復(fù)雜實時應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、復(fù)雜實時應(yīng)用系統(tǒng)的成功設(shè)計與實現(xiàn)依賴于底層操作系統(tǒng)調(diào)度、資源管理機(jī)制的支持以及滿足關(guān)鍵實時任務(wù)資源充分可預(yù)知性的編程語言方面的支撐。對于調(diào)度問題，理論上，混合動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度、支持用戶級的帶寬預(yù)留等算法提供了混合調(diào)度的最好方法，但是，目前所有實時操作系統(tǒng)均沒有提供和實現(xiàn)上述機(jī)制。對關(guān)鍵任務(wù)的資源充分可預(yù)知性實時要求，普通Java平臺沒有提供任何解決問題的技術(shù)手段。本文研究支持復(fù)雜實時應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)的上述關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)方法。在操作系統(tǒng)層面

2、上針對多種類型混合任務(wù)集調(diào)度提出調(diào)度策略并在開源嵌入式實時操作系統(tǒng)中設(shè)計和實現(xiàn)混合調(diào)度算法與資源管理協(xié)議，達(dá)到復(fù)雜實時應(yīng)用系統(tǒng)硬實時周期任務(wù)滿足截止期前提下，軟實時非周期任務(wù)調(diào)度性能提升的整體優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)。在編程語言層面，基于普通Java平臺，設(shè)計實現(xiàn)實時Java中間件組件并給出控制垃圾回收器GC啟動時機(jī)的方法，實現(xiàn)普通Java平臺下線程的可預(yù)測運行目標(biāo)。
　　本文提出基于服務(wù)器方式的混合任務(wù)集集成調(diào)度策略，給出該策略分層調(diào)度的設(shè)

3、計思想和混合集成調(diào)度框架。該策略底層以操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)度算法(EDF算法最優(yōu))調(diào)度應(yīng)用服務(wù)器，各應(yīng)用服務(wù)器分層支持多種單一類型的實時調(diào)度算法，整體上形成支持混合任務(wù)集調(diào)度的集成調(diào)度框架。在混合調(diào)度策略設(shè)計實現(xiàn)上，針對靜態(tài)優(yōu)先級搶占調(diào)度策略的開源操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，首先，以不修改內(nèi)核的用戶級調(diào)度服務(wù)器方式實現(xiàn)了動態(tài)優(yōu)先級EDF算法，其次，提出基于截止期和關(guān)鍵性雙參數(shù)混合優(yōu)先級實現(xiàn)分層混合任務(wù)調(diào)度算法EDIF的設(shè)計思想，其中關(guān)鍵性參數(shù)作為

4、區(qū)分硬實時和軟實時任務(wù)的分層信息。文中定義了可接受調(diào)度概念，給出EDIF調(diào)度模型，理論分析了算法的可調(diào)度性條件。EDIF算法在μC/OS-Ⅱ中以擴(kuò)展內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，修改內(nèi)核調(diào)度器和相關(guān)內(nèi)核函數(shù)的方式設(shè)計實現(xiàn)。針對開源操作系統(tǒng)RTLinux硬實時任務(wù)重載時軟實時任務(wù)長期得不到響應(yīng)性能急劇下降問題，本文實現(xiàn)了基于比例帶寬服務(wù)器(PDBS)的混合任務(wù)調(diào)度算法。該算法將任務(wù)按類型分別存放于不同的隊列，不同類型的任務(wù)由綁定了處理器比例帶寬的應(yīng)用服務(wù)

5、器調(diào)度，各應(yīng)用服務(wù)器按比例共享處理器帶寬。PDBS實現(xiàn)方法是:擴(kuò)展內(nèi)核結(jié)構(gòu)，將RTLinux單一任務(wù)隊列改為硬實時任務(wù)和軟實時雙任務(wù)隊列，任務(wù)隊列間按本文提出的比例帶寬服務(wù)器容量計算公式計算分配的處理器時間，內(nèi)核調(diào)度器對硬實時任務(wù)隊列和軟實時任務(wù)隊列進(jìn)行比例時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。文中給出調(diào)度器核心函數(shù)和定時器中斷處理函數(shù)和一些接口函數(shù)和相關(guān)處理函數(shù)的設(shè)計實現(xiàn)過程。另外，本文針對工業(yè)界廣泛應(yīng)用的開源嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ不支持同優(yōu)先級

