Contributions à l’Ordonnancement en Temps Réel pour les Systèmes Autonomes en Energie

Contributions to Real Time Scheduling for Energy Autonomous Systems

• Auteur / Autrice : Rola El Osta
• Direction : Maryline Chetto, Rafic Hage Chehade
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et Informatique Appliquée
• Date : Soutenance le 26/10/2017
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Jury : Président / Présidente : Abdelhamid Mellouk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hussein El Ghor
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mathieu Jan, Daniel Chillet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes embarqués (informatique)

Ordonnancement (informatique)

Mots clés libres

Slack stealing

Vol de temps creux

Service apériodique

Résumé

La récupération de l’énergie ambiante en temps réel est une technique qui permet d’allonger significativement la durée de vie des systèmes embarqués, aujourd’hui limitée par la quantité d’énergie stockable dans les batteries traditionnelles. La récupération d’énergie renouvelable (energy harvesting) comme celle envisagée pour de nombreux objets sans fil, rend possible un fonctionnement quasiperpétuel de ces systèmes, sans intervention humaine, car sans recharge périodique de batterie ou de pile. Concevoir ce type de système autonome d’un point de vue énergétique devient très complexe lorsque celui-ci a en plus un comportement contraint par le temps et en particulier doit respecter des échéances de fin d’exécution au plus tard. Comme pour tout système temps réel, une problématique incontournable est de trouver un mécanisme d’ordonnancement dynamique capable de prendre en compte conjointement deux contraintes clés : le temps et l’énergie. Proposer et évaluer de nouvelles techniques d’ordonnancement pour que le système adopte un comportement énergétiquement neutre dans le respect des contraintes temps réel constitue le point central cette thèse. Plus précisément, nous considérons ici un ensemble de tâches mixtes constitué de tâches périodiques et de tâches apériodiques souples sans échéance. L’architecture matérielle retenue est monoprocesseur. Les tâches apériodiques ne sont connues qu’au moment de leur arrivée et les tâches périodiques sont supposées ordonnançables par l’ordonnanceur optimal ED-H. La question à laquelle nous voulons apporter une réponse se résume comme suit : comment servir les tâches apériodiques pour minimiser leur temps de réponse sans remettre en question la faisabilité des tâches périodiques. Dans cette thèse, nous répondons à cette question de façon incrémentale. Dans un premier temps, nous étendons le serveur classique dit en arrière plan au contexte du energy harvesting avec la proposition de deux nouveaux serveurs. Simples à implémenter, ces techniques offrent toutefois des performances limitées. C’est pourquoi, dans un second temps, nous proposons un nouveau serveur basé sur le vol de temps creux (en anglais, Slack Stealing), au sens des notions de laxité temporelle et de laxité énergétique. Une évaluation théorique de celui-ci nous permet d’établir son optimalité. Vu l’implémentation relativement complexe de ce serveur, dans un dernier temps, nous proposons un nouveau serveur dit à préservation de bande (en anglais, Total Bandwith), basé sur l’attribution d’échéances fictives avec une implémentation plus simple. Une étude expérimentale accompagne nos propositions et permet d’attester la performance de nouveaux serveurs de tâches apériodiques spécifiquement conçus pour les systèmes temps réel autonomes.

Real-time energy harvesting is a technology that significantly extends the lifetime of embedded systems. This technology is limited at present by the amount of energy that can be stored in traditional batteries. Renewable energy harvesting such as that envisaged for many wireless things, allows the quasi-perpetual systems operation without human intervention because it works without periodic recharging of battery. From an energy point of view, the design of this type of autonomous system becomes more complex since this process has in addition a behavior constrained by time, and particularly has to meet latest timing deadlines. As with any real-time system, an unavoidable problem is to find a dynamic scheduling mechanism able of considering jointly two key constraints: time and energy. Thus, the main objective of this thesis is to propose and evaluate new scheduling techniques that enable the system to adopt an energy-neutral behavior while respecting the real-time constraints. More precisely, we consider here a set of mixed tasks consisting of periodic tasks and soft aperiodic tasks without deadline. The hardware architecture chosen is monoprocessor. Aperiodic tasks are only known at the time of their arrival while periodic tasks are assumed to be schedulable by the optimal ED-H scheduler. In this thesis, we will provide appropriate solutions for the following question: how to serve aperiodic tasks in order to minimize their response time without challenging the feasibility of periodic tasks. Initially, we extend the conventional server (called Background) to the context of energy harvesting by the proposal of two new servers. These techniques can be easily implemented and offer limited performance. Secondly, we propose a new server based on Slack Stealing which uses the slack time and slack energy concepts. A theoretical evaluation of this one allows us to establish its optimality. Finally, due to the relatively complex implementation of this server, we propose a new server, called Total Bandwidth. This server is based on fictive deadlines assignment with a simpler implementation. All propositions are illustrated by experimental studies that allow us to investigate the performance of new aperiodic task servers specifically designed for autonomous real-time systems.