实时操作系统中抢占控制调度算法研究及其仿真实现

摘要

在硬实时嵌入式系统中，任务间的抢占不仅导致操作系统上下文切换的时间开销，而且还会造成存储器、网络、外界环境等资源的浪费和能源的消耗。因此如何在保证系统实时性的同时，对硬实时任务调度中的抢占开销进行优化，提高系统性能是本文研究的主要问题。
　　 本文在实时系统通用的周期性任务模型的基础上对固定优先级及动态优先级实时调度进行了分析，并提出了一种基于时间片的抢占控制模型。该模型以抢占次数作为特征参数对实时任务调度进行了优化。然后，使用遗传算法对该抢占控制模型进行了离线实现。由于遗传优化产生的任务抢占次数会使整个任务集合具有不可调度性，所以本文采用了一种惩罚函数的方式来解决该问题。
　　 为了测试该模型在不同的调度情况下的表现，本文在Matlab上利用TORSCHE工具箱搭建仿真测试环境，对基于时间片的抢占控制优化模型进行了仿真，并与标准RM、EDF调度模型的仿真实验数据进行了对比。从仿真结果可知，基于时间片的抢占控制模型可以在经典的调度方法中有效的减少任务的抢占次数。最后在WebitOS将遗传算法计算出来的结果加以编程实现，同时创建大量的任务集，在不同的调度算法下对其进行检验，其结果显示，该模型在WebitOS中实际的测试结果与仿真结果比较吻合，即该模型在实际的应用中可以有效的减少任务的抢占次数。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 嵌入式系统的特点及实时性

1.2 嵌入式实时系统及实时调度

1.2.1 嵌入式实时系统

1.2.2 实时调度

1.3 抢占优化研究的必要性

1.4 抢占优化的研究方法

1.5 文章结构

第二章 实时系统的标准模型及算法

2.1 实时系统工作负荷的时间参数及功能参数

2.1.1 任务的执行时间

2.1.2 释放时间与时限

2.1.3 作业的抢占性

2.1.4 作业的关键程度

2.1.5 实时调度系统临界条件

2.1.6 在线调度与离线调度

2.2 周期性任务模型

2.3 实时调度算法

2.3.1 固定优先级调度算法

2.3.2 动态优先级调度算法

2.4 本章小结

第三章 实时调度抢占控制优化模型

3.1 带有抢占次数上限的任务模型

3.1.1 启发性例子

3.1.2 任务特征的符号化表示

3.1.3 抢占发生的判断条件

3.2 实时调度的抢占控制优化模型

3.2.1 RM的抢占控制优化模型

3.2.2 动态优先级调度的抢占控制优化模型

3.3 抢占控制模型的遗传算法实现

3.3.1 抢占控制优化模型的遗传算法程序实现

3.3.2 染色体编码及适应度计算

3.3.3 遗传算子

3.3.4 RM与EDF算法的遗传优化效果

3.4 本章小结

第四章 抢占控制模型的仿真

4.1 仿真环境

4.2 仿真程序工作原理

4.2.1 随机任务集的产生

4.2.2 调度仿真

4.3 仿真实验结果与数据分析

4.3.1 RM调度抢占优化结果分析

4.3.2 EDF调度抢占优化结果分析

4.4 仿真的可行性

4.5 本章小节

第五章 抢占控制模型的模拟测试

5.1 实验平台

5.1.1 硬件平台

5.1.2 软件平台

5.1.3 WebitOS的功能模块

5.2 定时器模块的配置

5.2.1 工作模式的选择

5.3 抢占控制优化模型的操作系统测试

5.3.1 总体设计

5.3.2 进程控制块数据结构

5.3.3 定时器初始化函数

5.3.4 进程创建函数

5.3.5 定时器中断处理函数

5.3.6 任务调度函数

5.4 调度算法仿真与测试结果对比

5.5 本章小节

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文