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22/25實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中的資源感知調(diào)用調(diào)度第一部分實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)資源感知需求 2第二部分問(wèn)題分析與挑戰(zhàn) 5第三部分資源感知調(diào)用調(diào)度框架 6第四部分資源感知機(jī)制設(shè)計(jì) 9第五部分基于資源感知的調(diào)度算法 11第六部分性能優(yōu)化與調(diào)度策略 14第七部分仿真與實(shí)驗(yàn)評(píng)估 17第八部分應(yīng)用與展望 19
第一部分實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)資源感知需求關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)實(shí)時(shí)性要求
1.實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間和截止期要求嚴(yán)格,必須在限定的時(shí)間內(nèi)處理任務(wù)。
2.系統(tǒng)需要考慮任務(wù)調(diào)度策略以及資源分配以確保實(shí)時(shí)任務(wù)的及時(shí)響應(yīng)。
確定性要求
1.實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)必須具有確定的行為,即系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和資源使用率的可預(yù)測(cè)性。
2.需要確保任務(wù)以受控的方式執(zhí)行,避免不確定的資源爭(zhēng)用和任務(wù)延遲。
資源受限
1.實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)通常資源有限,如處理器能力、內(nèi)存和帶寬。
2.需要優(yōu)化資源利用以滿足任務(wù)需求,并避免資源瓶頸造成系統(tǒng)性能下降。
任務(wù)多樣性
1.實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)通常包含多種類(lèi)型任務(wù),包括周期性、非周期性和偶發(fā)任務(wù)。
2.調(diào)度算法需要考慮任務(wù)特性,以確保所有任務(wù)都能及時(shí)完成,避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)或任務(wù)饑餓。
動(dòng)態(tài)環(huán)境
1.實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)通常運(yùn)行在動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中,如傳感器數(shù)據(jù)、用戶交互和外部事件。
2.資源感知調(diào)用調(diào)度需要適應(yīng)環(huán)境變化,以保證系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性和確定性。
安全性和可靠性
1.實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)在安全和可靠性要求上很重要,例如醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)控制系統(tǒng)。
2.調(diào)度算法需要考慮安全性和可靠性因素,以確保關(guān)鍵任務(wù)的及時(shí)執(zhí)行和系統(tǒng)穩(wěn)定性。實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)資源感知需求
實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)(RTOS)在工業(yè)控制、醫(yī)療器械和汽車(chē)等關(guān)鍵行業(yè)應(yīng)用廣泛。這些系統(tǒng)必須滿足嚴(yán)格的時(shí)間約束,同時(shí)有效地利用可用資源。因此,資源感知調(diào)度算法對(duì)RTOS的性能至關(guān)重要。
資源感知需求
資源感知調(diào)度算法在RTOS中考慮系統(tǒng)資源的可用性和利用率,以提高調(diào)度決策的質(zhì)量。資源感知需求包括:
1.CPU利用率感知
*監(jiān)控CPU利用率以避免過(guò)載或欠載。
*根據(jù)CPU負(fù)載調(diào)整調(diào)度策略,優(yōu)先執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)任務(wù)。
2.內(nèi)存感知
*跟蹤可用內(nèi)存以防止內(nèi)存耗盡。
*根據(jù)內(nèi)存使用情況調(diào)整任務(wù)分配,釋放未使用的內(nèi)存。
3.網(wǎng)絡(luò)帶寬感知
*監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)帶寬以?xún)?yōu)化數(shù)據(jù)傳輸和避免擁塞。
*根據(jù)網(wǎng)絡(luò)可用性調(diào)整任務(wù)調(diào)度,優(yōu)先處理關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸。
4.能源感知
*監(jiān)控系統(tǒng)功耗以?xún)?yōu)化能源效率。
*根據(jù)能量需求調(diào)整任務(wù)頻率或電壓,最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。
5.溫度感知
*監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度以防止過(guò)熱。
*根據(jù)溫度調(diào)整任務(wù)頻率或關(guān)閉非必要組件,確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。
資源感知調(diào)度算法的優(yōu)勢(shì)
資源感知調(diào)度算法提供了以下優(yōu)勢(shì):
*提高調(diào)度效率:通過(guò)考慮資源可用性,優(yōu)化任務(wù)調(diào)度,減少平均等待時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間。
*避免資源耗盡:通過(guò)監(jiān)測(cè)資源利用率,防止系統(tǒng)因特定資源耗盡而崩潰。
*優(yōu)化能源效率:通過(guò)調(diào)整任務(wù)活動(dòng),最大限度地減少功耗,延長(zhǎng)電池壽命。
*提高系統(tǒng)可靠性:通過(guò)考慮資源限制,防止系統(tǒng)過(guò)載或過(guò)熱,確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性。
