面向新一代航空电子的实时自适应资源管理中间件及算法研究

摘要

当今，航空电子正朝着微型化、综合化和智能化的方向发展，新一代航空电子系统是一个有线与无线网络相结合、有明确分工协作、有大量信息交互的DRE(DistributedReal-time Embedded)系统。随着航空电子综合化，机载软件系统变得日趋复杂，而传统实时中间件也面临着新的挑战：1)传统实时中间件不支持动态与不确定载荷的管理；21尽管传统实时中间件支持功能可移植，但在实时性可移植方面却无能为力；3)传统实时中间件未能将系统功能的实现与QoS(Quality of Service)的确保分离开，大大降低了构件的可重用性。 为了顺应航空电子综合化的趋势，本论文提出了一种面向新一代航空电子的实时自适应资源管理中间件RTARMM(Real-Tune Adaptive Resource Management Middleware)以及三个自适应算法，目标是实现不确定载荷管理，使之支持实时性可移植，以解决新一代航空电子系统所面临的严峻问题。本论文的主要贡献和创新之处包括： 1)分析了航空电子系统的发展趋势，介绍了美国F-22航空电子体系结构和我国新一代战斗机分布式计算机系统设计方案；根据我国航空电子系统的实际发展水平，提出了面向新一代航空电子系统自适应资源管理中间件RTARMM的设计思路、体系结构以及实现方案；将QoS概念引入到实时任务中，从软件结构上提供对实时任务QoS机制的支持，并设计专门的构件与模块以实现多种QoS自适应策略，实现了将系统功能的实现与QoS的确保分离的目标。 2)针对周期性实时任务，提出了一种基于最优收益的任务再分配算法，采用两级调度思想实现自适应CPU资源管理：顶层算法在系统载荷发生变化时动态调整任务QoS，在确保任务可调度性的同时，保持系统总体性能最优；底层算法(如RM：Rate Monotonic)则负责实际的任务调度。 3)针对具有端到端任务模型的DRE系统，提出了一种性能控制算法，它能兼顾非周期实时任务的个体性能(任务实时性)和总体性能(系统吞吐量)；并将任务估计执行时间与实际执行时间之间的偏差、非周期任务到达作为引起系统不确定的两个外部因素。该算法即能通过许可控制从概率上确保任务的端到端截止时间，又能通过经典反馈控制提高CPU利用率。 4)同样针对具有端到端任务模型的DRE系统，提出了一种利用率控制算法，它将非周期任务许可控制机制与最优控制理论相结合，把系统抽象成一个多输入多输出控制问题，采用离散时间状态空间方程描述系统行为，并通过建立具有线性二次型指标函数的最优控制模型实现非周期任务端到端利用率控制，为系统提供更好的QOS确保。本论文关于面向新一代航空电子实时自适应资源管理中间件及算法的研究将为我国新一代航空电子软件系统的研发提供理论和技术支持。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略词

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景

1.1.1航空电子综合化及业务特征

1.1.2开放系统与中间件

1.2研究意义

1.3国内外研究现状

1.3.1综合化航空电子系统

1.3.2航空电子系统软件技术

1.3.3实时自适应资源管理策略与算法

1.4课题来源及作者工作

1.5本论文研究的主要内容及主要贡献

1.5.1本论文研究内容

1.5.2本论文主要贡献

第二章新一代航空电子与自适应资源管理

2.1引言

2.2基本概念

2.3航空电子的发展

2.3.1发展历程

2.3.2航空电子综合化的特点

2.4新一代航空电子硬件体系结构

2.4.1 F-22的体系结构

2.4.2 DCS的体系结构

2.5新一代航空电子软件体系结构

2.5.1开放性

2.5.2面向航空电子的统一开发平台

2.5.3典型应用

2.6航空电子与中间件

2.6.1中间件

2.6.2 CORBA

2.6.3 TAO

2.6.4新一代航空电子对TAO提出的挑战

2.7小结

第三章实时自适应CPU资源管理中间件及实现方案

3.1引言

3.2基本概念

3.3实时自适应资源管理中间件

3.3.1 RTARMM的设计思路

3.3.2 RTARMM的体系结构

3.3.3外部接口

3.3.4实现方案

3.4 QoS合同

3.4.1航空电子与QoS

3.4.2 QoS的确定

3.4.3映射QoS

3.4.4建立QoS合同

3.5 QoS自适应策略

3.5.1任务再分配策略

3.5.2反馈控制策略

3.6 RTARMM对任务再分配的支持

3.7 RTARMM对反馈控制的支持

3.7.1构造反馈控制环

3.7.2分布式反馈控制环

3.8小结

第四章基于最优收益的任务再分配算法

4.1引言

4.2基本概念

4.3任务模型

4.4优化模型

4.4.1建立模型

4.4.2求解模型

4.4.3复杂度

4.5实例分析

4.6互斥

4.7任务再分配方案的实施

4.8实验结果

4.9小结

第五章分布式实时嵌入式系统非周期任务端到端性能控制

5.1引言

5.2瞬态利用率

5.3任务模型

5.4集成控制结构

5.5系统模型

5.5.1单CPU控制

5.5.2分布式系统控制

5.5.3执行器设计

5.7仿真实验

5.7小结

第六章分布式实时嵌入式系统端到端利用率控制

6.1引言

6.2 MIMO反馈控制结构

6.3控制器设计

6.3.1具有线性二次型指标函数的最优控制模型LQOCM

6.3.2系统能控性

6.3.3求解模型

6.3.4稳定性

6.4 QoS执行器设计

6.5仿真实验

6.5.1稳定性

6.5.2效率

6.6小节

第七章全文总结及进一步的工作

7.1总结

7.2进一步研究工作

参考文献

致谢

在读博期间的科研成果、论文发表和获奖情况