پژوهش –148- جدید

بطورکلی سیستمهای بیدرنگ، پاسخی برای یکسری از ورودیهای خارجی هستند که بصورت غیرقابل پیشبینی وارد سیستم میشوند سپس این ورودیها توسط سیستم بیدرنگ پردازش شده و تصمیمات مناسب در زمان مناسب اتخاذ میشوند همچنین خروجی لازم برای کنترل دستگاههای جانبی متصل به آنها نیز تولید میشود و در صورتیکه سرویسها و منابع خواسته شده توسط وظیفه، قبل از اتمام آن، در اختیارش قرار نگیرد و وظیفه نتواند در زمان مناسب و تعیین شده خاتمه یابد، وظیفه مورد نظر از اعتبار ساقط و خراب میشود بر این اساس سیستمهای بیدرنگ، از لحاظ محدودیت زمانی به 3 دسته تقسیم میشوند ]2[ :
بیدرنگ سخت: در این سیستم، پاسخ دیرهنگام، ناصحیح بوده و منجر به خطای سیستمی میشود و تمامی وظایف باید در سررسید خود اجرا شده در غیر اینصورت منجر به ایجاد یک فاجعه میشود. بعنوان مثال در یک نیروگاه هستهای تأخیر در وظیفهای که مسئول خنک کردن راکتور میباشد می تواند منجر به وقوع فاجعه شود.
بیدرنگ نرم: اجباری در بررسی تمامی محدودیتهای زمانی سیستم نیست و در صورت تأخیر در اجرای وظیفه، سیستم دچار بحران و یا وقوع فاجعه نمیشود گرچه تکرار تأخیر، میتواند منجر به خطای سیستمی شود. برنامه‌های چندرسانه‌ای مثالی از این سیستمهاست.
بیدرنگ ثابت: این سیستم، سررسیدهای سختی دارد اما در جاییکه یک احتمال کم و مشخص از خطا و نقض سررسید وجود دارد، سیستم میتواند این خطا را تحمل کند بعبارتی سررسیدها هم به صورت سخت و هم به صورت نرم هستند. یعنی درعین حال که اجرا نشدن وظیفه در سررسیدش باعث بیاعتبار شدن آن وظیفه میشود (مثل بیدرنگ سخت) اما گاهی سیستم میتواند سررسید را نادیده بگیرد (مثل وقفه‌های نرم).
2-4 زمانبندی وظایف
در کنار مشخصههای سیستمهای تعبیهشده بحث زمانبندی و ترتیب اجرای وظایف بسیار حائز اهمیت است. وظایف زیادی در اجرای یک برنامه وجود دارد که هر کدام متقاضی منابع خاص خود از سیستم میباشند منابعی همچون پردازنده، حافظه، وسایل ورودی/خروجی و... . علاوه بر اینها هریک از وظایف، دارای محدودیتهای زمانی خاص خود نیز میباشند محدودیتهایی که باعث الزام اجرای وظیفه در یک بازه زمانی خاص میشود حال اگر منابع مورد نیازسیستم در زمان مناسب در اختیار وظیفه قرار نگیرد سیستم نمیتواند بازده و کارایی مناسبی داشته باشد در این میان دو بحث زمانبندی و تخصیص مطرح میشود. زمانبندی یعنی تخصیص پردازنده به وظایف و تخصیص یعنی اختصاص دادن سایر منابع به وظایف.
بحث زمانبندی یک مسئله کاملا کلی و عمومی است و باید با توجه به نواحی مختلفی که مطرح میشود بطور خاص مورد بررسی قرار گیرد بعنوان مثال، وظایف در صنعت، عملیات ساخت و تولید و واحدهای پردازشی، ماشینها هستند و در حمل و نقل، ممکن است عملیات پرواز و واحدهای پردازشی، هواپیماها باشند. بسته به محیط اجرایی، وظایف انواع و دسته بندیهای مختلفی دارند. وظایف میتوانند بصورت دوره ای تکرار شوند و یا رخدادگرا باشند به این معنی که درصورتیکه وقفه خاصی فعال شود و یا وظیفه دیگری که وابسته به وظیفه جاری است، اجرا و خاتمه یابد و یا سایر رخدادهای سیتمی، در این صورت، وظیفه مورد نظر، فعال شده و باید اجرا شود. دورهی وظایف دورهای هم میتواند ثابت باشد و یا بصورت پویا رخ دهد ]3[.