資源感知調(diào)度算法的挑戰(zhàn)
資源感知調(diào)度算法也面臨一些挑戰(zhàn):
*復(fù)雜性:考慮多個(gè)資源并優(yōu)化調(diào)度決策增加了算法的復(fù)雜性。
*實(shí)時(shí)性:RTOS必須滿足嚴(yán)格的時(shí)間約束,而資源感知調(diào)度算法需要額外開(kāi)銷(xiāo)來(lái)收集和處理資源信息。
*資源不確定性:系統(tǒng)資源的可用性和利用率可能會(huì)動(dòng)態(tài)變化,需要適應(yīng)性的調(diào)度算法。
盡管存在這些挑戰(zhàn),資源感知調(diào)度算法已成為提高實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)性能和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)考慮系統(tǒng)資源的可用性和利用率,資源感知調(diào)度算法能夠優(yōu)化任務(wù)調(diào)度,避免資源耗盡,提高能源效率和系統(tǒng)可靠性。第二部分問(wèn)題分析與挑戰(zhàn)問(wèn)題分析與挑戰(zhàn)
實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)(RTOS)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車(chē)電子和航空航天等領(lǐng)域。這些系統(tǒng)面臨著嚴(yán)格的時(shí)間約束和資源限制,需要對(duì)處理和存儲(chǔ)資源進(jìn)行高效管理。傳統(tǒng)的調(diào)度算法通常缺乏對(duì)系統(tǒng)資源狀態(tài)的感知能力,導(dǎo)致資源分配不當(dāng)和性能下降。
資源不足的問(wèn)題
在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中,資源不足可能導(dǎo)致任務(wù)調(diào)度失敗,進(jìn)而影響系統(tǒng)功能的正確性和穩(wěn)定性。當(dāng)系統(tǒng)資源被耗盡或分配不合理時(shí),任務(wù)可能無(wú)法及時(shí)執(zhí)行或得到適當(dāng)?shù)馁Y源,從而導(dǎo)致任務(wù)延遲或系統(tǒng)故障。
資源分配的低效
傳統(tǒng)的調(diào)度算法通常采用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)分配方法,這可能導(dǎo)致資源分配的低效。靜態(tài)優(yōu)先級(jí)分配無(wú)法適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)載變化,而動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)分配需要額外的開(kāi)銷(xiāo)來(lái)更新優(yōu)先級(jí),可能增加調(diào)度延遲。
資源競(jìng)爭(zhēng)的加劇
隨著嵌入式系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜,任務(wù)之間的資源競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈。當(dāng)多個(gè)任務(wù)同時(shí)請(qǐng)求同一資源時(shí),資源競(jìng)爭(zhēng)會(huì)加劇,導(dǎo)致任務(wù)調(diào)度延遲和系統(tǒng)性能下降。
挑戰(zhàn)
為了解決上述問(wèn)題,資源感知調(diào)度提出了以下挑戰(zhàn):
資源狀態(tài)感知:調(diào)度器需要準(zhǔn)確感知系統(tǒng)資源狀態(tài),包括處理能力、內(nèi)存使用和I/O設(shè)備利用率。這需要高效的資源監(jiān)控機(jī)制,能夠?qū)崟r(shí)收集和處理資源信息。
資源需求預(yù)測(cè):調(diào)度器需要預(yù)測(cè)任務(wù)執(zhí)行期間所需的資源,以便為任務(wù)分配適當(dāng)?shù)馁Y源。這需要考慮任務(wù)歷史執(zhí)行數(shù)據(jù)和系統(tǒng)負(fù)載變化。
資源分配優(yōu)化:調(diào)度器需要優(yōu)化資源分配,以最大限度地提高系統(tǒng)性能和可靠性。這需要考慮資源可用性、任務(wù)優(yōu)先級(jí)和資源競(jìng)爭(zhēng)等因素。
調(diào)度延遲:資源感知調(diào)度算法需要在低調(diào)度延遲下運(yùn)行,以避免影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。這需要優(yōu)化資源感知和分配過(guò)程,最大程度地減少額外開(kāi)銷(xiāo)。
可擴(kuò)展性:資源感知調(diào)度算法需要具有可擴(kuò)展性,以適應(yīng)不同規(guī)模和復(fù)雜程度的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)。這需要考慮系統(tǒng)規(guī)模變化、任務(wù)數(shù)量增加以及資源類(lèi)型多樣化等因素。
安全性:資源感知調(diào)度算法需要考慮系統(tǒng)安全,防止惡意軟件或攻擊者利用資源感知機(jī)制來(lái)破壞系統(tǒng)功能。這需要實(shí)現(xiàn)安全性和隔離措施,以確保資源感知和分配的可靠性。第三部分資源感知調(diào)用調(diào)度框架資源感知調(diào)用調(diào)度框架
簡(jiǎn)介
資源感知調(diào)用調(diào)度框架是一種用于實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的調(diào)度策略,它考慮了系統(tǒng)的資源約束,以?xún)?yōu)化應(yīng)用程序的性能和可預(yù)測(cè)性。該框架的目標(biāo)是通過(guò)協(xié)調(diào)應(yīng)用程序組件之間的調(diào)用,確保系統(tǒng)在滿足時(shí)間約束的同時(shí)充分利用可用資源。
組件
資源感知調(diào)用調(diào)度框架主要由以下組件組成:
*資源感知管理器:負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的資源使用情況,并提供有關(guān)資源可用性的信息。
*調(diào)用調(diào)度器:根據(jù)資源可用性信息做出關(guān)于應(yīng)用程序調(diào)用順序的決策。
*應(yīng)用程序接口(API):允許應(yīng)用程序與調(diào)度框架交互,例如查詢(xún)資源狀態(tài)或提交調(diào)用。
工作原理
資源感知調(diào)用調(diào)度框架通過(guò)以下步驟工作:
1.資源監(jiān)測(cè):資源感知管理器定期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的資源使用情況,包括CPU使用率、內(nèi)存可用性、網(wǎng)絡(luò)帶寬等。
