分布式实时系统调度分析工具的改进研究

论文摘要

随着信息科技的高速发展,针对网络化、嵌入式集成特点的计算机系统得到广泛研究,于是出现了分布式结构的实时系统。由于系统规模的扩大以及系统功能与非功能属性的逐渐丰富,开发人员已经将重点从关注实现的细节转向更高的抽象层次来考虑软件设计结构的问题,从而基于模型的开发方法被逐渐地研究和使用。模型方法是根据开发者基于其不同的专业知识和开发需求对客观世界的一种自然表达。在系统开发过程中,为了衡量系统的性能,开发者通过对系统模型中的属性进行验证,能够直接得到反馈,进而对模型进行完善,提高了软件系统的可靠性、正确性与可维护性。在对模型进行确认之后,可以转向框架代码自动生成、软件测试等系统开发操作,最终完成一个满足分布式结构的实时性可靠嵌入式系统。从嵌入式系统的出现至今,关于时间方面的研究尤为突出,例如分布式任务是否满足在截止时间限的情况下完成指定的行为,整体任务集合是否满足端到端的延时要求,在复杂的系统环境中各种关联关系是否影响到任务的执行时间等等,这些都可以通过对系统中任务的可调度性来判断。利用形式化方法为解决上述难题提供了一种思路。形式化方法可以在不同的软件工程活动之间过渡,利用数学的严谨性质,可以准确描述状态、对象或动作结果,避免自然语言描述规格说明时的二义性,提供方法验证,确认实现的正确性。有穷状态机是一种典型的形式化方法,用于准确描述一个系统。时间自动机是在有穷状态机的基础上增加系统对时间的约束,表达时间与状态的对应关系。在此基础上,为了避免由于相同权限级别的干扰,需要针对系统的时间与空间进行合理划分,才能够保证系统的高可信性。本文首先对分布式实时目标系统进行模型抽象,介绍一个利用时间自动机理论和插件开发方法设计和实现的调度分析工具,基于该工具的基本框架,对其在支持分布式多处理器、复杂系统环境、时钟表达、分析效率等方面进行改进,并与之前版本工具进行比较测试。接着通过对时间和空间的划分,强调对系统的隔离与保护,拓展出调度过程中的分区概念,设计并实现了符合ARINC653国际标准的基于分区的调度仿真模块改进,提高目标系统的高可靠性。最后,对其他主流的实时性系统性能分析方法进行研究,总结Holistic、实时演算方法、仿真方法的特点和代表工具。利用三个典型的性能检测模型,对各种分析工具进行评估,最后得出准确的性能评价。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 模型方法
• 1.2.2 自动机理论
• 1.3 课题来源
• 1.4 本文研究内容和主体框架
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 论文主体框架
• 第2章 基于时间自动机的可调度性分析
• 2.1 系统模型和任务模型
• 2.1.1 基本概念
• 2.1.2 分布式系统模型
• 2.1.3 任务模型和资源需求
• 2.1.4 系统模型实例
• 2.2 到达时间自动机和动作时间自动机
• 2.3 时间表达与操作
• 2.4 调度分析过程
• 2.4.1 合法性判断
• 2.4.2 调度分析算法
• 2.4.3 调度检测工具简介
• 2.5 本章小结
• 第3章 调度分析工具的改进
• 3.1 改进调度分析工具结构
• 3.2 自动机构造改进
• 3.2.1 合并自动机
• 3.2.2 偏移量属性
• 3.3 调度算法添加改进
• 3.4 分布式多处理器结构改进
• 3.4.1 尝试一:多线程
• 3.4.2 尝试二:合并DBM
• 3.5 针对外部触发源改进
• 3.6 本章小结
• 第4章 时间与空间的划分改进
• 4.1 分区概念
• 4.2 分区调度仿真设计与实现
• 4.2.1 模型结构与界面设计
• 4.2.2 配置与仿真过程
• 4.2.3 实例分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 性能分析方法与比较
• 5.1 整体调度方法
• 5.2 模块化性能分析方法:实时演算
• 5.3 仿真方法
• 5.4 性能比较
• 5.4.1 检测点一:复杂的触发关系
• 5.4.2 检测点二:变量反馈
• 5.4.3 检测点三:数据依赖
• 5.4.4 分析效率
• 5.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文