2-4-1 انواع زمانبندیالگوریتمهای زمانبندی را از دیدگاههای مختلفی به چند دسته تقسیم میکنند]4[ :
زمانبندی ایستا : در این نوع زمانبندی، تصمیمات در مورد زمان شروع و خاتمه وظیفه قبل از شروع به کار سیستم، کاملا مشخص بوده و زمانبندی با مرتبه ثابت صورت میگیرد در این نوع زمانبندی اولویتها ثابت و سربار پردازنده بسیار کم است ]4[.
زمانبندی پویا : در این نوع زمانبندی، هیچ پیشبینی از بارکاری آتی سیستم نداریم و تصمیمات در زمان ورود وظیفه به صف آماده و عموما براساس اولویت هر وظیفه، گرفته میشود همچنین میتواند خود را با متغیرهای پویا در تقاضای کاربر و موجودیت منابع، سازگار کند بعبارتی زمانیکه تقاضای کاربر همچنین موجودیت منابع از قبل مشخص نیست از این زمانبندی استفاده میشود]5[.
زمانبندی انحصاری : در این نوع زمانبندی، پردازنده در اختیار و انحصار وظیفه با بالاترین اولویت قرار میگیرد و اگر درحین اجرای یک وظیفه، وظیفهای با اولویت بالاتر وارد لیست آماده شد، پردازنده از وظیفهی در حال اجرا گرفته شده و به وظیفه با اولویت بالاتر اختصاص مییابد(بعبارتی وظیفه با بالاترین اولویت، پردازنده را به انحصار خود درمیآورد.) در اینحالت اجرای وظیفه با بالاترین اولویت قطعی است و بدین ترتیب زمان پاسخ وظیفه کاهش مییابد بعد از اتمام وظیفه جدید هم، پردازنده لزوما به وظیفه معلق شده باز نمیگردد. اکثر سیستمهای بیدرنگ، انحصاری هستند چراکه واکنشپذیری در سیستمهای انحصاری بسیار مهم است.
زمانبندی غیرانحصاری : عکس سیستمهای انحصاری است و هر وظیفه در بازهای از زمان، پردازنده را در اختیار میگیرد و انحصار فقط در مورد وظیفه با اولویت بالا نیست ]6[.
2-5 تعاریف اولیهدر این بخش به بیان پارامترهای اولیه در زمانبندی سیستمهای بیدرنگ میپردازیم، این پارامترها، مهمترین و عمومیترین پارامترها در الگوریتمهای زمانبندی هستند]7[.
فرض میشود، مجموعه وظایف ما شامل M وظیفه میباشد که بصورت M = {τ1 , τ2 ,… τM} نشان داده میشود هر وظیفه mτ دارای مشخصههای زیر میباشد :
a : زمان ورود وظیفه به صف آماده و از این زمان به بعد وظیفه میتواند توسط پردازنده، پردازش و اجرا شود.
d : سررسید متناظر وظیفه بعبارتی بیشترین تأخیر قابل قبول برای پردازش و اجرای وظیفه.
D : سررسید مطلق وظیفه که از جمع زمان ورود و سررسید متناظر وظیفه حاصل میشود. توجه شود که سررسید مطلق، زمانی است که بعد از آن اجرای وظیفه فاقد اعتبار خواهد بود اما منظور از سررسید متناظر، فاصله زمانی است که واحد پردازش، در این فاصله قادر به اجرای وظیفه جاری خواهد بود. در شکل 1-1، هردو سررسید نشان داده شدهاست.
T : تناوب وظیفه در وظایف تناوبی (بعد از گذشت T واحد زمانی، وظیفه مجددا وارد لیست آماده میشود.) در تکرارهای آتی وظایف تناوبی، تمامی پارامترها بجز زمان ورود و سررسید مطلق ثابت هستند که بصورت زیر محاسبه میشوند:
ai,j = ϕi + (j-1)Ti (1)
Di,j = ϕi + (j-1)Ti + di (2)
که ai,j و Di,j، به ترتیبj امین زمان ورود و j امین سررسید مطلق وظیفه iτ درj امین تکرار آن میباشد همچنین ϕi، فاز وظیفه iτ میباشد و برابر با اولین زمان ورود وظیفه به سیستم خواهد بود. i,jτ نیز، j امین تکرار وظیفه iτ میباشد.