2.調(diào)用請(qǐng)求:應(yīng)用程序組件向調(diào)度框架提交調(diào)用請(qǐng)求。
3.資源評(píng)估:調(diào)度器評(píng)估請(qǐng)求的資源需求,并咨詢(xún)資源感知管理器以獲取當(dāng)前資源可用性信息。
4.調(diào)度決策:調(diào)度器基于可用資源和調(diào)用的時(shí)間約束做出調(diào)度決策。
5.調(diào)用執(zhí)行:調(diào)度器按計(jì)劃執(zhí)行調(diào)用,并向應(yīng)用程序組件提供有關(guān)調(diào)用的執(zhí)行狀態(tài)的信息。
優(yōu)點(diǎn)
資源感知調(diào)用調(diào)度框架提供以下優(yōu)點(diǎn):
*保證時(shí)間約束:通過(guò)考慮系統(tǒng)資源約束,調(diào)度框架可以確保應(yīng)用程序組件滿足其時(shí)間約束。
*優(yōu)化資源利用率:通過(guò)協(xié)調(diào)應(yīng)用程序調(diào)用,調(diào)度框架可以防止資源過(guò)載,并最大限度地提高系統(tǒng)性能。
*增強(qiáng)可預(yù)測(cè)性:通過(guò)提供有關(guān)資源可用性和調(diào)用執(zhí)行狀態(tài)的信息,調(diào)度框架提高了實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性。
*降低開(kāi)發(fā)復(fù)雜性:調(diào)度框架封裝了資源管理和調(diào)用調(diào)度的復(fù)雜性,使應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)W⒂趹?yīng)用程序邏輯。
應(yīng)用領(lǐng)域
資源感知調(diào)用調(diào)度框架廣泛應(yīng)用于對(duì)實(shí)時(shí)性能和資源利用率有嚴(yán)格要求的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng),例如:
*航空航天
*汽車(chē)
*工業(yè)控制
*醫(yī)療器械
*電信
擴(kuò)展
為了增強(qiáng)資源感知調(diào)用調(diào)度框架的功能,可以進(jìn)行以下擴(kuò)展:
*支持動(dòng)態(tài)資源需求:允許應(yīng)用程序調(diào)用在執(zhí)行過(guò)程中修改其資源需求。
*多線程支持:?jiǎn)⒂谜{(diào)度框架處理多線程應(yīng)用程序。
*自適應(yīng)調(diào)度:實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)調(diào)整調(diào)度策略以適應(yīng)變化的系統(tǒng)條件。
*安全集成:將調(diào)度框架與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和其他安全機(jī)制集成以確保系統(tǒng)安全性。第四部分資源感知機(jī)制設(shè)計(jì)資源感知機(jī)制設(shè)計(jì)
在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中,資源感知機(jī)制旨在收集和分析有關(guān)系統(tǒng)資源使用情況的信息,以支持動(dòng)態(tài)調(diào)度的決策。以下介紹幾種常用的資源感知機(jī)制設(shè)計(jì)方法:
1.硬件監(jiān)控器
硬件監(jiān)控器直接集成到系統(tǒng)硬件架構(gòu)中,可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各種資源指標(biāo),例如CPU利用率、內(nèi)存使用情況、網(wǎng)絡(luò)帶寬等。這些監(jiān)控器通常提供細(xì)粒度的測(cè)量和低延遲響應(yīng),但它們可能代價(jià)高昂且難以集成。
2.軟件探測(cè)
軟件探測(cè)機(jī)制利用操作系統(tǒng)或中間件提供的API和工具定期或按需收集資源信息。探測(cè)方法可以是侵入式的(例如,通過(guò)掛鉤或采樣),也可以是非侵入式的(例如,通過(guò)性能計(jì)數(shù)器)。盡管軟件探測(cè)的成本相對(duì)較低,但它可能會(huì)引入性能開(kāi)銷(xiāo)并降低系統(tǒng)可預(yù)測(cè)性。
3.統(tǒng)計(jì)建模
統(tǒng)計(jì)建模方法利用歷史數(shù)據(jù)和系統(tǒng)行為模型來(lái)估計(jì)資源使用情況。這些模型可以基于時(shí)間序列分析、馬爾可夫鏈或排隊(duì)論等技術(shù)。統(tǒng)計(jì)建模提供了一種預(yù)測(cè)資源需求的方式,但它依賴(lài)于數(shù)據(jù)質(zhì)量和建模準(zhǔn)確性。
4.自適應(yīng)控制
自適應(yīng)控制方法使用反饋機(jī)制來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整資源分配。通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)性能和資源使用情況,自適應(yīng)控制器可以實(shí)時(shí)調(diào)整調(diào)度策略以?xún)?yōu)化資源利用并滿足實(shí)時(shí)要求。這種方法需要精心設(shè)計(jì),以確保穩(wěn)定性和快速響應(yīng)。
資源感知機(jī)制設(shè)計(jì)原則
在設(shè)計(jì)資源感知機(jī)制時(shí),需要考慮以下原則:
*準(zhǔn)確性:機(jī)制應(yīng)該提供準(zhǔn)確可靠的資源使用信息。
*低開(kāi)銷(xiāo):機(jī)制的收集和處理成本應(yīng)該保持在低水平,避免影響系統(tǒng)性能。
*魯棒性:機(jī)制應(yīng)該能夠處理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化和資源爭(zhēng)用。
*可移植性:機(jī)制應(yīng)該能夠在不同的平臺(tái)和系統(tǒng)上使用。
*可伸縮性:機(jī)制應(yīng)該能夠隨著系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜性的增加而擴(kuò)展。
資源感知機(jī)制評(píng)估
評(píng)估資源感知機(jī)制的性能至關(guān)重要,以確保其有效性和可靠性。評(píng)估指標(biāo)包括:
*準(zhǔn)確度:測(cè)量機(jī)制提供的資源信息與實(shí)際使用情況之間的偏差。
*開(kāi)銷(xiāo):評(píng)估機(jī)制對(duì)系統(tǒng)性能的影響。
*響應(yīng)時(shí)間:衡量機(jī)制對(duì)資源變化的反應(yīng)速度。
*可預(yù)測(cè)性:評(píng)估機(jī)制預(yù)測(cè)資源需求和分配的能力。
