[论文解读] Control-Scheduling Codesign: A Perspective on Integrating Control and Computing

Feng Xia, Youxian Sun|ArXiv.org|Jun 9, 2008

Real-Time Systems Scheduling参考文献 61被引用 55

一句话总结

本文提出了一种名为控制-调度协同设计的创新方法论，将反馈控制与实时计算相结合，以提升在资源受限和工作负载不确定环境下的嵌入式系统性能。通过协同设计控制与调度机制，该方法可在不可预测环境中实现自适应、鲁棒的运行，为控制与计算机科学领域提供统一框架，以应对网络物理系统中出现的新兴挑战。

ABSTRACT

Despite rapid evolution, embedded computing systems increasingly feature resource constraints and workload uncertainties. To achieve much better system performance in unpredictable environments than traditional design approaches, a novel methodology, control-scheduling codesign, is emerging in the context of integrating feedback control and real-time computing. The aim of this work is to provide a better understanding of this emerging methodology and to spark new interests and developments in both the control and computer science communities. The state of the art of control-scheduling codesign is captured. Relevant research efforts in the literature are discussed under two categories, i.e., control of computing systems and codesign for control systems. Critical open research issues on integrating control and computing are also outlined.

研究动机与目标

• 应对嵌入式计算系统中日益严峻的资源约束与工作负载不确定性挑战。
• 克服传统控制与计算系统中分离设计方法的局限性。
• 促进控制理论与实时计算领域之间的跨学科合作。
• 全面概述控制-调度协同设计领域的最新研究成果。
• 识别未来集成控制-计算系统发展中关键的开放研究问题。

提出的方法

• 提出一种协同设计方法论，联合优化嵌入式系统中的控制与调度组件。
• 将研究划分为两个领域：计算系统的控制，以及面向控制系统的协同设计。
• 利用反馈控制原理，根据系统状态与工作负载动态调整调度决策。
• 将实时调度与控制理论模型相结合，确保在不确定性条件下的稳定性与性能。
• 利用现有的控制与调度框架，实现双向优化。
• 提出一种系统级集成的概念框架，强调控制与调度之间的反馈回路。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何协同设计控制与调度，以提升资源受限嵌入式系统的性能？
• RQ2 在不可预测环境中，将反馈控制与实时调度集成时面临哪些关键挑战？
• RQ3 控制计算系统与面向控制系统的协同设计在方法论与应用上存在哪些差异？
• RQ4 哪些关键开放问题阻碍了控制-调度协同设计的采用与推进？
• RQ5 控制理论中的反馈机制在何种方式下可增强实时系统中的调度决策？

主要发现

• 控制-调度协同设计可在工作负载不确定条件下实现系统行为的自适应，提升鲁棒性与性能。
• 控制与调度的集成可使系统在动态环境中运行更加可预测与稳定。
• 识别出两个主要研究方向：计算系统的控制与面向控制系统的协同设计，各自具有独特的挑战与机遇。
• 本文指出，传统分离设计方法无法满足现代嵌入式系统对性能的要求。
• 关键开放问题包括建模不确定性、在联合优化下确保稳定性，以及开发统一的设计方法论。
• 该框架通过统一网络物理系统中控制与计算的视角，为未来研究奠定了基础。