阅读以下关于嵌入式系统能耗管理设计的描述，在答题纸上回答问题1至问题3。随着嵌入式系统智能化技术的持续发展，系统的能耗问题已成为亟待解决的难题。某宇航公司研发的一款手持式野外辅助装备，需要较长的巡航时间，由于设计时对功耗问题考虑不周，使得产品出现了批次责任事故。公司领导决定抽调王工等5人组建专门的攻关小组，要求在三个月内完成故障归零。王工接到任务后，经反复论证与实验，给公司提交了一份基于软件动态节能的改进方案，得到了领导及专家的好评。

问答题在嵌入式系统中节能技术一般分为静态节能和动态节能两种，请用300字以内文字分别说明什么是静态节能技术和动态节能技术，并列举三种动态节能技术。

【正确答案】正确答案：静态节能技术主要是利用硬件的能耗特性，将节能方法纳入产品的设计中。此技术能够显著地减少系统局部组件所消耗的能力。动态节能技术主要在系统运行过程中根据负载的变化来降低能耗，利用底层硬件提供的特征，从系统运行范围内降低系统总体功耗，从而能够节省大量的能量。动态节能包括3种技术：(1)动态调频调压技术；(2)动态电源管理技术；(3)任务调度技术。

【答案解析】解析：本问题提到的手持式野外辅助装备类似于我们日常的手机产品，其电池的待机时间是手持设备的关键考核指标，节能技术是在设备设计时重点要解决的问题。通常节能技术包含了静态节能和动态节能。静态节能技术主要是利用硬件的能耗特性，将节能方法纳入产品的设计中。此技术能够显著地减少系统局部组件所消耗的能力。静态节能一般采用两种方法，其一是可以通过设计低功耗硬件来节省能量，然而，硬件电路设计方面可优化的部分已越来越少，且成本大；其二是可以通过使用编译优化技术来生成能量感知的机器代码，这种技术虽然成本小，但是对于降低功耗的潜力不大。动态节能技术主要在系统运行过程中根据负载的变化来降低能耗，利用底层硬件提供的特征，从系统运行范围内降低系统总体功耗，从而能够节省大量的能量。动态节能通常采用三种技术，其一是动态调频调压技术；其二是动态电源管理技术；其三是任务调度技术。 (1)动态调频调压技术(Dynamic Voltage and Frequency Scaling DVFS)依据处理器的功耗与电路的运行电压之间存在的平方关系，在获取处理器的实时使用情况后，调整电路的运行电压、动态升高或降低运行频率，从而减少能量消耗。 (2)动态电源管理技术(Dynamic Power Management)是在系统运行过程，根据系统的运行情况切换系统各个组件的状态，在满足系统正常服务请求的前提下，使得系统组件处于工作状态的时间最短，从而节省能量。 (3)任务调度技术在保证系统中所用任务满足截止期的情况下，充分利用系统的空间和时间，安排系统中各个任务的运行次序和调度关系，减少任务运行时的抢占次数，减少任务上下文切换次数，从而通过调度来降低系统的运行能耗。

问答题王工的方案得到认可后，他带领团队研究了调度方式和系统能耗之间的关系，请用150字以内的文字说明为了节约系统能耗而采用的设备调度策略的核心思路，并说明设备调度策略与任务实时性的关系。

【正确答案】正确答案：为了使系统能够节约更多的能量，应该尽可能晚的唤醒一个设备；在有效调度时刻唤醒设备常常能够节省更多的能量，同时能够及时响应任务的访问请求，保证满足系统的实时性要求。

【答案解析】解析：考生首先可从题干“由于设计时对功耗问题考虑不周，使得产品出现了批次责任事故”进行分析，该宇航公司研发的手持式野外辅助装备如果采用静态节能技术，势必带来严重的经济损失(所有设备硬件要重新替换)，而采用动态节能技术，可在满足应用需求的基础上，缩短时间周期，降低成本。因此，王工程师提出了采用设备调度节能策略来降低系统能耗。设备调度节能策略的核心思想是：由于系统中能量消耗的主要来源是系统中的各种硬件设备，设备工作与关闭两种状态功耗消费差距很大，为了使系统能够节约更多的能量，应该尽可能晚的唤醒一个设备，既在应用任务使用设备时才打开设备。也就是说，在有效调度时刻唤醒设备常常能够节省更多的能量，同时能够及时响应任务的访问请求，保证满足系统的实时性要求，这种算法称为“设备有效时刻调度策略”。

问答题根据上述设备有效调度时刻的策略，分析以下实例，并将答案写在答题纸上。手持式野外辅助装备由三个实时任务和三个独立设备组成(分别表示为：t1、t2和t3；s1、s2和s3)，表3-1给出了手持式设备实时任务的时间参数表，这些任务使用独立的设备并且所有设备的特征一致，各设备待机超时可直接进入睡眠状态，处于睡眠状态的设备要经过转换状态后才能进入运行状态。假设初始状态(t=0)设备处于工作状态，且所有设备的工作状态功率为60mW／ms，转换功率为30mW／ms，睡眠功率为10 mW／ms。同时假设设备被唤醒的转换时间为10 ms。设备待机后被关闭的超时值为10ms。图3-1给出了未考虑节能需求时任务调度算法，在采用了设备有效时刻调度策略之后，三个设备100ms周期内将按一定顺序被依次关闭和唤醒。图3．2给出了采用设备有效时刻调度策略后s1的功率随时间的变化规律。请计算此时三个设备在100ms周期内的功耗，并计算100ms周期内，每个设备的节能比。节能比=(未节能情况下的系统能耗一节能后系统能耗)÷未节能情况下的系统能耗

【正确答案】正确答案：三个设备在第一个100ms周期内的功耗如下： s1：60*20+10*30+30*10+60*20+10*20=4400 s2：60*40+10*40+30*10+60*10=3700 s3：60*10+10*20+30*10+60*50+10*10=4200 三个设备的节能比： s1的节能比=(60*100-4400)／(60*100)=0．267 s2的节能比=(60*100-3700)／(60*100)=0．383 s3的节能比=(609100一4200)／(60*100)=0．3

【答案解析】解析：本问题给出了王工编制的节能方案中采用的“有效时刻调度策略”的事例分析，通过事例分析，考生可计算出采用有效调度时刻的策略，在保证周期任务按时完成的前提下，设备能耗消费最少。应仔细分析题干，重点关注“假设初始状态(t=0)设备处于工作状态，且所有设备的工作状态功率为60mW／ms，转换功率为30mW／ms，睡眠功率为10 mW／ms。同时假设设备被唤醒的转换时间为10 ms。设备待机后被关闭的超时值为10ms”的条件限制，既分析案例仅仅关注周期任务的第一个主周期(t=0开始的100ms)对设备管理；设备的功率在不同的状态(工作、装换和睡眠)其功耗不一样，而节能策略恰恰利用了这一特点，达到节能的作用。考生还应注意到设备从工作到睡眠，不存在装换时间，而从睡眠到工作，存在10ms的装换，并存在不一样的功耗，图3—2已给了t1任务对设备s1的控制过程，如果考生理解了算法的核心思想，在图3—2的提示下，就不难算出三个设备在第一个100ms周期内的各自的功耗，及各自的设备的节能比。