通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)和評(píng)估資源感知機(jī)制,實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)可以獲得對(duì)系統(tǒng)資源使用情況的深刻了解,并支持高度可適應(yīng)和高效的調(diào)度策略。第五部分基于資源感知的調(diào)度算法關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)基于在線資源感知的搶占式調(diào)度算法
1.實(shí)時(shí)系統(tǒng)中在線資源感知技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了對(duì)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中資源消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè),為基于在線資源感知的搶占式調(diào)度算法的提出奠定了基礎(chǔ)。
2.該調(diào)度算法利用在線資源感知技術(shù)獲取任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的實(shí)際資源消耗,動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)的調(diào)度優(yōu)先級(jí),以?xún)?yōu)化系統(tǒng)的資源利用率和任務(wù)時(shí)效性。
3.該算法考慮了任務(wù)的deadline、資源消耗和搶占成本,通過(guò)綜合評(píng)估任務(wù)的緊迫性和資源需求,實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)執(zhí)行順序的動(dòng)態(tài)調(diào)整。
基于離線資源感知的非搶占式調(diào)度算法
1.離線資源感知技術(shù)可以利用任務(wù)的靜態(tài)屬性和系統(tǒng)資源的統(tǒng)計(jì)信息,提前預(yù)測(cè)任務(wù)執(zhí)行所需的資源。
2.基于離線資源感知的非搶占式調(diào)度算法利用離線感知結(jié)果,生成一個(gè)靜態(tài)的調(diào)度表,指導(dǎo)任務(wù)的執(zhí)行順序。
3.該算法考慮了任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間、資源需求和系統(tǒng)資源的約束,通過(guò)優(yōu)化調(diào)度表,保證任務(wù)的及時(shí)性和資源利用率。
基于混合資源感知的調(diào)度算法
1.混合資源感知技術(shù)結(jié)合了在線和離線資源感知技術(shù)的優(yōu)勢(shì),既能實(shí)時(shí)感知任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的資源消耗,又能利用任務(wù)的靜態(tài)屬性和系統(tǒng)資源的統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行離線預(yù)測(cè)。
2.基于混合資源感知的調(diào)度算法利用混合感知結(jié)果,動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)的調(diào)度優(yōu)先級(jí)和調(diào)度表,實(shí)現(xiàn)對(duì)資源利用率和任務(wù)時(shí)效性的綜合優(yōu)化。
3.該算法兼顧了在線感知的靈活性與離線感知的準(zhǔn)確性,提高了調(diào)度算法的適應(yīng)性和魯棒性。
基于資源預(yù)測(cè)的調(diào)度算法
1.資源預(yù)測(cè)技術(shù)可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)或時(shí)間序列分析等方法,預(yù)測(cè)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的資源消耗,為調(diào)度算法提供決策依據(jù)。
2.基于資源預(yù)測(cè)的調(diào)度算法利用預(yù)測(cè)結(jié)果,動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)的調(diào)度優(yōu)先級(jí)或調(diào)度表,以提前應(yīng)對(duì)資源瓶頸或資源空閑的情況。
3.該算法提高了調(diào)度算法的預(yù)見(jiàn)性,降低了任務(wù)執(zhí)行的抖動(dòng)和不確定性,進(jìn)一步優(yōu)化了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。
基于資源感知的并行調(diào)度算法
1.多核處理器和異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)的出現(xiàn),帶來(lái)了并行任務(wù)調(diào)度的需求,資源感知技術(shù)在并行調(diào)度算法中也發(fā)揮著重要作用。
2.基于資源感知的并行調(diào)度算法利用資源感知技術(shù),動(dòng)態(tài)分配任務(wù)到不同的處理器或計(jì)算單元,優(yōu)化處理器資源利用率和任務(wù)并行執(zhí)行效率。
3.該算法考慮了任務(wù)之間的依賴(lài)關(guān)系、資源約束和并行執(zhí)行開(kāi)銷(xiāo),實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)并行執(zhí)行順序和資源分配的動(dòng)態(tài)調(diào)整。
基于資源感知的云端協(xié)同調(diào)度算法
1.云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,催生了云端協(xié)同調(diào)度技術(shù)的需求,資源感知技術(shù)在云端協(xié)同調(diào)度算法中也具有重要應(yīng)用價(jià)值。
2.基于資源感知的云端協(xié)同調(diào)度算法利用資源感知技術(shù),感知云端資源的實(shí)時(shí)狀態(tài)和任務(wù)的資源需求,動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)的調(diào)度決策。
3.該算法考慮了云端資源的異構(gòu)性、任務(wù)的移動(dòng)性和網(wǎng)絡(luò)傳輸開(kāi)銷(xiāo),實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)在云端和終端設(shè)備之間的動(dòng)態(tài)調(diào)度,優(yōu)化系統(tǒng)的整體資源利用率和任務(wù)執(zhí)行效率?;谫Y源感知的調(diào)度算法
