支持混合关键性任务调度的多核系统实验平台研究与实现

摘要

采用多核处理器架构技术现已成为提升处理器性能的主要手段，并逐步应用到实时系统设计中。当前在嵌入式系统领域一个日见增长的趋势是将多个相对独立的不同关键性级别的子系统集成至一个共享的硬件平台下，以此来降低成本，减轻重量和减小能耗。使用传统的实时调度技术调度混合关键性系统，不能有效的利用多处理器平台提供的计算带宽，造成不可接受的资源浪费。这主要是由于在可调度性分析时的最差执行时间预测和运行时实际的执行时间之间巨大误差所造成的。所以在混合关键性任务模型被提出后，在实时系统领域对混合关键性系统的可调度性研究迅速成为焦点热点问题。
　　即使单处理器平台上对这样一个混合关键性系统的可调度分析也是非常有挑战性的，在多处理器平台上会更加困难。目前还没有一个实际的操作系统支持混合关键性实时任务模型，制约了其在实时系统领域的实际应用，因此迫切需要建立能够检验不同混合关键性实时调度算法运行时性能的实时操作系统实验平台。
　　本文在集成Litmus2012-3内核补丁的Linux3.0.0版本内核之基础上，研究并实现了一个多核平台下支持混合关键性任务模型的分层调度器，支持集成不同的混合关键性调度算法。与此同时，实现一种关键性单调优先级分配的分层调度策略，不同关键性级别的任务采用不同的内部调度器进行调度。实现了实时任务运行时的状态转换和动态抢占，运行时CPU优先队列高效管理，混合关键性实时任务释放队列、就绪队列的高效管理，幽灵作业状态动态监测及处理等关键技术。设计实现了简洁用户库，使得混合关键性实时任务的设计和创建、执行相分离。大量的实验测试和实时任务集运行时实验验证了本文提出的混合关键性分层调度框架正确性。本文工作有利于更多混合关键性实时调度算法的运行时性能分析与比较，为推动理论研究成果向实际系统的应用起到了促进作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 研究目标和意义

1．3 国内外研究现状

1．4 论文的组织结构

第2章 相关技术背景

2．1 实时系统以及实时任务分类

2．1．1 实时系统分类

2．1．2 实时任务分类

2．2 实时调度任务模型和基本概念

2．3 多核实时调度算法

2．4 LITMUSRT设计框架

2．5 Linux内核调度框架

2．6 Linux内核对实时任务的支持

2．6．1 用户态抢占

2．6．2 内核态抢占

2．7 本章小结

第3章 混合关键性调度框架研究

3．1 总体架构

3．1．1 系统整体架构

3．1．2 系统设计目标

3．2 混合关键性实时任务生命周期

3．3 混合关键性调度框架设计

3．3．1 工作流程

3．3．2 调度框架和调度策略

3．3．3 分层调度器设计

3．4 关键数据结构

3．4．1 混合关键性实时任务属性结构

3．4．2 实时任务参数结构

3．4．3 混合关键性任务队列结构

3．4．4 处理器状态数据结构

3．5 用户库设计

3．6 本章小结

第4章 混合关键性调度框架实现

4．1 接口实现

4．1．1 LITMUSRT接口实现

4．1．2 混合关键性调度策略接口

4．2 混合关键性实时任务生命周期实现

4．3 队列管理实现

4．3．1 释放队列实现

4．3．2 就绪队列实现

4．4 作业抢占实现

4．4．1 抢占时机选择

4．4．2 抢占实现

4．5 松弛转换实现

4．5．1 作业执行时间管理

4．5．2 基于周期时钟中断松弛转换策略

4．5．3 基于高精度定时器的松弛转换策略

4．6 分层调度逻辑实现

4．7 用户库实现

4．7．1 用户库同内核通信实现

4．7．2 实时任务创建管理模块实现

4．8 本章小结

第5章 实验评测及分析

5．1 实验环境搭建

5．1．1 开发使用软硬件环境

5．1．2 内核调试技术

5．1．3 实验前准备工作

5．2 实验步骤以及实验结果分析

5．2．1 实验步骤

5．2．2 实验结果展示

5．2．3 实验结果分析

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 未来工作与展望

参考文献

致谢

科研项目和论文发表情况