6、任務(wù)調(diào)度和優(yōu)先級繼承協(xié)議的問題，修改μC/OS-Ⅱ內(nèi)核結(jié)構(gòu)，設(shè)計、實現(xiàn)了支持同優(yōu)先級任務(wù)調(diào)度的優(yōu)先級驅(qū)動/輪轉(zhuǎn)混合任務(wù)集分層調(diào)度算法并在其中實現(xiàn)了所有抑制優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的實時設(shè)計模式。
　　在普通Java平臺實時中間件設(shè)計方面，設(shè)計目標(biāo)是確保關(guān)鍵實時線程的運行可預(yù)測性。針對等待訪問共享資源的Java多線程的不確定性喚醒問題，開發(fā)了一個Java實時中間件組件，當(dāng)共享資源就緒時，該組件可嚴(yán)格按優(yōu)先級順序喚醒等待訪問共享資源的線程，確保線程

7、按優(yōu)先級順序的可預(yù)測運行，實現(xiàn)的方法是設(shè)計以等比映射擴(kuò)展了優(yōu)先級數(shù)的可調(diào)度類，創(chuàng)建訪問共享資源線程的同時為該線程創(chuàng)建一個線程代理，其中包含了所代理線程的喚醒用優(yōu)先級信息，線程代理集合類負(fù)責(zé)管理等待訪問共享資源的多線程，線程的喚醒按優(yōu)先級高低順序在代理集合類中實現(xiàn)，對低優(yōu)先級Java線程出現(xiàn)的活鎖問題，引入實時調(diào)度算法LRT動態(tài)調(diào)整線程優(yōu)先級，給出了相應(yīng)的設(shè)計和實現(xiàn)方案;針對GC不定期啟動影響線程運行可預(yù)測性問題，提出周期性提升GC優(yōu)先級

8、，提前調(diào)度GC的解決方案。實現(xiàn)方法是將線程優(yōu)先級按線程任務(wù)的重要程度分為兩個等級:關(guān)鍵線程和非關(guān)鍵線程，以虛擬機(jī)內(nèi)存達(dá)不到飽和的程度為依據(jù)，給出垃圾回收的周期上限TGC計算公式，在運行時間最長不超過TGC的時間內(nèi)提升GC的優(yōu)先級為非關(guān)鍵線程的最大值，從而使GC在不影響關(guān)鍵線程運行的情況下能提前回收內(nèi)存中的垃圾，達(dá)到提高通用環(huán)境下Java關(guān)鍵線程執(zhí)行可預(yù)測性和實時性能的目的。
　　理論分析和實驗結(jié)果表明:在新μC/OS-Ⅱ內(nèi)核中，E

9、DIF分層調(diào)度策略、算法設(shè)計實現(xiàn)正確、有效，系統(tǒng)超載時（所有任務(wù)總處理器利用率＞100％），滿足所有硬實時關(guān)鍵任務(wù)截止期，軟實時非關(guān)鍵任務(wù)并不丟棄，而是延遲調(diào)度執(zhí)行，軟實時非關(guān)鍵任務(wù)完成率大幅度提升了24％，混合任務(wù)集整體調(diào)度性能優(yōu)良;在新RTLinux內(nèi)核中，PDBS算法解決了硬實時任務(wù)重載時混合實時任務(wù)集調(diào)度中軟實時任務(wù)調(diào)度性能的有效提升問題;本文開發(fā)的實時Java組件中，優(yōu)先級等比例映射擴(kuò)展了普通Java線程優(yōu)先級數(shù)，可明確按擴(kuò)展

10、優(yōu)先級喚醒大量等待訪問共享資源的線程，達(dá)到了Java高優(yōu)先級關(guān)鍵線程優(yōu)先訪問臨界資源、運行可預(yù)測的設(shè)計目標(biāo)，通過設(shè)計實現(xiàn)優(yōu)先級動態(tài)調(diào)整算法，可以有效解決按優(yōu)先級喚醒的Java中間件活鎖問題;周期性提升GC優(yōu)先級至非關(guān)鍵線程優(yōu)先級的上限，使GC在不影響關(guān)鍵線程的情況下能提前回收內(nèi)存中的垃圾，消除了GC對關(guān)鍵線程的不可預(yù)測運行延遲。
　　在特定開源操作系統(tǒng)中實現(xiàn)EDIF和PDBS算法驗證了基于服務(wù)器方式的混合任務(wù)集集成調(diào)度策略和框架的