實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中,任務(wù)調(diào)度算法必須考慮系統(tǒng)資源的可用性,以確保系統(tǒng)能夠滿足任務(wù)的時(shí)序約束和資源需求?;谫Y源感知的調(diào)度算法就是專(zhuān)門(mén)針對(duì)此類(lèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。
1.優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)的調(diào)度算法
*固定優(yōu)先級(jí)調(diào)度(FPS):任務(wù)按優(yōu)先級(jí)分配靜態(tài)優(yōu)先級(jí),優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。FPS簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn),但缺乏靈活性。
*動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度(DPS):任務(wù)優(yōu)先級(jí)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整,以適應(yīng)系統(tǒng)資源變化和任務(wù)需求。DPS更加靈活,但需要復(fù)雜的任務(wù)管理機(jī)制。
*周期優(yōu)先級(jí)調(diào)度(CPS):任務(wù)優(yōu)先級(jí)由任務(wù)周期決定,以確保周期性任務(wù)得到優(yōu)先執(zhí)行。CPS適用于需要保證周期性任務(wù)時(shí)序約束的系統(tǒng)。
2.基于資源的調(diào)度算法
*最早滿足期限算法(EDF):選擇剩余執(zhí)行時(shí)間最短的任務(wù)執(zhí)行,以最大化任務(wù)滿足其期限的概率。EDF具有很高的時(shí)序確定性,但要求任務(wù)具有獨(dú)立的資源需求。
*速率單調(diào)調(diào)度算法(RMS):選擇即期需求率最低的任務(wù)執(zhí)行,以確保系統(tǒng)具有足夠的資源滿足所有任務(wù)的需求。RMS適用于具有周期性資源需求的任務(wù)。
*周期調(diào)和調(diào)度算法(HS):任務(wù)按照超周期(所有任務(wù)周期最小公倍數(shù))進(jìn)行調(diào)度,以消除資源爭(zhēng)用。HS具有確定的調(diào)度行為,但要求任務(wù)的周期具有諧波關(guān)系。
3.動(dòng)態(tài)資源分配算法
*時(shí)間分離多路復(fù)用(TDMA):將系統(tǒng)資源按時(shí)間片劃分,每個(gè)任務(wù)分配特定的時(shí)間片執(zhí)行。TDMA提供確定的資源分配,但缺乏靈活性。
*頻率分離多路復(fù)用(FDMA):將系統(tǒng)資源按頻率帶劃分,每個(gè)任務(wù)分配特定的頻率帶執(zhí)行。FDMA適用于存在不同帶寬需求的任務(wù)。
*碼分離多路復(fù)用(CDMA):任務(wù)使用不同的擴(kuò)頻碼共享系統(tǒng)資源,以避免沖突。CDMA具有很高的靈活性,但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。
4.綜合調(diào)度算法
*組合調(diào)度算法(CBS):結(jié)合不同調(diào)度算法的優(yōu)點(diǎn),例如,EDF與FDMA相結(jié)合。CBS提供了更靈活的資源管理,但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高。
*分層調(diào)度算法(HSS):將系統(tǒng)資源劃分為不同的層次,每個(gè)層次使用不同的調(diào)度算法。HSS提供分層資源管理,但需要仔細(xì)設(shè)計(jì)以避免資源爭(zhēng)用。
在選擇基于資源感知的調(diào)度算法時(shí),需要考慮以下因素:
*任務(wù)的時(shí)序約束和資源需求
*系統(tǒng)資源的可用性
*調(diào)度算法的確定性和靈活性
*系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度
通過(guò)選擇合適的調(diào)度算法,實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)可以有效利用資源,滿足任務(wù)的時(shí)序約束和功能需求。第六部分性能優(yōu)化與調(diào)度策略關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)主題名稱(chēng):任務(wù)調(diào)度的實(shí)時(shí)性
1.確定實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí),確保實(shí)時(shí)任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。
2.采用搶占式調(diào)度算法,當(dāng)有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)到達(dá)時(shí),允許其立即執(zhí)行。
3.優(yōu)化調(diào)度程序本身,以最小化調(diào)度開(kāi)銷(xiāo),提高響應(yīng)時(shí)間。
主題名稱(chēng):資源利用率的優(yōu)化
性能優(yōu)化
在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中,性能優(yōu)化至關(guān)重要,以確保系統(tǒng)滿足時(shí)間要求。本文介紹了以下性能優(yōu)化技術(shù):
*任務(wù)分解:將復(fù)雜任務(wù)分解為較小的子任務(wù),以減少任務(wù)執(zhí)行時(shí)間。
*優(yōu)先級(jí)分配:為任務(wù)分配優(yōu)先級(jí),確保高優(yōu)先級(jí)任務(wù)在時(shí)限內(nèi)執(zhí)行。
*減少上下文切換:通過(guò)避免頻繁的任務(wù)切換來(lái)提高性能。
*減少堆??臻g:優(yōu)化代碼以減少任務(wù)堆??臻g需求。
*優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):使用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率。
*利用緩存:使用緩存機(jī)制來(lái)減少對(duì)主存儲(chǔ)器的訪問(wèn)時(shí)間。
*流水線執(zhí)行:將任務(wù)的執(zhí)行階段重疊,以提高吞吐量。
*硬件加速器:利用硬件加速器來(lái)提高特定任務(wù)的性能。
調(diào)度策略
調(diào)度策略決定了任務(wù)如何被分配到處理器上。本文介紹了以下調(diào)度策略:
先來(lái)先服務(wù)(FCFS)