3433445923290143891011722102026920959485277622089027019888206877051439545160020
233337346654T1
00T1

197994062414d1,1
00d1,1
1981200276797
307072932485D1,2
00D1,22408555643255شکل SEQ شکل * ARABIC 1-1 : نمودار مشخصات یک وظیفهشکل SEQ شکل * ARABIC 1-1 : نمودار مشخصات یک وظیفهcenter43096D1,1
00D1,117143015757a1,1
00a1,1

شکل 1-1 : نمودار مشخصات یک وظیفه
P : اولویت اجرای هر وظیفه میباشد که عموما برای سیستمهای بیدرنگ که بحث زمان و اجرا در زمان خاص بسیار حائز اهمیت است، سررسید متناظر هر وظیفه بعنوان اولویت آن درنظر گرفته میشود و در زمان اجرا وظیفهای که کمترین سررسید را داشتهباشد اولویت بیشتری برای اجرا خواهد داشت.
WCET : بدترین حالت زمان اجرای وظیفه.
WCEC : بیشترین انرژی مورد نیاز برای اجرای وظیفه.
همواره داریم :
0 ≤ WCET ≤ d ≤ T (3)
دقت شود که پارامترهای WCET و WCECلزوما متناسب با یکدیگر نیستند و وظیفهای که بیشترین زمان اجرا را دارد لزوما بیشترین انرژی مصرفی را ندارد.
2-6 الگوریتمهای زمانبندی اولیهتحقیقات گستردهای روی زمانبندی وظایف درکاربردهای بیدرنگ با محدودیتهای زمانی انجام شده است که در ادامه به اختصار به معرفی دو الگوریتم اولیه میپردازیم.
2-6-1 الگوریتم زمانبندی نزدیکترین سررسید اول (EDF)
این الگوریتم معروفترین الگوریتم زمانبندی بیدرنگ میباشد که برای سیستمهای تعبیه شدهی تک پردازندهای با هدف اجرای بیدرنگ وظایف طراحی شد. با وجود اینکه الگوریتمی بهینه میباشد اما برای اجرا در سیستمهای چند هستهای مناسب و بهینه نیست.( طراحان در سالهای بعد از ارائه نسخه تک پردازنده الگوریتم EDF ، نسخههای متناسب با سیستمهای چند پردازندهای هم ارائه دادند که همچنان بحث درمورد بهینه بودن آنها مطرح است.) این روش بطور کلی از توان محاسباتی پردازنده استفاده کرده و زمانبندی را بصورت پویا و درصورت فعال شدن هر وظیفه در زمان اجرا انجام میدهد فرض اولیه برای EDF اینست که در هر نقطه از زمان، اولویت یک وظیفه فعال شده ثابت نیست و به زمان بستگی دارد و در زمان فعال شدن وظیفه بعدی ممکن است تغییر یابد، اولویت، طبق سیاست EDF بدین گونه تعریف میشود که وظیفه درحال اجرا باید کمترین زمان باقی مانده تا درخواست بعدی را از بین تمامی وظایف فعال شده (وظایف موجود در صف آماده) داشته باشد به عبارتی اولویت اجرا با وظیفهای است که نزدیکترین سررسید را داشته باشد و وظیفهای که بیشترین اولویت (کمترین سررسید) را دارا میباشد زودتر اجرا میشود. علاوه بر این طراحان به بحث قابل زمانبندی بودن یک مجموعه وظیفه نیز پرداخته و از دید آنان یک مجموعه، شامل N وظیفه با مشخصههای Ci (زمان اجرای هر وظیفه) و Ti (تناوب هر وظیفه) تنها در صورت شرط زیر قابل زمانبندی است]6[.
i=1NCi Ti ≤ 1 (4)
قابل اثبات است که الگوریتم "نزدیکترین سررسید اول" نسبت به این شرط، امکان پذیر و بهینه است اما در عین حال این روش نیازمند به انحصار در آوردن یک وظیفه قبل از اتمام آن است و این باعث افزایش سربار زمان اجرا بدلیل عملیات سوئیچ پردازنده از یک وظیفه به وظیفه با اولویت بالاتر و تأثیرات منفی اجرای وظایف در لایههای حافظه نهان میشود.
