硬实时调度抢占开销的在线优化策略及仿真实现

摘要

嵌入式系统已广泛地应用到人们的生产生活领域。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，而且还会造成存储设备、网络设备、外界环境等资源带宽的降低以及能源消耗的浪费。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基础上分析了固定优先级以及动态优先级实时调度的时序关系及任务间的抢占关系。分别对RM调度和EDF调度抢占行为的可推迟时间进行了量化分析，推导出受低优先级任务阻塞而造成的受阻任务集，以及在任意抢占时刻，推迟高优先级硬实时任务的执行来避免抢占发生的判定条件。提出了一种硬实时任务调度抢占开销的在线优化策略。通过在Matlab中的TORSCHE工具箱搭建仿真测试环境，对该优化策略进行了仿真实验。并与标准RM，EDF调度模型以及抢占阈值静态模型的仿真实验数据进行了对比。
　　 仿真实验数据结果表明，本文提出的硬实时任务调度中抢占开销在线优化策略可以有效地减少系统运行中的抢占次数。能够在保证任务的可调度性的同时，有效减少不同调度算法下任务抢占发生的次数，降低抢占开销。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪 论

1.1 嵌入式系统的特点与实时性

1.2 嵌入式实时系统与实时调度

1.2.1 嵌入式实时系统

1.2.2 实时任务调度

1.3 在线调度与离线调度

1.4 抢占优化的意义

1.5 论文的结构安排

第二章 实时系统参考模型

2.1 实时系统工作负荷的时间参数

2.1.1 释放时间与时限

2.1.2 任务的执行时间

2.2 任务模型

2.2.1 周期性任务模型

2.2.2 非周期和偶发任务

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 抢占阈值模型

2.4.1 临界时刻(Critical instant)

2.4.2 i级忙周期(level-i busy period)

2.4.3 任务模型

2.4.4 运行机制模型

2.4.5 可调度性分析

2.4.6 预定义优先级的抢占阈值分配

2.5 本章小结

第三章 实时调度抢占开销的在线优化

3.1 固定优先级调度抢占开销的在线优化

3.1.1 启发性的例子

3.1.2 符号与假设

3.1.3 固定优先级调度算法的可调度性条件

3.1.4 有效时限

3.1.5 抢占作业可被阻塞时间上限计算

3.1.6 阻塞任务集的确定

3.1.7 固定优先级系统中的静态空闲计算

3.1.8 减少抢占的在线判定

3.1.9 算法描述

3.2 动态优先级调度抢占开销的在线优化

3.2.1 符号与假设

3.2.2 EDF算法的可调度性条件

3.2.3 抢占作业可被阻塞的时间上限

3.2.4 确定受阻作业集

3.2.5 减少抢占的在线判定

3.2.6 算法描述

第四章 抢占开销优化策略的仿真

4.1 仿真平台环境

4.2 仿真程序工作原理

4.2.1 随机任务集的产生

4.2.2 任务调度仿真

4.3 任务抢占判定仿真

4.3.1 固定优先级任务抢占判定

4.3.2 动态优先级任务抢占判定

4.4 抢占阈值模型的仿真实现

第五章 仿真实验结果及数据分析

5.1 RM调度抢占优化结果统计分析

5.1.1 RM调度抢占优化实验数据

5.1.2 RM抢占开销优化实验结果

5.1.3 RM抢占优化仿真实验数据分析

5.2 EDF调度的优化效果及统计分析

5.2.1 EDF抢占优化实验结果

5.2.2 EDF抢占优化仿真实验数据分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文的贡献

6.2 未来工作展望

参考文献

致谢