面向嵌入式实时系统的时间可预测编程框架的研究
嵌入式实时系统被应用到各种安全关键的场景，此类系统通过监控物理环境的变化以及获取系统自身的反馈信息，实现自动控制过程。实时系统不仅要求满足功能需求，还要满足严格时限需求。然而，软件不确定并发执行以及高性能体系结构带来系统行为不可预测的问题，使得系统验证的复杂度升高，验证成本增加。因此，时间可预测模型，框架，以及相关实现技术成了目前嵌入式实时系统领域的热点研究课题之一。 本文分析了嵌入式实时系统时间行为，构建了不同应用条件下的时间可预测模型和编程框架，并研究了基于软硬件结合技术的模型实现优化方案，为时间可预测模型的理论和实践研究工作提供了有意的参考。具体研究成果如下: (1)研究了嵌入式实时系统时间行为，综合调研和分析了现有的时间模型，总结了现有时间模型的特点以及不足，并指出了针对不同应用条件下的问题以及研究点，为之后的工作奠定了基础。 (2)总结了时间可预测性编程模型特征，并分析了该模型在对复杂任务（允许内部同步点）建模时的不足，从而提出基于服务体模型的时间可预测模型。在我们提出的模型中，设计实现合理高效的并发任务时序映射规则，并基于时间触发机制实现运行时系统确保任务时序行为与模型定义的时序行为保持一致。通过对任务集合时序行为分析，可说明服务体模型将任务依赖链的响应时间从大于等于∑i∈[1，N]Pi降到了maxi∈[1，N]Pi。其中N表示任务依赖链中关键路径中任务的数量，Pi表示依赖链中任务i的周期。 (3)研究了面向混合类型任务（周期性任务和非周期性任务）的时间可预测模型，并在该模型中首次提出结合逻辑执行时间模型与非周期性任务协同调度的策略。在模型的时序映射规则中，基于反向EDF算法构建周期性任务的时序映射方式，并基于空闲时间窃取算法利用空闲的处理器资源高效响应非周期性任务。在运行时系统中，实现了混合调度器支持协同调度周期性和非周期性任务。混合调度器在确保周期性任务的时限需求可满足的前提下，尽可能提升系统响应非周期性任务的能力。与已有的相关工作对比发现，本文提出的模型在确保周期性任务时序行为满足时限需求的前提下，系统响应非周期性事件的能力提升了7.7倍到16.7倍。 (4)研究了面向分布式环境的时间可预测模型。嵌入式实时系统正朝着网络化的分布式控制系统方向发展，设计实现面向分布式嵌入式实时系统的时间可预测模型，核心在于支持有界远程通信。在此编程模型中，设计实现时间可预测模型与时间触发总线通信协议相结合的方案，最终提出了基于TTCAN的具有通信延迟上界的分布式通信架构，支持分布式实时系统的有界远程通信。 (5)研究了具有时间可预测性的编程框架。框架支持同时建模软件系统的功能行为和时序行为，并在实时系统中实现时间可预测模型中定义的时序语义。编程框架的设计与实现包括两个方面:一是设计易用的编程接口，要求支持建模软件系统的功能行为和时序行为;二是设计实现支持调度混合类型任务的运行时系统，并要求运行时系统既满足周期性任务的硬实时需求，又满足非周期性任务尽快响应的时间需求。编程框架的设计与实现使得时间可预测模型的理论研究工作可用于嵌入式实时系统的开发过程中。经过验证，本文实现的编程框架可满足时间可预测性，时间可组合性，高性能，稳定性，简易型，扩拓展性等原则要求。此外，基于该编程框架，本文实现分布式实验平台以及两个分布式实例，以进一步验证框架的有效性。 (6)研究了系统响应性和内核开销之间的矛盾，提出基于软硬件结合技术设计实现硬件混合调度器，最终实现低内核开销并具有周期精确时间语义的硬件模块。硬件混合调度器与主处理器并行执行，两者通过协处理器指令和中断机制相互通信。硬件混合调度器消除了主处理器中的周期性时钟中断，大大减少了运行时内核开销，同时专用硬件快速执行的特点使其支持周期精确的时间触发能力。与纯软件实现的混合调度器相比，硬件混合调度器降低了任务上下文切换开销，消除了周期性的时钟中断开销，并且硬件调度器新增的内核开销远低于降低的内核开销。整体上，软硬件结合的硬件混合调度器不仅提供了周期精确的时钟服务，提升了系统的响应性，并有效降低了内核开销。
嵌入式实时系统;时间可预测模型;编程框架;软硬件结合
中国科学技术大学
博士
计算机系统结构
周学海;李曦
2019
中文
TP316.2
2019-08-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）