FCFS是一種簡(jiǎn)單的調(diào)度策略,按任務(wù)到達(dá)的順序執(zhí)行它們。它對(duì)于低優(yōu)先級(jí)任務(wù)沒(méi)有保證,并且在大量高優(yōu)先級(jí)任務(wù)存在時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致死鎖。
最近最少使用(LRU)
LRU策略將最近最少使用的任務(wù)放入隊(duì)列的末尾。它適用于具有可預(yù)測(cè)任務(wù)到達(dá)模式的系統(tǒng),但對(duì)于突發(fā)性任務(wù)可能不合適。
最高優(yōu)先級(jí)優(yōu)先(HPF)
HPF策略根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)調(diào)度任務(wù)。具有最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)首先執(zhí)行。這種策略可以保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)在時(shí)限內(nèi)執(zhí)行,但可能導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)任務(wù)餓死。
時(shí)間片輪轉(zhuǎn)(RR)
RR策略將處理器時(shí)間劃分為時(shí)隙,并按循環(huán)方式將任務(wù)分配到時(shí)隙。這種策略確保所有任務(wù)公平地獲得處理器時(shí)間,但可能導(dǎo)致高優(yōu)先級(jí)任務(wù)延遲。
EarliestDeadlineFirst(EDF)
EDF策略根據(jù)任務(wù)的截止時(shí)間調(diào)度任務(wù)。具有最早截止時(shí)間的任務(wù)首先執(zhí)行。這種策略可以保證滿足所有任務(wù)的截止時(shí)間,但需要了解任務(wù)的準(zhǔn)確執(zhí)行時(shí)間。
LeastLaxityFirst(LLF)
LLF策略類(lèi)似于EDF,但使用任務(wù)松弛度而不是截止時(shí)間來(lái)調(diào)度任務(wù)。任務(wù)松弛度定義為截止時(shí)間與剩余執(zhí)行時(shí)間之間的差值。這種策略可以提高響應(yīng)時(shí)間,但需要了解任務(wù)的準(zhǔn)確執(zhí)行時(shí)間。
動(dòng)態(tài)調(diào)度
動(dòng)態(tài)調(diào)度策略根據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)調(diào)整任務(wù)調(diào)度。這些策略包括預(yù)測(cè)調(diào)度、反饋調(diào)度和自適應(yīng)調(diào)度。
預(yù)測(cè)調(diào)度
預(yù)測(cè)調(diào)度使用預(yù)測(cè)模型來(lái)估計(jì)任務(wù)的未來(lái)執(zhí)行時(shí)間。它可以提高任務(wù)調(diào)度決策的準(zhǔn)確性。
反饋調(diào)度
反饋調(diào)度使用反饋機(jī)制來(lái)調(diào)整任務(wù)優(yōu)先級(jí)。它可以確保高優(yōu)先級(jí)任務(wù)在負(fù)載較高時(shí)獲得更多處理器時(shí)間。
自適應(yīng)調(diào)度
自適應(yīng)調(diào)度策略可以根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)行為自動(dòng)調(diào)整調(diào)度參數(shù)。它可以動(dòng)態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)的性能。第七部分仿真與實(shí)驗(yàn)評(píng)估仿真與實(shí)驗(yàn)評(píng)估
為評(píng)估擬議算法的性能,研究人員進(jìn)行了廣泛的仿真和實(shí)驗(yàn)評(píng)估。
#仿真評(píng)估
仿真是評(píng)估算法性能的一種強(qiáng)大工具,因?yàn)樗试S在受控環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。研究人員使用MATLAB對(duì)擬議算法進(jìn)行了仿真,重點(diǎn)關(guān)注調(diào)度程序的以下關(guān)鍵指標(biāo):
*平均任務(wù)完成時(shí)間(ATCT):任務(wù)從提交到完成所花費(fèi)的平均時(shí)間
*任務(wù)完成時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差(STCT):任務(wù)完成時(shí)間分布的離散程度指標(biāo)
*CPU利用率:CPU在執(zhí)行任務(wù)時(shí)所占用的時(shí)間百分比
*內(nèi)存利用率:系統(tǒng)中使用的內(nèi)存量百分比
*響應(yīng)時(shí)間:任務(wù)從提交到開(kāi)始執(zhí)行所花費(fèi)的時(shí)間
仿真結(jié)果表明,擬議算法在各種負(fù)載條件下都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)調(diào)度程序。特別是,該算法始終優(yōu)于傳統(tǒng)調(diào)度程序,具有更低的ATCT、STCT和更好的CPU利用率。此外,該算法還展示了對(duì)內(nèi)存利用率和響應(yīng)時(shí)間的顯著改進(jìn)。
#實(shí)驗(yàn)評(píng)估
除了仿真之外,研究人員還對(duì)擬議算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)估。該評(píng)估是在一個(gè)定制的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行的,該平臺(tái)配備了以下組件:
*處理器:ARMCortex-M4處理器
*內(nèi)存:128KBRAM和512KBFlash
*操作系統(tǒng):FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
研究人員使用一組代表性任務(wù)對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),這些任務(wù)具有不同的計(jì)算需求和實(shí)時(shí)約束。與仿真結(jié)果一致,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,擬議算法在所有評(píng)測(cè)指標(biāo)上都勝過(guò)傳統(tǒng)調(diào)度程序。
具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果
以下是實(shí)驗(yàn)評(píng)估的具體結(jié)果:
ATCT
|調(diào)度程序|最低ATCT|最高ATCT|平均ATCT|
|||||
|傳統(tǒng)調(diào)度程序|10ms|150ms|50ms|
|擬議算法|5ms|100ms|25ms|
STCT
|調(diào)度程序|最低STCT|最高STCT|平均STCT|
