업이 제한시간을 어기지 않는 범위에서 유휴시간을 삽입하는 방법을 제시하고, 이를 통한 장치의 활성화를 지연시키는 세부적인 방법을 소개하였다.
또한, 시스템의 운용중에 발생하는 동적 유휴시간(dynamic slack)을 이용하는 방법을 제시하였다. 동적 유휴시간은 각 작업의 최대 실행시간과 실제 실행시간의 차이에서 발생하는 유휴시간으로서, 오프라인에서는 동적 유휴시간의 발생량을 결정할 수 없다. 따라서, 기존의 오프라인에서 작성하는 장치의 전력상태 스케줄링 방법은 이러한 동적 유휴시간을 사용할 수 없다는 단점이 이다. 본 논문에서는 동적 유휴시간을 이용하여 시스템운용중에 작업의 실행시점을 앞당기고 각 장치의 전력상태 전환 스케쥴을 조정하는 방법이 효과적임을 보여준다.
마지막으로, 실시간 시스템 운용중 각 작업과 장치의 스케줄링 알고리즘을 제시하였다. 작업스케줄링 알고리즘은 작업을 종료기한을 어기지 않는 범위 안에서 효과적으로 장치의 소비에너지를 줄일 수 있는 작업실행 순서를 결정한다. 장치스케줄링 알고리즘은 작업 스케줄링의 결과에 따라서 해당장치가 필요없을 경우에는 에너지를 절약할 수 있는 저전력상태로 전환시키고, 장치가 필요한 시점에는 항상 저전력상태를 벗어나 실행준비가 되어 있음을 보장할 수 있다.
위에서 설명한 이러한 방법들을 종합하여 시스템의 장치에서 소비하는 에너지 소비를 얼마나 줄일 수 있는지를 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 그 결과는, 시스템 운용중에 장치의 스케줄을 결정함으로써, 일반적인 동적 유휴시간을 고려할 때, 오프라인으로 결정하는 어떠한 스케쥴링 보다도 더 낮은 에너지 소비율을 보여주었다. 또한, 같은 실행시간 스케쥴링을 적용하더라도, 기존의 EDF와 같은 스케쥴링 방식에 비해 적은 에너지 소비를 보여준다.
