一种改进的实时嵌入式系统容错优化方法

摘要

实时嵌入式系统在经济、军事和科学等多个领域的作用越来越重要的同时，对其实时性和可靠性的要求也越来越高。容错是保障系统可靠性的重要技术。本文以提高实时嵌入式系统的可靠性和实时性研究为主线，从挖掘容错技术优缺点出发，对任务映射处理器优化问题进行了较为深入的研究。
　　针对容错技术中硬件冗余往往会产生高设计和高生产成本的缺陷，提出一种改进的实时嵌入式系统的容错优化方法。该优化方法应用检查点容错技术综合分析系统故障性能、硬实时任务时间约束和软实时任务的效用函数值。基于设计的应用模型和处理器模型，改进的优化方法计算了系统的故障概率保证其在故障最大概率值内，计算了硬实时任务完成时间以确定其可调度性。检查点回卷恢复的系统故障分析分别与无容错分析和已有文献中的重新执行系统故障分析进行了仿真研究，可调度分析和已有文献中的任务重新执行可调度分析进行了对比研究，研究结果验证了检查点回卷恢复的系统故障分析和可调度分析的有效性。
　　针对已有容错优化文献中禁忌搜索算法在避免局部优解时其性能存在一定局限性，给出一种改进的禁忌搜索算法对软实时任务效用函数进行最佳分析。该算法启发式优化获得软任务效用函数最佳值，有两种简单的邻节点结构，应用贪心算法获得初始方案，其禁忌准则遵循禁忌交换产生的邻节点，其赦免准则遵循若一定数量的解决方案均被禁忌，则设置这些方案中最大目标值为当前最好的解决方案。该算法求得的最终解决方案质量较高，收敛速度较快并且计算效率较高，提高了优化方法的稳健性，仿真实验验证了该算法的有效性。
　　在此基础上，设计了基于检查点技术的改进容错优化方法。该容错优化方法能进行故障分析和可调度性分析，并将故障分析和可调度分析整合到改进的禁忌搜索算法中，能迅速获得最佳效用函数值。为全面评价该容错优化方法的优劣，给出了该容错优化方法的评价指标，进行了试验验证，实验结果表明了该改进容错优化方法的有效性。以上研究工作为实时嵌入式系统的容错优化提供了新的解决方案。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 课题背景及容错优化方法介绍

1．2 容错优化方法研究现状和发展趋势

1．3 研究的意义与目标

1．4 论文的研究内容

1．5 论文的组织结构

第2章 容错优化方法相关知识

2．1 实时嵌入式系统的需求分析

2．2 容错实现方法的分类

2．3 实时调度算法

2．3．1 实时调度算法的基本概念

2．3．2 实时调度算法的分类

2．4 启发式优化算法

2．5 小结

第3章 实时嵌入式系统容错优化设计

3．1 应用模型和处理器模型

3．2 整体容错方案

3．3 小结

第4章 实时嵌入式系统容错优化分析

4．1 系统故障分析

4．2 硬实时任务可调度性分析

4．3 软实时任务的效用函数最佳分析

4．3．1 改进的禁忌搜索算法的设计

4．3．2 改进的禁忌搜索算法的实现

4．3．3 实例分析

4．4 小结

第5章 实时嵌入式系统容错优化评估

5．1 实验运行环境及数据集

5．2 系统故障分析实验及结果

5．3 可调度性实验及结果

5．4 效用函数最佳分析实验及结果

5．5 小结

结论

参考文献

致谢

附录A (攻读学位期间发表的论文与获得的成果)

附录B (攻读学位期间参加的科研项目)