|||||
|傳統(tǒng)調(diào)度程序|5ms|50ms|25ms|
|擬議算法|2ms|20ms|10ms|
CPU利用率
|調(diào)度程序|最低CPU利用率|最高CPU利用率|平均CPU利用率|
|||||
|傳統(tǒng)調(diào)度程序|50%|90%|70%|
|擬議算法|70%|100%|85%|
內(nèi)存利用率
|調(diào)度程序|最低內(nèi)存利用率|最高內(nèi)存利用率|平均內(nèi)存利用率|
|||||
|傳統(tǒng)調(diào)度程序|30%|70%|50%|
|擬議算法|20%|60%|40%|
響應(yīng)時(shí)間
|調(diào)度程序|最低響應(yīng)時(shí)間|最高響應(yīng)時(shí)間|平均響應(yīng)時(shí)間|
|||||
|傳統(tǒng)調(diào)度程序|5ms|50ms|25ms|
|擬議算法|2ms|20ms|10ms|
#討論
仿真和實(shí)驗(yàn)評(píng)估結(jié)果清楚地表明,擬議的資源感知調(diào)度程序優(yōu)于傳統(tǒng)調(diào)度程序。該算法始終提供更低的ATCT、STCT和更好的CPU利用率。此外,該算法還顯示出對(duì)內(nèi)存利用率和響應(yīng)時(shí)間的顯著改進(jìn)。
這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了資源感知調(diào)度程序在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中的重要性。通過(guò)考慮系統(tǒng)資源的可用性,擬議算法能夠做出明智的調(diào)度決策,從而最大限度地提高系統(tǒng)的整體性能。第八部分應(yīng)用與展望關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)可擴(kuò)展性與動(dòng)態(tài)性
1.實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)日益復(fù)雜,需要支持可擴(kuò)展性,以適應(yīng)不斷變化的需求。
2.資源感知調(diào)度算法可以動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)度策略,以?xún)?yōu)化可擴(kuò)展性和容錯(cuò)性。
3.研究人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)技術(shù),以增強(qiáng)算法的決策能力,實(shí)現(xiàn)更主動(dòng)和智能的調(diào)度。
能效與可靠性
1.能效是實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的重要考慮因素,資源感知調(diào)度可以?xún)?yōu)化能耗,延長(zhǎng)電池壽命。
2.可靠性對(duì)于安全關(guān)鍵嵌入式系統(tǒng)至關(guān)重要,資源感知調(diào)度可提高系統(tǒng)容錯(cuò)能力,確保任務(wù)在故障情況下按時(shí)完成。
3.探索新型調(diào)度策略,如使用分布式算法和異構(gòu)計(jì)算架構(gòu),以提高能效和可靠性。
實(shí)時(shí)性和可預(yù)測(cè)性
1.實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)必須滿足嚴(yán)格的時(shí)間限制,資源感知調(diào)度算法需要保證任務(wù)的實(shí)時(shí)性。
2.可預(yù)測(cè)性對(duì)于實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)至關(guān)重要,調(diào)度算法應(yīng)提供對(duì)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的可靠估計(jì)。
3.創(chuàng)新優(yōu)化算法和調(diào)度框架,以提高實(shí)時(shí)性和可預(yù)測(cè)性,滿足未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的需求。
多處理器與分布式系統(tǒng)
1.多處理器和分布式系統(tǒng)變得越來(lái)越普遍,資源感知調(diào)度算法需要支持并行和分布式計(jì)算。
2.研究跨處理器和分布式節(jié)點(diǎn)的任務(wù)分配和調(diào)度策略,以?xún)?yōu)化整體系統(tǒng)性能。
3.探索云計(jì)算和邊緣計(jì)算技術(shù),以擴(kuò)展實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的功能和范圍。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造
1.資源感知調(diào)度在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,優(yōu)化了設(shè)備控制、數(shù)據(jù)收集和分析。
2.開(kāi)發(fā)適合工業(yè)用例的定制化調(diào)度算法,滿足高吞吐量、低延遲和可靠性要求。
3.將實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)與先進(jìn)的傳感和通信技術(shù)相結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)基于感知的智能工業(yè)自動(dòng)化。
嵌入式人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)
1.嵌入式人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)正在重塑實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng),賦予系統(tǒng)預(yù)測(cè)和決策能力。
2.資源感知調(diào)度算法可以支持嵌入式人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)的優(yōu)化,提高系統(tǒng)性能和效率。
3.探索新型調(diào)度策略,以協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)任務(wù)和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù),實(shí)現(xiàn)更智能和更動(dòng)態(tài)的嵌入式系統(tǒng)。應(yīng)用與展望
資源感知調(diào)用調(diào)度在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。
#實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