بطور کلی مشخصه های اصلی الگوریتم "نزدیکترین سررسید اول" عبارتند از :
بهینه بودن
پیاده سازی و اجرای ساده
ساده بودن شرط قابل زمانبندی
برای تعداد پردازنده بیشتر از 1 بهینه نیست.
با وجود تمام ویژگیهاییکه این الگوریتم دارد اما فقط از دید محدودیت زمانی و زمان اجرا بدان پرداخته شده است و سایر پارامترهای مهم همچون محدودیت انرژی و توان مصرفی وظایف و پردازنده حین اجرا اشاره ای نشده است اما در کل با توجه به بهینه بودن زمانی این الگوریتم، اساس بسیاری از الگوریتمها میباشد.
2-6-2 الگوریتم زمانبندی نرخ یکنواخت (RMS)
الگوریتم زمانبندی نرخ یکنواخت، الگوریتمی اولویت دار و ایستا است. که اولویتها را براساس پریود زمانی طوریکه وظیفه با کوتاهترین دوره تناوب و یا بالاترین نرخ اجرا، بالاترین اولویت را به خود اختصاص میدهد. Liu , Layland نشان دادند که درصورتیکه تخصیص اولویت RMS امکانپذیر نباشد، در اینصورت مجموعهای از وظایف قابل زمانبندی نیستند.
فرضیات اولیهای که مطرح میشود عبارتند از :
تمامی وظایف بصورت دوره ای تکرار میشوند.
همزمانی، اشتراک منابع و مبادله و تغییر داده در وظایف وجود ندارد.
پردازنده همواره وظیفه با بالاترین اولویت را اجرا میکند.
طبق این الگوریتم تمامی وظایف با مشخصه بیدرنگ سخت در صورتیکه شرط زیر برقرار باشد همواره در سررسید متناظرشان اجرا میشوند :
i=1NEi Ti ≤ n (21n-1 ) (5)
Ei : بیشترین زمان اجرای i امین وظیفه
Ti : دوره تناوب اجرای i امین وظیفه n : تعداد وظایف
بعبارتی Ei Ti کسری از زمان مورد نیاز پردازنده برای اجرای i امین وظیفه است. زمانیکهn→∞ مقدار n 21n-1 ~ 0.693 و این بدان معنی است که برای اینکه تمامی وظایف بیدرنگ سخت در زمان مناسب، اجرا شوند، پردازنده باید 70% زمان خود را صرف چنین وظایفی کند و این درحالی است که پردازنده، قادر به اختصاص 100% زمان خود به وظایف بیدرنگ نرم میباشد بنابراین این ویژگی مطلوبی نیست چراکه در اینصورت زمانی برای تغییر کدها و مشخصههای اضافه شده نداریم طبق یک حساب سرانگشتی باید سیستمی طراحی کرد که کمتر از 60% تا 70% از زمان پردازنده به اجرای وظایف اختصاص یابد علاوه بر مشکلات گفته شده در صورتیکه وظیفه با بالاترین نرخ اجرا، بالاترین اولویت را داشته باشد ممکن است وظیفهای که خیلی مهم نیست و درعین حال زیاد اجرا میشود بالاترین اولویت را بگیرد و این باعث وقوع قحطی در وظایف مهمتر با نرخ اجرای کمتر میشود ]6[.
