復(fù)雜實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、復(fù)雜實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)時(shí)任務(wù)資源充分可預(yù)知性的編程語(yǔ)言方面的支撐。對(duì)于調(diào)度問(wèn)題，理論上，混合動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度、支持用戶級(jí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)均沒(méi)有提供和實(shí)現(xiàn)上述機(jī)制。對(duì)關(guān)鍵任務(wù)的資源充分可預(yù)知性實(shí)時(shí)要求，普通Java平臺(tái)沒(méi)有提供任何解決問(wèn)題的技術(shù)手段。本文研究支持復(fù)雜實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的上述關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法。在操作系統(tǒng)層面

2、上針對(duì)多種類型混合任務(wù)集調(diào)度提出調(diào)度策略并在開(kāi)源嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)混合調(diào)度算法與資源管理協(xié)議，達(dá)到復(fù)雜實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)硬實(shí)時(shí)周期任務(wù)滿足截止期前提下，軟實(shí)時(shí)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(yǔ)言層面，基于普通Java平臺(tái)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)Java中間件組件并給出控制垃圾回收器GC啟動(dòng)時(shí)機(jī)的方法，實(shí)現(xiàn)普通Java平臺(tái)下線程的可預(yù)測(cè)運(yùn)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(jì)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(shí)時(shí)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(jì)實(shí)現(xiàn)上，針對(duì)靜態(tài)優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度策略的開(kāi)源操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，首先，以不修改內(nèi)核的用戶級(jí)調(diào)度服務(wù)器方式實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)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(jí)實(shí)現(xiàn)分層混合任務(wù)調(diào)度算法EDIF的設(shè)計(jì)思想，其中關(guān)鍵性參數(shù)作為

4、區(qū)分硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)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(jì)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)開(kāi)源操作系統(tǒng)RTLinux硬實(shí)時(shí)任務(wù)重載時(shí)軟實(shí)時(shí)任務(wù)長(zhǎng)期得不到響應(yīng)性能急劇下降問(wèn)題，本文實(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)方法是:擴(kuò)展內(nèi)核結(jié)構(gòu)，將RTLinux單一任務(wù)隊(duì)列改為硬實(shí)時(shí)任務(wù)和軟實(shí)時(shí)雙任務(wù)隊(duì)列，任務(wù)隊(duì)列間按本文提出的比例帶寬服務(wù)器容量計(jì)算公式計(jì)算分配的處理器時(shí)間，內(nèi)核調(diào)度器對(duì)硬實(shí)時(shí)任務(wù)隊(duì)列和軟實(shí)時(shí)任務(wù)隊(duì)列進(jìn)行比例時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。文中給出調(diào)度器核心函數(shù)和定時(shí)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(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。另外，本文針對(duì)工業(yè)界廣泛應(yīng)用的開(kāi)源嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ不支持同優(yōu)先級(jí)

6、任務(wù)調(diào)度和優(yōu)先級(jí)繼承協(xié)議的問(wèn)題，修改μC/OS-Ⅱ內(nèi)核結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了支持同優(yōu)先級(jí)任務(wù)調(diào)度的優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)/輪轉(zhuǎn)混合任務(wù)集分層調(diào)度算法并在其中實(shí)現(xiàn)了所有抑制優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)模式。
　　在普通Java平臺(tái)實(shí)時(shí)中間件設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)目標(biāo)是確保關(guān)鍵實(shí)時(shí)線程的運(yùn)行可預(yù)測(cè)性。針對(duì)等待訪問(wèn)共享資源的Java多線程的不確定性喚醒問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一個(gè)Java實(shí)時(shí)中間件組件，當(dāng)共享資源就緒時(shí)，該組件可嚴(yán)格按優(yōu)先級(jí)順序喚醒等待訪問(wèn)共享資源的線程，確保線程

7、按優(yōu)先級(jí)順序的可預(yù)測(cè)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)的方法是設(shè)計(jì)以等比映射擴(kuò)展了優(yōu)先級(jí)數(shù)的可調(diào)度類，創(chuàng)建訪問(wèn)共享資源線程的同時(shí)為該線程創(chuàng)建一個(gè)線程代理，其中包含了所代理線程的喚醒用優(yōu)先級(jí)信息，線程代理集合類負(fù)責(zé)管理等待訪問(wèn)共享資源的多線程，線程的喚醒按優(yōu)先級(jí)高低順序在代理集合類中實(shí)現(xiàn)，對(duì)低優(yōu)先級(jí)Java線程出現(xiàn)的活鎖問(wèn)題，引入實(shí)時(shí)調(diào)度算法LRT動(dòng)態(tài)調(diào)整線程優(yōu)先級(jí)，給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案;針對(duì)GC不定期啟動(dòng)影響線程運(yùn)行可預(yù)測(cè)性問(wèn)題，提出周期性提升GC優(yōu)先級(jí)

8、，提前調(diào)度GC的解決方案。實(shí)現(xiàn)方法是將線程優(yōu)先級(jí)按線程任務(wù)的重要程度分為兩個(gè)等級(jí):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(jì)算公式，在運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)TGC的時(shí)間內(nèi)提升GC的優(yōu)先級(jí)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(yùn)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(cè)性和實(shí)時(shí)性能的目的。
　　理論分析和實(shí)驗(yàn)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(jì)實(shí)現(xiàn)正確、有效，系統(tǒng)超載時(shí)（所有任務(wù)總處理器利用率＞100％），滿足所有硬實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)截止期，軟實(shí)時(shí)非關(guān)鍵任務(wù)并不丟棄，而是延遲調(diào)度執(zhí)行，軟實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)任務(wù)重載時(shí)混合實(shí)時(shí)任務(wù)集調(diào)度中軟實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度性能的有效提升問(wèn)題;本文開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)Java組件中，優(yōu)先級(jí)等比例映射擴(kuò)展了普通Java線程優(yōu)先級(jí)數(shù)，可明確按擴(kuò)展

10、優(yōu)先級(jí)喚醒大量等待訪問(wèn)共享資源的線程，達(dá)到了Java高優(yōu)先級(jí)關(guān)鍵線程優(yōu)先訪問(wèn)臨界資源、運(yùn)行可預(yù)測(cè)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)整算法，可以有效解決按優(yōu)先級(jí)喚醒的Java中間件活鎖問(wèn)題;周期性提升GC優(yōu)先級(jí)至非關(guān)鍵線程優(yōu)先級(jí)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(duì)關(guān)鍵線程的不可預(yù)測(cè)運(yùn)行延遲。
　　在特定開(kāi)源操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)EDIF和PDBS算法驗(yàn)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