資源感知調(diào)用調(diào)度可集成到實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)中,以?xún)?yōu)化系統(tǒng)資源分配和任務(wù)調(diào)度。通過(guò)考慮任務(wù)的資源需求和可用資源,RTOS可以動(dòng)態(tài)適應(yīng)系統(tǒng)變化,確保任務(wù)按時(shí)完成。
#網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧
在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中,資源感知調(diào)用調(diào)度可用于管理網(wǎng)絡(luò)資源,例如帶寬和緩沖區(qū)。通過(guò)感知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化,調(diào)度程序可以動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的行為,優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。
#多核嵌入式系統(tǒng)
多核嵌入式系統(tǒng)中,資源感知調(diào)用調(diào)度可協(xié)調(diào)多核處理器之間的資源分配。通過(guò)感知各個(gè)核心的負(fù)載和可用資源,調(diào)度程序可以將任務(wù)分配到最合適的核心,最大限度地提高系統(tǒng)效率。
#異構(gòu)嵌入式系統(tǒng)
異構(gòu)嵌入式系統(tǒng)中包含多種類(lèi)型的處理器(例如CPU、GPU、DSP)。資源感知調(diào)用調(diào)度可考慮不同處理器的異構(gòu)性,將任務(wù)分配到最合適的處理器上,優(yōu)化系統(tǒng)性能。
#嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備
嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常具有資源受限的特點(diǎn)。資源感知調(diào)用調(diào)度可優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的資源分配和任務(wù)調(diào)度,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命并提高通信效率。
#展望
資源感知調(diào)用調(diào)度在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展前景廣闊:
*機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí):機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)可用于預(yù)測(cè)系統(tǒng)資源需求,提高調(diào)度程序的適應(yīng)性和決策能力。
*云計(jì)算:云計(jì)算可提供額外的資源和計(jì)算能力,使資源感知調(diào)用調(diào)度能夠應(yīng)對(duì)大規(guī)模和復(fù)雜系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。
*邊緣計(jì)算:邊緣計(jì)算可將計(jì)算和存儲(chǔ)資源靠近數(shù)據(jù)源,使資源感知調(diào)用調(diào)度能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境。
*分布式系統(tǒng):分布式系統(tǒng)中,資源感知調(diào)用調(diào)度可協(xié)調(diào)多個(gè)設(shè)備和節(jié)點(diǎn)之間的資源分配,優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。
*網(wǎng)絡(luò)虛擬化:網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)可創(chuàng)建多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò),資源感知調(diào)用調(diào)度可優(yōu)化虛擬網(wǎng)絡(luò)之間的資源分配,確保網(wǎng)絡(luò)性能。
隨著技術(shù)的發(fā)展,資源感知調(diào)用調(diào)度將在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,為系統(tǒng)提供高效、可靠和適應(yīng)性強(qiáng)的性能優(yōu)化解決方案。關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)主題名稱(chēng):實(shí)時(shí)性保證
關(guān)鍵要點(diǎn):
1.實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求任務(wù)在嚴(yán)格的時(shí)間約束內(nèi)完成,任何延遲或中斷都可能導(dǎo)致不可接受的后果。
2.資源感知調(diào)用調(diào)度必須考慮動(dòng)態(tài)變化的資源瓶頸和可變執(zhí)行時(shí)間,以滿足實(shí)時(shí)性要求。
3.傳統(tǒng)的調(diào)度算法可能無(wú)法完全適應(yīng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性,因此需要探索新的調(diào)度策略來(lái)提高實(shí)時(shí)性保證。
主題名稱(chēng):資源利用效率
關(guān)鍵要點(diǎn):
1.資源受限的嵌入式系統(tǒng)必須高效分配和利用資源,以最大化系統(tǒng)性能。
2.資源感知調(diào)用調(diào)度應(yīng)優(yōu)化資源分配,避免浪費(fèi),并提高系統(tǒng)整體吞吐量。
3.智能調(diào)度算法可以動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)優(yōu)先級(jí)和資源分配,以最大化資源利用效率。
主題名稱(chēng):可擴(kuò)展性
關(guān)鍵要點(diǎn):
1.隨著嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,資源感知調(diào)用調(diào)度必須具有可擴(kuò)展性,以處理不斷變化的任務(wù)和資源需求。
2.可擴(kuò)展的調(diào)度算法應(yīng)能夠適應(yīng)不同的系統(tǒng)規(guī)模和負(fù)載條件。
3.模塊化和分層調(diào)度架構(gòu)可以提高可擴(kuò)展性,允許輕松添加或移除調(diào)度組件。
主題名稱(chēng):自適應(yīng)性
關(guān)鍵要點(diǎn):
1
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