الگوریتم زمانبندی "نرخ یکنواخت" نیز همچون الگوریتم "نزدیکترین سررسید اول" فقط به اجرای وظایف در بازه زمانی مشخص پرداخته و هیچگونه تأملی برروی انرژی و توان مورد نیاز برای اجرای وظایف نداشته است. امروزه با توجه به اهمیت سیستمهای تعبیهشده، پرداختن فقط به یک مشخصه و بهبود آن در این سیستمها کار درست و بهینهای نیست. درست است که الگوریتم "نزدیکترین سررسید اول" الگوریتمی بهینه از دیدگاه زمانی محسوب میشود اما اگر اجرای این الگوریتم به تنهایی نتواند دیگر پارامترهای سیستم (همچون انرژی مصرفی) را بهبود دهد تأثیر چندانی در کارایی سیستم ندارد. بعبارتی الگوریتمی برای سیستمهای تعبیه شدهی بیدرنگ مناسب است که در کنار بررسی محدودیت زمانی بتواند به بررسی یک یا چند پارامتر مهم همچون انرژی مصرفی، توان پردازشی، حرارت، طول عمر سیستم، قابلیت تحمل پذیری خطا و... در الگوریتم زمانبندی مورد نظر بپردازد و تأثیر هریک از این عوامل را برروی کارایی سیستم بررسی کند]7[.
2-7 برداشت انرژی محیطیازجمله چالشهایی که در یک سیستم تعبیه شده مطرح است بحث انرژی مصرفی در کارایی چنین سیستمهایی است. تا قبل از سال 2005 انرژی مورد نیاز، منحصرا توسط انواع باطری تأمین میشد. باطریها بدلیل ضریب شارژ/دشارژی که دارند نمیتوانند منبع مناسبی برای تأمین انرژی سیستمهای تعبیه شده باشند. ازجمله معایب یک سیستم مبتنی بر باطری عبارتند از:
طول عمر محدود باطری : طول عمر سیستمهای مبتنی بر باطری وابسته به طول عمر باطری میباشد در نتیجه با کاهش عمر باطری، ادامه بقای این سیستمها هم با خطر مواجه میشود.
کاهش ظرفیت باطری در دراز مدت بدلیل ضریب سودمندی انرژی λ : باطریها در درازمدت ظرفیت مفید انرژی خود را ازدست میدهند.
هزینه بالا در جایگزین کردن باطری
عدم پیوستگی در اجرای عملیات سیستم : در صورت نیاز به جایگزین کردن باطری بدلیل خرابی، اجرای عملیات سیستم با تأخیر مواجه میشود و این برای یک سیستم تعبیه شده یک نقص محسوب میشود.
بنابراین طراحان سیستم تعبیه شده بدنبال راهکاری برای رفع مشکل بودند و از جمله راهکارهای معرفی شده، بحث برداشت انرژی از محیط میباشد.
نظریه برداشت انرژی، مبحثی است برای جداسازی محدودیت انرژی از سیستمهای مبتنی بر باطری و افزایش استقلال سیستم. بطور ساده سیستم برداشتگر انرژی، سیستمی است که قسمتی یا تمامی انرژی مورد نیاز برای اجرای عملیاتش را از منابع انرژی محیط پیرامون خود بدست میآورد این منابع محیطی میتوانند شامل انرژی خورشیدی، انرژی مکانیکی، انرژی شیمیایی، انرژی حاصل از باد یا امواج دریا و ... باشند. در واقع اگر سیستمها بجای منبع انرژی و ذخیره آن، دارای یک مبدل انرژی باشند و بتوانند انرژی مورد نیاز خود را از محیط دریافت کنند علاوه بر افزایش طول عمر سیستم و کاهش هزینه، این امر باعث مستقل شدن هرچه بیشتر سیستمهای تعبیه شده و رشد کارایی آنها در زندگی بشر میشود. بنابراین دو مزیت اصلی چنین سیستم هایی عبارتند از:
داشتن پتانسیل غلبه بر محدودیت انرژی تحمیل شده توسط سیستمهای تعبیه شده مبتنی بر باطری قدیمی
حفظ پیوستگی در اجرای عملیات سیستم تا زمان وقوع خطای مکانیکی
شایان ذکر است که تکنولوژی برداشت انرژی از محیط، خود به تنهایی مبحث جدیدی نیست آنچه که حائز اهمیت است اینست که چطور بتوان از قابلیت آن در جهت افزایش کارایی انرژی سیستمهای تعبیه شده برای برآورده کردن محدودیتهایش استفاده کنیم. بطور مثال چند دهه است که از انرژی خورشیدی، مکانیکی و ... استفاده میشود اما مهم اینست که از توان این منابع در جهت تغذیه سیستم تعبیه شده خود استفادهی بهینه و درست را داشته باشیم ]8[.
