工业实时系统多任务容错调度技术及应用研究

摘要

该论文在总结工业实时系统实时任务调度特点的基础上,综合分析了已有调度算法特点,针对它们用于工业实时计算时存在的问题,提出了改进算法和集成调度算法,从理论上分析了所提出算法的可调度性和容错性,并通过仿真实验证明了算法的有效性和可行性.其主要工作和研究成果体现在以下几个方面:·针对工业实时系统中周期任务和非周期任务特点,提出了预订处理时间的混合任务调度算法,其中周期任务遵循单调速率调度(Rate-Monotonic Scheduling,RMS)算法调度运行,非周期任务遵循最早时限优先(Earliest Deadline First,EDF)算法在预订处理时间内调度运行.非周期任务只在预订时间内调度,不会带来周期任务的重新分配,在很大程度上减少了实时任务在线调度的复杂性.·通过对周期任务关键时刻实际执行时间的分析计算,首次以解析方法系统地计算多周期任务的最大可预留处理时间.基于周期任务参数的可确定性,离线完成计算量相对大的周期任务分配和预留处理时间计算.该方法能充分利用处理机的有效处理时间,但没有增加系统在线开销.·采用主/副版本冗余技术和副版本主动与被动运行相结合的方式,提出了以最小化所需处理机数为优化目标的Best-Fit启发式容错调度算法.通过故障恢复与故障机在线替换策略保证多处理机故障的容错.提出了集成容错调度算法实现多处理机系统中周期和非周期混合任务的容错调度,以静态调度方式离线完成周期任务主版本与副版本的容错分配和各处理机上最大可预留处理时间的计算,以动态调度方式完成随机到达系统的非周期任务的主版本与副版本的容错分配,这种静态调度与动态调度相结合方法极大地降低了任务在线调度的复杂性,副版本主动运行方式与被动运行方式的综合使用有效地减少了处理机数目.·针对一类嵌入式控制系统(Embedded Control Systems,ECS)实时任务调度特点,指出了多处理机顶层优先级协议控制ECS中资源访问存在的问题,将非抢占临界时段协议扩展到多处理机容错系统,详细分析了扩展协议下实时任务阻塞因素和各因素带来的阻塞时间,提出了一种ECS中协同任务容错调度算法,该算法有效地限制了因资源冲突所带来的处理机额外开销,保证了较高的处理机利用率.·以焦炉集气管压力监控系统和电能质量监控仪作为应用研究对象,说明如何将所提出算法用于解决实时工业计算问题,为实际系统设计提供指导.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1工业实时系统分析

1.2实时任务调度

1.3研究现状与研究意义

1.4论文主要研究内容与结构安排

第2章实时调度理论

2.1常用术语定义

2.2单调速率调度

2.2.1处理机利用率分析法

2.2.2 时间需求分析法

2.2.3实例分析

2.3最早时限优先调度

2.3.1动态任务可调度性分析

2.3.2调度示例

2.4多处理机系统任务分配

2.4.1 SBPF启发式分配策略

2.4.2 VBPF启发式分配策略

2.4.3 RMFF启发式策略

2.4.4 IRMFF启发式分配策略

2.5 小结

第3章周期与非周期混合任务调度

3.1后台调度法

3.2周期服务器法

3.2.1轮询法

3.2.2可延期服务器算法

3.2.3优先级交换算法

3.2.4其它服务器法

3.3延缓时间法

3.4预订处理时间法

3.4.1 PTR算法概述

3.4.2 Rlub的计算

3.4.3多处理机系统非周期任务调度

3.5小结

第4章多处理机系统实时容错调度

4.1容错技术

4.1.1冗余方式

4.1.2容错处理技术

4.2实时容错调度

4.2.1暂时性故障容错调度

4.2.2永久性故障容错调度

4.3BEST-FIT启发式容错调度

4.3.1调度模型描述

4.3.2单处理机故障容错

4.3.3任务分配的启发式策略

4.3.4容错分配的可调度性检测

4.3.5多处理机故障容错

4.3.6仿真实验

4.4混合任务的容错调度

4.4.1调度模型

4.4.2混合任务容错分配

4.4.3混合任务调度的多处理机故障容错

4.4.4调度示例

4.4.5 IntFT算法仿真

4.5小结

第5章嵌入式控制系统协同任务容错调度

5.1嵌入式控制系统

5.2资源访问协议

5.2.1非抢占式临界时段协议

5.2.2优先级继承协议

5.2.3优先级顶层协议

5.2.4堆栈资源策略

5.2.5多处理机系统资源访问

5.3多处理机容错系统非抢占式临界时段协议

5.3.1调度模型及算法提出

5.3.2多处理机系统阻塞时间分析

5.3.3可调度性检测

5.3.4 MNCSP的容错综合设计

5.3.5实时任务分配

5.3.6仿真实验及结果分析

5.4小结

第6章工业应用研究

6.1焦炉集气管压力监控系统实时任务调度

6.1.1应用对象分析

6.1.2实时任务分析

6.1.3实时任务容错调度

6.2电能质量监控仪实时任务调度

6.3小结

第7章 结论

参考文献

发表的学术论文

取得科研成果情况

致谢