硬实时任务调度IO抖动与延迟的建模优化及算法实现

论文摘要

嵌入式实时系统越来越多的应用于工业控制等行业中,实时调度一直是其核心理论问题。但是,调度产生的硬实时任务抖动与延迟直接影响到系统的稳定性和可靠性,甚至导致系统崩溃。因此,如何控制硬实时任务的抖动与延迟已成当前实时调度理论研究的热点问题。针对任务的延迟和抖动问题,本文在引入了实时系统中任务的抖动和延迟评价体系的基础上提出了一种基于任务分割的可抢占阈值调度模型。该模型可以在不影响系统的可调度性前提下,减少任务调度所带来的任务的抖动和延迟。利用该模型对任务的IO抖动进行分析,结果表明任务的IO抖动会随可抢占阂值的减小而降低。通过最小化可抢占阈值调度模型中的阈值,可以减少硬实时任务的抖动和延迟,控制调度对系统稳定性带来的负面影响。本文依据RM调度算法充要条件为RM算法提出了复杂度为O(|Tn/T1|·n2)的最优化阈值分配算法,并依据EDF调度算法充分条件为EDF调度算法提出了复杂度为O(n)的次优化阈值分配算法。为了测试模型在不同的调度情况下的表现,本文在1matlab上利用TORSCHE工具箱搭建仿真测试环境,对可抢占阈值调度模型进行仿真。从仿真结果可知,基于任务分割的可抢占阈值调度模型可以在典型的调度方法中有效的降低调度程序所带来的任务的延迟和抖动。为了衡量该模型理论与该模型实现后的差距,本文在Atmel mega128硬件平台上,通过对现有的WORIX操作系统内核的修改,硬件模拟了该调度算法。通过对比硬件模拟测试结果与仿真结果可知,该模型的仿真结果与实际情况比较吻合,即该模型在实际应用中可以有效的降低任务的抖动和延迟。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 嵌入式实时操作系统及实时调度研究现状
• 1.2 任务抖动和延迟现象
• 1.3 延迟与抖动控制策略
• 1.4 文章结构
• 第二章 实时系统调度参考模型及算法
• 2.1 周期性任务模型
• 2.1.1 周期、执行时间和周期任务阶段
• 2.1.2 作业的抢占与阻塞
• 2.1.3 非周期和偶发任务
• 2.1.4 实时调度系统临界条件
• 2.1.5 调度工程模型
• 2.2 实时调度算法
• 2.2.1 固定优先级调度算法
• 2.2.2 动态优先级调度算法
• 2.3 评估模型
• 2.4 相关IO抖动延迟优化模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 可抢占阈值分割模型理论分析
• 3.1 启发性例子
• 3.2 带有可抢占阈值的周期性任务模型
• 3.3 延迟优化与抖动控制分析
• 3.3.1 RM延迟与抖动控制分析
• 3.3.2 EDF延迟与抖动控制分析
• 3.3.3 PS阈值推导及算法
• 3.3.4 本章小结
• 第四章 模型仿真
• 4.1 仿真程序工作原理
• 4.2 仿真平台搭建与试验设置
• 4.2.1 随机任务集的产生
• 4.2.2 任务调度仿真
• 4.2.3 延迟抖动计算
• 4.3 仿真结果分析与对比
• 4.3.1 RM调度的延迟与抖动优化效果对比
• 4.3.2 EDF调度的延迟与抖动优化效果对比
• 4.4 仿真的可行性
• 4.5 本章小结
• 第五章 硬件模拟
• 5.1 实时任务设计
• 5.1.1 用顺序执行的程序实现实时应用系统
• 5.1.2 用并发执行的任务实现实时应用系统
• 5.2 实时任务状态
• 5.3 任务管理模块TCB及任务操作
• 5.4 实时任务管理
• 5.5 时钟管理
• 5.5.1 时钟管理中涉及的数据结构
• 5.5.2 时钟节拍和时钟管理涉及的API
• 5.6 实时任务调度
• 5.7 测试结果分析与仿真对比
• 5.7.1 内核性能测试
• 5.7.2 测试结果分析
• 5.7.3 调度算法仿真模拟对比
• 5.8 时间节拍和任务时间单位的推荐设置
• 5.9 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