2-7-1 اجزای سیستم تعبیهشده مبتنی بر برداشت انرژیبطور کلی عملکرد یک سیستم برداشتگر انرژی بدین صورت است که ابتدا انرژی توسط برداشتگرهای انرژی از محیط پیرامون، برداشت شده، توسط مبدل انرژی به انرژی قابل ذخیره در باطری تبدیل میشود و در نهایت این انرژی برای اجرای عملیات سیستم تعبیه شده در اختیار آن قرار میگیرد. بنابراین اجزای یک سیستم تعبیه شده مبتنی بر برداشت انرژی عبارتند از:
برداشتگر انرژی : باتوجه به نوع انرژی محیطی، ابزارها و وسایلی برای دریافت این انرژی از محیط وجود دارند بعنوان مثال پنلهای خورشیدی در سیستمهایی که از انرژی خورشیدی استفاده میکنند. تفاوت اساسی در انواع برداشتگرهای انرژی، سطح توان خروجی(جریان، ولتاژ)، AC یا DC بودن و مدل امپدانس میباشد. بعنوان مثال آسیاب بادی، ژنراتورهای سیمپیچ مغناطیسی و فیزوالکتریک داری توان خروجی AC هستند درحالیکه انرژی خورشیدی و حرارتی دارای توان خروجی DC میباشند ]9[.
مبدل انرژی: ازآنجاییکه اکثر سیستمهای دیجیتال با توان DC راهاندازی میشوند و ممکن است برداشتگرهای انرژی، سطح توان متفاوتی داشته باشند، سیستمهای مبتنی بر برداشت انرژی نیازمند مبدلهایی هستند تا توان حاصل از برداشتگر را به توان مورد نیاز تبدیل کنند از اینرو دو نوع مبدل انرژی قابل استفاده است: مبدل AC_DC و مبدل DC_DC که برای تعیین سطح ولتاژ خروجی مناسب بکار میرود.
ذخیره ساز انرژی : ذخیره ساز انرژی در سیستمهای برداشتگر انرژی در حکم منبع انرژی نیستند و فقط برای ذخیره کردن انرژی مورد استفاده قرار میگیرند و میتواند باطری و یا خازن باشد که در سیستمهای امروزه بیشتر از باطری با قابلیت شارژ مجدد استفاده میشود.
سیستم تعبیه شده
مقدار انرژی که میتواند در ذخیره ساز انرژی ذخیره شود تحت تأثیر فاکتورهایی همچون کارایی مدل برداشتگر انرژی، ولتاژ ورودی/خروجی مبدلهای DC_DC ، وضعیت ذخیره سازهای انرژی و مشخصههای بار کاری سیستم، قرار دارد.
2-7-2 انواع سیستم برداشتگر انرژیدر حال حاضر بطور کلی دو نوع سیستم برداشت انرژی موجود است که در ادامه به اجمال به بررسی آنها میپردازیم.
روش اول :
328471717918PD (t)
00PD (t)
203766030342Pc (t)
00Pc (t)
88143514605PS (t)
00PS (t)
3805886192405سیستم تعبیه شده
00سیستم تعبیه شده
2583815178131ذخیره ساز انرژی
00ذخیره ساز انرژی
1409065633095شکل SEQ شکل * ARABIC 2-1 : نوع اول سیستم برداشتگر انرژیشکل SEQ شکل * ARABIC 2-1 : نوع اول سیستم برداشتگر انرژی1409396178435مبدل انرژی
00مبدل انرژی
206733170732برداشتگر انرژی
00برداشتگر انرژی

355061627305233837434290116014539039
شکل 2-1 : نوع اول سیستم برداشتگر انرژی]10[
101669851714501001458519050ابتدا انرژی با توان Ps(t) از محیط برداشت شده، توسط مبدل به انرژی قابل ذخیره در باطری تبدیل میشود سپس در باطری (ذخیره ساز انرژی) ذخیره میشود و درنهایت در اختیار پردازنده برای اجرای عملیات سیستم قرار میگیرد ]10[. معایب این نوع سیستم عبارتند از :
شارژ و دشارژ زیاد
اتلاف انرژی در صورت سرریز باطری
ازکار افتادن سیستم درصورت خرابی باطری
روش دوم :
در این روش انرژی مورد نیاز سیستم علاوه بر ذخیرهساز انرژی میتواند بطور مستقیم از طریق محیط نیز تأمین شود در اینصورت ظرفیت ذخیره ساز انرژی، کمتر و مراجعه به آن نیز کمتر از روش قبل است و پردازنده در صورت وجود انرژی کافی در محیط میتواند بدون اتلاف انرژی به سبب سربار شارژ/دشارژ باطری، به انرژی مورد نیازش دست یابد ]11[ .
