異構(gòu)分布式混合關(guān)鍵級(jí)系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化研究.pdf

1、現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)是基于異構(gòu)分布式集成架構(gòu)的混合關(guān)鍵級(jí)系統(tǒng)。它同時(shí)融合了實(shí)時(shí)系統(tǒng)、混合關(guān)鍵級(jí)系統(tǒng)和異構(gòu)分布式系統(tǒng)的相關(guān)特征，但在體系結(jié)構(gòu)、軟件系統(tǒng)和功能安全需求上又有自己的特定要求，特別是在性能與時(shí)間的約束方面需要仔細(xì)權(quán)衡。若從系統(tǒng)的角度來看，降低整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度長度，提高系統(tǒng)性能是其主要目標(biāo)。若從功能的角度來看，滿足其時(shí)間約束，確保實(shí)時(shí)性是其主要需求。然而，對(duì)于資源受限的大規(guī)模異構(gòu)分布式混合關(guān)鍵級(jí)系統(tǒng)，很難滿足所有分布式功能的時(shí)間約束。如

2、何提高系統(tǒng)的整體性能，并確保高關(guān)鍵級(jí)功能的實(shí)時(shí)性是異構(gòu)分布式混合關(guān)鍵級(jí)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度需要優(yōu)化的主要目標(biāo)。為此，本文通過提出精確反映汽車電子系統(tǒng)中分布式功能的混合關(guān)鍵級(jí)系統(tǒng)模型，從“功能級(jí)”及“并行與分布式計(jì)算”的角度，提出優(yōu)化的調(diào)度算法，最小化系統(tǒng)性能與功能時(shí)限之間的沖突，并在性能、實(shí)時(shí)性、成本和資源開銷等方面取得合理的權(quán)衡。
　　本文的主要工作如下:
　　(1)靜態(tài)多關(guān)鍵級(jí)系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化。多個(gè)不同安全關(guān)鍵級(jí)別的分布式功能集

3、中到同一異構(gòu)分布式混合關(guān)鍵級(jí)系統(tǒng)之中，良好的靜態(tài)多關(guān)鍵級(jí)調(diào)度優(yōu)化能夠有效的指導(dǎo)現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)在分布式處理方面的設(shè)計(jì)。針對(duì)上述需求，本文基于網(wǎng)關(guān)互聯(lián)的總線體系結(jié)構(gòu)和汽車安全完整性等級(jí)中的傷害嚴(yán)重性級(jí)別，從“功能級(jí)”以及“并行與分布式計(jì)算”的角度，提出了一系列面向不同目標(biāo)的靜態(tài)調(diào)度算法。包括以提高系統(tǒng)性能為目標(biāo)的公平策略算法F MHEFT，以滿足更多高關(guān)鍵級(jí)功能實(shí)時(shí)性的整體優(yōu)先策略算法WP_MHEFT和以優(yōu)化性能與實(shí)時(shí)性為目標(biāo)的部分優(yōu)先策

4、略算法PP_MHEFT，使得在系統(tǒng)整體性能和高關(guān)鍵級(jí)功能實(shí)時(shí)性之間取得良好的平衡。最后，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)本文提出的3種算法進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的PP_MHEFT算法在滿足更多高關(guān)鍵級(jí)功能實(shí)時(shí)性的條件下，能夠有效的提高系統(tǒng)整體性能。
　　(2)動(dòng)態(tài)雙關(guān)鍵級(jí)系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化?；旌详P(guān)鍵級(jí)汽車電子系統(tǒng)是典型的信息物理融合系統(tǒng)，系統(tǒng)中的高安全關(guān)鍵級(jí)功能大都與物理世界進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互。以線控剎車為代表的一類安全關(guān)鍵功能，不僅需動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)

5、觸發(fā)，而且具有較高的時(shí)間關(guān)鍵級(jí)認(rèn)證級(jí)別。動(dòng)態(tài)與并發(fā)是汽車信息物理融合系統(tǒng)的固有屬性。針對(duì)上述需求，以動(dòng)態(tài)雙關(guān)鍵級(jí)模型為基礎(chǔ)，提出了面向不同目標(biāo)的調(diào)度算法。包括以提高系統(tǒng)性能為目標(biāo)的公平策略算法F DDHEFT，以滿足更多高關(guān)鍵級(jí)功能實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵級(jí)策略算法C DDHEFT，和在滿足更多高關(guān)鍵級(jí)功能實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上，提高系統(tǒng)性能的時(shí)限時(shí)距策略算法D_DDHEFT。D_DDHEFT在不提高算法時(shí)間復(fù)雜度的情況下，使得在系統(tǒng)整體性能和高關(guān)鍵級(jí)功能

6、的實(shí)時(shí)性之間能夠達(dá)到一種合理的權(quán)衡。最后利用仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)提出的算法進(jìn)行比較，驗(yàn)證了提出的優(yōu)化算法的有效性。
　　(3)通信競(jìng)爭(zhēng)的動(dòng)態(tài)雙關(guān)鍵級(jí)系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化。高端的混合關(guān)鍵級(jí)汽車電子系統(tǒng)是基于異構(gòu)分布式的集成體系結(jié)構(gòu)，是計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)均異構(gòu)且深度融合的嵌入式系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)具有同等重要的地位，需對(duì)相關(guān)計(jì)算進(jìn)行精確化，并使用合理的任務(wù)與消息同步分配的調(diào)度算法。本文基于雙關(guān)鍵模型，研究通信競(jìng)爭(zhēng)的動(dòng)態(tài)環(huán)境下的調(diào)度優(yōu)化。通過建立通信競(jìng)

7、爭(zhēng)的異構(gòu)計(jì)算模型和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，在通信競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了向上排序值和最早完成時(shí)間的精確化，以適應(yīng)系統(tǒng)中計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)均異構(gòu)且任務(wù)與消息同步的特征。更進(jìn)一步，分別提出公平策略、關(guān)鍵級(jí)策略和時(shí)限時(shí)距策略的調(diào)度算法。最后利用仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)提出的算法進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證了提出的優(yōu)化算法的有效性。
　　(4)多核混合關(guān)鍵級(jí)系統(tǒng)中關(guān)鍵級(jí)感知的調(diào)度優(yōu)化。多個(gè)關(guān)鍵級(jí)功能在同一硬件平臺(tái)上的集成將促使多核等高性能嵌入式計(jì)算平臺(tái)在汽車電子等混合關(guān)鍵級(jí)關(guān)鍵系統(tǒng)中得到廣

8、泛應(yīng)用。但是多核調(diào)度優(yōu)化首先需解決任務(wù)到處理核的分配問題。混合關(guān)鍵級(jí)系統(tǒng)中的高關(guān)鍵級(jí)功能可通過關(guān)鍵級(jí)分解來降低開發(fā)和認(rèn)證成本，但是同時(shí)它將在處理器、帶寬資源方面帶來一定開銷。因此，多核混合關(guān)鍵級(jí)系統(tǒng)中的任務(wù)分配需在成本和系統(tǒng)資源利用率之間取得平衡。提出基于模擬退火算法的啟發(fā)式任務(wù)分配算法CTM，在保證滿足系統(tǒng)可調(diào)度的前提下實(shí)現(xiàn)成本和資源開銷的聯(lián)合優(yōu)化。最后通過在真實(shí)汽車電子功能集和仿真功能集上開展的多個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了CTM算法在實(shí)現(xiàn)成本