支持混合关键性任务的Xen多核实时调度器的设计与实现

摘要

在实时嵌入式系统未来的发展中，将多个子系统整合将是一个重要的趋势，虽然整合能够为系统的成本、大小、重量和能耗进行优化，但由于实时系统中任务对于实时性的特殊要求，随之而来也为实时嵌入式研究领域带来巨大的挑战。 对实时嵌入式系统进行整合主要可以采用3种方式:(1)硬件平台方面，采用一个多核平台替代多个单核平台。因为在采用多个单核平台时，各个子系统间往往通过网络方式进行通信，由于网络传输的带宽限制和相对较高的传输延迟，以及实时任务通过网络传输到达的时间间隔的不确定，这些都会增加实时系统中任务调度的复杂性甚至无法保证任务的实时性要求。(2)软件方面，将不同关键性级别的任务集成到一个共享的硬件平台下，从而为系统降低成本、减轻重量和减小能耗。(3)采用虚拟化技术，虚拟化技术能够为各个虚拟机提供有效的资源隔离，并且使得硬件平台的物理资源得到充分利用。 为了将这三种技术应用于实时嵌入式系统中，本文从调度策略入手，对这三种技术在实时嵌入式系统中的结合进行了探讨，即对“虚拟化环境中为多核实时任务调度和混合关键性任务调度提供支持”这一问题进行了研究，本文提出并在开源虚拟化监视器Xen中实现了一个能够支持这三种技术的调度器。 本文设计实现的CBS-MC调度器的调度策略基于reservation的思想，并针对实际系统改进了Constant Bandwidth Server(CBS)调度算法，为虚拟化环境中的混合关键性任务的运行提供了支持。在此基础上，CBS-MC调度器能够为实时系统带来三方面的提升:(1)提高虚拟机中的实时任务执行过程的可预测性。(2)实现虚拟化平台上虚拟机之间的时间隔离。(3)减少系统中低关键性任务的响应时间。本文通过大量的实验对CBS-MC的以上特点进行了验证。 另外，本文实现了一个用于测试和统计作业响应时间实验平台。为了得到真实环境中的运行效果，本文的实验平台没有采用软件模拟的方式，而是在实验平台中通过可配置的方式生成实际执行的作业，统计这些作业执行结束的时间来获得更符合实际的实验结果。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景

1．2研究目标

1．3研究现状

1．4论文结构

第2章相关理论与技术

2．1实时系统相关理论

2．1．1实时系统基本概念和任务模型

2．1．2可调度性及其判定方法

2．2多核调度算法的基本理论

2．3混合关键性任务系统相关理论

2．3．1混合关键性任务模型的基本概念

2．3．2混合关键性任务系统的运行时行为

2．3．3混合关键性系统的可调度性

2．4 Xen相关理论

2．4．1 Xen调度框架

2．4．2 SEDF调度器

2．4．3 Credit调度器

第3章虚拟化环境中的实时调度问题

3．1 VM之间的相互干扰

3．2 Xen环境中的实时任务调度

3．3 Xen环境中的混合关键性任务调度

第4章基于CBS的调度策略研究

4．1 CBS相关理论

4．1．1 CBS的定义

4．1．2 CBS的特性

4．1．3原CBS的缺陷

4．2 hard reservation

4．3 Xen虚拟化环境中的混合关键性任务模型

4．4 CBS-MC的调度策略

4．5 Xen环境中混合关键性任务的可调度性分析

第5章调度器和实验平台的设计与实现

5．1．1调度器结构体

5．1．2调度信息结构体

5．1．3关键接口函数的实现

5．2实验平台的设计与实现

5．2．1校准部分

5．2．2执行部分

第6章实验评测与分析

6．1实验环境搭建

6．2调度器功能与性能评测

6．2．1普通实时任务评测

6．2．2混合关键性任务评测

第7章结论与展望

7．1本文工作总结

7．2未来工作及展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的科研项目