42333013175PD (t)
00PD (t)
405517275949برداشتگر انرژی
00برداشتگر انرژی

103251014635440938451197112353310180036ذخیره ساز انرژی
00ذخیره ساز انرژی

19888201717263139440158419
شکل 2-2 : نوع دوم سیستم برداشتگر انرژی ]11[
معایب این نوع سیستم عبارتند از :
اتلاف انرژی در صورت سرریز باطری
شارژ و دشارژ زیاد باطری درصورت کمبود انرژی محیط
در یک سیستم مبتنی بر برداشت انرژی محیطی برای برآورده شدن کارایی کل سیستم باید پاره ای از مسائل مورد بررسی قرار گیرند :
شناخت منابع انرژی و انواع مبدل انرژی مربوطه: باتوجه به محیطی که سیستم تعبیهشده مورد استفاده قرار میگیرد باید نوع انرژی مناسب و مبدل متناسب با آن شناسایی شود.
مشخص کردن توان خروجی برداشتگر انرژی در شرایط مختلف (در حالت بهینه همواره سعی میشود که یک برداشتگر انرژی با بیشترین توان ممکن خود، انرژی را از محیط برداشت کند.)
ظرفیت ذخیره ساز انرژی (باطری، ابرخازن و...)
بررسی تمام اجزای سیستم تعبیهشده و محاسبه توان مورد نیاز در تمامی حالات
دقت پیشبینی انرژی در آینده : با توجه به اینکه رفتار سیستم برداشتگر انرژی بصورت پویا است و انرژی برداشت شده متغیری وابسته به زمان است و ثابت نیست و پیوستگی عملیات و سودمندی انرژی مصرفی برای اجرای آنها در یک سیستم تعبیه شده از اهمیت بالایی برخوردار است، طراحان یک سیستم تعبیه شده مبتنی بر برداشت انرژی برای نیل به این هدف خود، نیازمند این هستند که بطور دقیق نگرشی از موجودیت انرژی در آینده داشته باشند تا بتوانند براساس پیشبینی خود از انرژی در ساعات و روزهای آتی، ترتیب عملیات اجرایی خود را تنظیم کنند.
بیش از یک دهه است که سیستمهای تعبیه شده با قابلیت جمع آوری انرژی مورد توجه قرار گرفتهاند عاملهای اساسی در تحقیقات در این حوزه عبارتند از: 1- چگونگی مدیریت توان برای رسیدن به طول عمر بیشتر در وسایلی همچون موبایلها، نوت بوکها و... . 2- چگونگی طراحی یک زمانبند بیدرنگ با مصرف کارای انرژی]11[.
