開(kāi)放式混合實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的調(diào)度方法研究.pdf

1、實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要面向現(xiàn)實(shí)世界中與時(shí)間因素相關(guān)的應(yīng)用需求，在工業(yè)控制、航空航天和軍事設(shè)備等眾多領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng)用。它所關(guān)注的不僅是計(jì)算結(jié)果在邏輯上的正確性，而且還有輸出結(jié)果時(shí)間上的及時(shí)性。隨著實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入發(fā)展，多類型的硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)任務(wù)共存于同一系統(tǒng)中的情況越來(lái)越普遍，致使其復(fù)雜性不斷提高。開(kāi)放式混合實(shí)時(shí)系統(tǒng)即是針對(duì)這種實(shí)際情況被提出的。 本文在對(duì)開(kāi)放式混合實(shí)時(shí)系統(tǒng)的調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行了深入分析的基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行了

2、系統(tǒng)的研究，提出了一種新的集成調(diào)度框架——RPDS(RigorouslyProportionalDispatchingServer)。針對(duì)廣泛存在的不確定實(shí)時(shí)環(huán)境，提出了一種反饋控制實(shí)時(shí)調(diào)度算法NF-QoS(NormalizedFairQoS)。結(jié)合具體的操作系統(tǒng)平臺(tái)(MiniCore)討論了集成上述兩種調(diào)度算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，構(gòu)建了一個(gè)原型操作系統(tǒng)RT-MiniCore。 在混合實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，調(diào)度器必須既保證所有硬實(shí)時(shí)任務(wù)嚴(yán)格

3、按照其時(shí)間約束在截止期內(nèi)完成，又要盡可能提高軟實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。RPDS算法就是為解決這個(gè)問(wèn)題而提出的，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了一種層次式調(diào)度框架。該算法將不同類型實(shí)時(shí)任務(wù)分開(kāi)，由不同調(diào)度器調(diào)度，由RPDS統(tǒng)一派發(fā)時(shí)間片。在保證硬實(shí)時(shí)任務(wù)不受其他類型任務(wù)影響的基礎(chǔ)上，RPDS將處理器時(shí)間流分成連續(xù)的小段，并在每一小段中強(qiáng)制為非硬實(shí)時(shí)任務(wù)分配一個(gè)時(shí)間片，使軟實(shí)時(shí)任務(wù)的截止期錯(cuò)失率達(dá)到了最小化。對(duì)于在系統(tǒng)中同時(shí)運(yùn)行的各類應(yīng)用程序，可

4、單獨(dú)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，并可以選擇不同的局部調(diào)度器。 任務(wù)間的QoS公平性是多QoS級(jí)別的可調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)中的一個(gè)重要問(wèn)題。本文引入了標(biāo)準(zhǔn)化QoS公平的概念，在公平性中加入了任務(wù)的重要性因素，并構(gòu)造了具有PID反饋控制環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)調(diào)度算法NF-QoS，以達(dá)到系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化QoS公平。利用NF-QoS對(duì)系統(tǒng)截止期錯(cuò)失率進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，定期反饋給PID控制器，根據(jù)PID控制器計(jì)算的結(jié)果對(duì)各任務(wù)QoS級(jí)別進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以保證各任務(wù)公平地得

5、到處理器資源。 調(diào)度方法要在實(shí)際中得到應(yīng)用，需要與具體的操作系統(tǒng)相結(jié)合。本文介紹了一種我們提出的基于服務(wù)體/執(zhí)行流模型(Servant/Exe-FlowModel，SEF)的操作系統(tǒng)構(gòu)造方式。它拋棄了進(jìn)程/線程概念，轉(zhuǎn)而采用更基本的服務(wù)體、執(zhí)行流作為系統(tǒng)的基本抽象。采用SEF模型的操作系統(tǒng)不光在靈活性、可擴(kuò)展性、效率方面有很好的表現(xiàn)，而且它的某些特性，使其非常適合應(yīng)用在實(shí)時(shí)領(lǐng)域。 為了在實(shí)踐中檢驗(yàn)本文所提出的實(shí)時(shí)調(diào)度理論

6、和方法，結(jié)合基于SEF模型構(gòu)建的原型操作系統(tǒng)MiniCore，設(shè)計(jì)了RPDS與NF-QoS在MiniCore中的具體實(shí)現(xiàn)的方案。該方案將系統(tǒng)調(diào)度部分從核心服務(wù)體中剝離出來(lái)，集成兩種實(shí)時(shí)調(diào)度方法以及非實(shí)時(shí)的O(1)調(diào)度方法，結(jié)合具體的底層支持機(jī)制，形成調(diào)度服務(wù)體，從而可在操作系統(tǒng)級(jí)提供較為完善的、可滿足開(kāi)放式混合實(shí)時(shí)系統(tǒng)需求的調(diào)度支持以及反饋控制調(diào)度支持機(jī)制。根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建了原型操作系統(tǒng)RT-MiniCore。并在此系統(tǒng)上，設(shè)計(jì)了

7、實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所獲數(shù)據(jù)表明，開(kāi)放式混合實(shí)時(shí)系統(tǒng)所期望的硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù)集成調(diào)度的目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到，其它實(shí)時(shí)性能指標(biāo)也可滿足許多實(shí)際應(yīng)用的需要。本文所做出的具有創(chuàng)新特色的貢獻(xiàn)如下： 1.提出了一種新的面向開(kāi)放式混合實(shí)時(shí)系統(tǒng)的調(diào)度方法：RPDS，并從理論上證明了其正確性和有效性。該調(diào)度方法不僅能保證硬實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)間約束的完全滿足，而且也極大地降低了軟實(shí)時(shí)任務(wù)的截止期錯(cuò)失率。 2.針對(duì)不確定實(shí)時(shí)環(huán)境中的Q