分布式实时嵌入系统的消息体系研究

论文摘要

嵌入式系统已经在诸多领域得到了应用:从移动电话到交换机、从微波炉到火箭自动推进装置,很多设备中都有嵌入式控制系统。随着网络技术的进步,嵌入系统也正向分布式方向发展。然而目前还没有一个良好、清晰的分布式嵌入系统模型为系统的构建提供指导,因此该类系统的构建是比较困难的。此外,对该类系统通常有的实时性要求,目前几乎都是通过基于全局时钟的实时调度策略来保证的;全局时钟方案不仅复杂,而且只适用于基于时间的分布式实时系统。以上两个问题对于应用前景广阔的分布式实时嵌入系统来说,是亟待解决的。因此,本文所研究的问题就是:一、如何建立一种能够全面反映该类系统特点的精确模型,为系统的构建提供足够的指导,降低构建难度;二、如何不利用全局时钟来实现实时性,以解决时钟同步的复杂性。本文所做的主要工作及结果可总结为以下几点: (1)分析了分布式实时嵌入系统的构成特点,根据消息在该类系统中的关键作用,建立了消息体系模型,它是该类系统的精确模型,既描述了系统的静态构成,也反映了系统的动态运行特性,可以很好地指导系统的构建、验证系统设计的正确性以及事前分析系统的性能等。(2)根据消息体系的指导作用,提出了基于消息体系的系统构建方法,该方法把完整系统的设计强度削减到建立相对抽象的消息体系和独立的分布式任务的水平上,是一种更为合理的系统构建方案。它简化了系统的构建过程,降低了其构建难度,由此提高了系统的正确性和可靠性。(3)考虑到分布式系统中各分布点虽然没有一致的绝对时刻,但却有一致的相对时间这一事实,提出了保证实时性的时间记账机制。该机制既避免了时钟同步的复杂性,易于实现;又解决了全局时钟适用范围有限的问题,对基于时间和基于事件的分布式实时系统都是适用的;此外,它还是灵活的,可以通过界面随时接受并且满足用户变更的实时要求。(4)引入了消息的动态优先级概念,采用了以固定优先级和动态优先级为共同指导的综合消息调度策略,更好地保证了系统的实时性。最后,通过对分布式实时系统实例“汽车行驶监控系统”的模拟设计,表明了消息体系模型和时间记账机制的有效性及优点。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 论文选题背景
• 1.2 选题的目的和意义
• 1.3 分布式实时嵌入系统的发展综述
• 1.3.1 分布式实时嵌入系统的应用现状和前景
• 1.3.2 基于现场总线的分布式控制系统
• 1.3.3 分布式控制系统中的主要问题及其进展
• 1.3.4 本节小结
• 1.4 论文的主要内容
• 2 分布式实时系统的模型和实时机制研究
• 2.1 系统结构图模型
• 2.1.1 模型和开发方法
• 2.1.2 实时机制
• 2.1.3 分析评价
• 2.2 任务构架图模型
• 2.2.1 模型和开发方法
• 2.2.2 实时机制
• 2.2.3 分析评价
• 2.3 条件进程图模型
• 2.3.1 模型
• 2.3.2 实时机制
• 2.3.3 分析评价
• 2.4 分离的任务和消息模型
• 2.4.1 任务模型
• 2.4.2 消息模型
• 2.4.3 分析评价
• 2.5 小结
• 3 消息体系和时间记账机制
• 3.1 消息在分布式实时系统中的作用
• 3.2 消息体系
• 3.2.1 消息体系的表示
• 3.2.2 消息体系分析
• 3.2.3 消息体系的作用
• 3.3 时间记账机制
• 3.3.1 全局时钟存在的问题
• 3.3.2 任务序列和消息的时间属性
• 3.3.3 时间记账过程和消息调度
• 3.4 小结
• 4 基于消息体系的系统构建
• 4.1 系统分解
• 4.1.1 任务分解原则
• 4.1.2 分解后的系统表示:消息体系
• 4.2 任务设计
• 4.2.1 任务的体系结构
• 4.2.2 任务的应用逻辑:消息流图
• 4.3 消息的属性和格式约定
• 4.4 实现
• 4.4.1 实现思路
• 4.4.2 动态链接库技术
• 4.4.3 合成整体
• 4.5 本章小结
• 5 基于消息体系的汽车行驶监控系统的设计
• 5.1 实例描述及分析
• 5.1.1 实例描述
• 5.1.2 实例分析
• 5.2 基于消息体系的实例设计
• 5.3 本章小结
• 6 结束语
• 6.1 论文总结
• 6.2 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献