بعلاوه از آنجاییکه سیستمهای برداشتگر انرژی وابسته به زمان میباشند و میزان برداشت انرژی در هر لحظه قطعی نیست اولا این سیستمها برای سیستمهای بحرانی- امن(بعنوان مثال برخی از سیستمهای موجود در نیروگاه هستهای ) مناسب نیستند ثانیا سیستمهایی که از انرژی محیطی استفاده میکنند نیازمند روشی مناسب در مدیریت انرژی و توان میباشند تا بتوانند بصورت کارا از تکنیک برداشت انرژی استفاده کنند علاوهبر این، این سیستمها نیازمند منبع انرژی تکمیلی همچون باطری هستند تا در بازههایی از زمان که انرژی کافی نیست بتواند انرژی مورد نیاز سیستم را تأمین کند بنابراین از جمله چالشهای تحقیقات مدرن در این حوزه، تکنیکهای مدیریت توان خوب در کنار الگوریتمهای زمانبندی وظیفه مناسب برای سیستمهای برداشتگر انرژی میباشند. زمانیکه سیستم بیدرنگ باشد و وظایف لزوما باید قبل از سررسیدشان اجرا و خاتمه یابند، مسئله مدیریت توان و انرژی بسیار حائز اهمیت میشود چراکه درصورتیکه انرژی کافی در اختیار نباشد پردازنده هم نمیتواند در زمان مناسب وظیفه را اجرا کند بعبارتی در سیستمهای تعبیه شده بیدرنگ، تطابق انرژی مصرفی با الگوی تولید و برداشت انرژی و همینطور استفاده درست از منبع انرژی تکمیلی (ذخیره ساز انرژی) برای حداقل کردن هزینه و ضمانت رفتار بیدرنگ سیستم بسیار اساسی است. اکثر روشهایی که در این زمینه تمرکز دارند از تکنیک انتخاب پویای فرکانس/ولتاژ (DVFS) که در ادامه با جزئیات بیشتری بیان خواهد شد برای مدیریت توان و انرژی استفاده میکنند گرچه همانطور که در فصل بعد بیان خواهیم کرد اگر بتوان بجای و یا در کنار حداقل کردن مصرف انرژی، ترتیبی اتخاذ شود که میزان انرژی مصرفی سیستم متناسب با انرژی برداشت شده از محیط باشد در اینصورت عملکرد سیستم بسیار بهتر خواهد بود در این راستا الگوریتمها و روشهای متفاوتی ارائه شدند که هرکدام به نحوی سعی در بهبود مصرف انرژی و افزایش بهرهوری سیستم و در مجموع بالابردن کارایی سیستم داشتهاند در فصلهای بعد به اختصار به معرفی چند الگوریتم به همراه ذکر مزایا و معایب هریک خواهیم پرداخت.
باتوجه به مطالب گفته شده دو محدودیت اساسی برای سیستمهای تعبیهشده بیدرنگ مطرح است که اکثر روشهای موجود سعی در تأمین این دو محدودیت دارند ]12[:
محدودیت زمانی: این حالت زمانی است که سیستم برای اجرای وظیفه جاری، انرژی کافی در اختیار دارد اما زمان کافی برای اجرای آن نیست و درنهایت وظیفه بدلیل عدم وجود زمان کافی نمیتواند قبل از اتمام سررسیدش خاتمه یابد و اجرای آن ناتمام میماند.
محدودیت انرژی: در این حالت برخلاف محدودیت زمانی، زمان کافی برای اجرای وظیفه جاری، در اختیار پردازنده قرار دارد اما پردازنده بدلیل عدم وجود انرژی کافی و مورد نیاز وظیفه قادر به اجرا و خاتمه وظیفه نمیباشد و در نهایت اجرای وظیفه ناتمام میماند.
بنابراین طراحان سیستمهای تعبیهشده مبتنی بر برداشت انرژی، بدنبال روشی هستند تا بتواند زمانبندی وظایف را طوری انجام دهند که وظایف درعین اجرا و خاتمه در سررسید متناظرشان، انرژی مصرفی هریک و در مجموع انرژی مصرفی کل سیستم نیز بهبود یابد.
2-8 مدیریت توان در سیستمهای تعبیهشده
یک تفاوت اساسی در سیستمهای تعبیهشده، تفاوت در میزان توان مصرفی میباشد چراکه توان کمتر، سبب هزینه عملیات کمتر، نیاز به خنک سازی کمترو طول عمر بیشتر باطری میشود. افزایش فرکانس عملیاتی سیستم و یا استفاده از قدرت بیشتر مدارات مجتمع و یا هردو، سبب بهبود بازده و عملکرد سیستم میشود اما در عین حال این روشها موجب افزایش توان مصرفی نیز میشوند بنابراین طراحان سیستمهای تعبیه شده بدنبال روشی هستند تا بتوانند در عین کاهش توان، عملکرد سیستم را نیز بهبود بخشند بدین منظور دو روش پیشنهاد میشود]13[ : 1 ) مدیریت توان ایستا که استفاده از ابزارها و وسایل با توان ایستای پایین میباشند . 2) مدیریت توان پویا که در این روش، سطح توان در طول عملیات برطبق بار پردازشی سیستم کنترل میشود.

Related posts: