探析開放式實(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的研究

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1、華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文開放式實(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的研究姓名：譚朋柳申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指導(dǎo)教師：金海20080102華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文摘要隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的巨大進(jìn)步，獨(dú)立開發(fā)與發(fā)布的硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)應(yīng)用程序一起運(yùn)行于快速、通用目的的工作站與個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的情況成為了可能，并且這些應(yīng)用程序可以動(dòng)態(tài)地進(jìn)入或退出系統(tǒng)，這種系統(tǒng)就是“開放式實(shí)時(shí)系統(tǒng)”，它是目前研究最熱的實(shí)時(shí)計(jì)算領(lǐng)域之一。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是實(shí)時(shí)調(diào)度。傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度理論與方法雖然已經(jīng)相當(dāng)成熟，但它們用于傳統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，專門針對(duì)

2、某一特定類型的實(shí)時(shí)應(yīng)用。如何調(diào)度開放式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的任務(wù)是一個(gè)新的挑戰(zhàn)性問題。二維優(yōu)先級(jí)實(shí)時(shí)調(diào)度機(jī)制不僅劃分任務(wù)優(yōu)先級(jí)，還劃分調(diào)度策略優(yōu)先級(jí)。首先設(shè)置各種調(diào)度策略的優(yōu)先級(jí)，如：將EDF（EarliestDeadlineFirst）策略優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高，其次是RM（Rate-Monotonic），再其次是軟實(shí)時(shí)調(diào)度策略SD（Share-Driven），優(yōu)先級(jí)最低的是用于調(diào)度非實(shí)時(shí)任務(wù)的策略。然后劃分各調(diào)度策略內(nèi)部任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。二維優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制中任務(wù)的執(zhí)行順序由任務(wù)的調(diào)度策略優(yōu)先級(jí)與任務(wù)的優(yōu)先級(jí)共同決定。這種算法不僅解決

3、了傳統(tǒng)優(yōu)先級(jí)調(diào)度方法中調(diào)度策略依賴于調(diào)度機(jī)制的問題，還克服了以往開放式實(shí)時(shí)調(diào)度架構(gòu)不適合并行分布式實(shí)時(shí)應(yīng)用的缺點(diǎn)，適用于具有特權(quán)等級(jí)的場(chǎng)合。但是，二維優(yōu)先級(jí)實(shí)時(shí)調(diào)度機(jī)制中，高優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略的實(shí)時(shí)任務(wù)可能會(huì)讓較低優(yōu)先級(jí)策略的任務(wù)長時(shí)間得不到CPU（CentralProcessingUnit）而處于死等狀態(tài)，并且不適合公平性的場(chǎng)合?；诔Ａ坷寐史?wù)器的混合調(diào)度架構(gòu)為每個(gè)實(shí)時(shí)調(diào)度策略分配一個(gè)常量利用率服務(wù)器，在底層，一個(gè)全局的EDF調(diào)度器負(fù)責(zé)調(diào)度和維護(hù)頂層各服務(wù)器。這種調(diào)度架構(gòu)不僅解決了以往方案中存在的問題，而且彌補(bǔ)了

4、二維優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制的不足，適用于公平性場(chǎng)合。通過引入空閑帶寬回收及任務(wù)溢出控制機(jī)制對(duì)常量利用率服務(wù)器進(jìn)行改進(jìn)，其性能可以得到進(jìn)一步提升。常量利用率服務(wù)器的大小是固定的，而開放式系統(tǒng)的負(fù)載是動(dòng)態(tài)變化的，因此，常量利用率服務(wù)器大小的設(shè)置會(huì)影響系統(tǒng)性能，若其大小大于任務(wù)實(shí)際需求，會(huì)浪I華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文費(fèi)多余CPU資源；若小于實(shí)際需求，會(huì)將一些本可接受的任務(wù)拒之門外?？勺兝寐史?wù)器的大小能根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的變化而變化，且其維護(hù)算法優(yōu)于常量利用率服務(wù)器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于可變利用率服務(wù)器的二級(jí)層次調(diào)度架構(gòu)的性能更優(yōu)，更

5、適合開放式實(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度。隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，若干相互獨(dú)立開發(fā)與發(fā)布的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序與非實(shí)時(shí)應(yīng)用程序一起協(xié)同運(yùn)行于一個(gè)分布式系統(tǒng)的需要在不斷增長。這類分布式開放實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)任務(wù)調(diào)度提出了新的要求?；谔幚砉?jié)點(diǎn)歸類分配（CPNA,Classified-ProcessingNodeAllocation）算法與啟發(fā)式和FCF（FirstCommittedFirst）調(diào)度算法結(jié)合的實(shí)時(shí)調(diào)度架構(gòu)比較適合同構(gòu)系統(tǒng)，且有較好的性能，但當(dāng)處理節(jié)點(diǎn)太少或節(jié)點(diǎn)歸類不多時(shí)，調(diào)度機(jī)制與調(diào)度策略分離程度不高，開放程度受限，其優(yōu)勢(shì)不能發(fā)揮出來。

6、基于最大需求優(yōu)先與最空閑適應(yīng)分配算法及可變利用率服務(wù)器算法的實(shí)時(shí)調(diào)度架構(gòu)克服了以往方案的缺點(diǎn)，適合多種任務(wù)模型，支持調(diào)度機(jī)制與策略相分離，適合復(fù)雜的并行分布式應(yīng)用程序，適合異構(gòu)的物理環(huán)境，另外，最大需要優(yōu)先與最空閑適應(yīng)分配算法能較好地保持系統(tǒng)的負(fù)載平衡。這種調(diào)度架構(gòu)開放程度高、性能也較好，是一種理想的分布式開放實(shí)時(shí)調(diào)度方案。在理論研究的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Linux的分布式開放實(shí)時(shí)系統(tǒng)的原型。測(cè)試表明，該系統(tǒng)具有很好的實(shí)時(shí)性能，調(diào)度延遲與周期抖動(dòng)一般在25μs以內(nèi)。該系統(tǒng)在實(shí)時(shí)控制、數(shù)控系統(tǒng)、制造業(yè)等領(lǐng)域具有很好

7、的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：開放式實(shí)時(shí)系統(tǒng)；分布式系統(tǒng)；實(shí)時(shí)調(diào)度；二維優(yōu)先級(jí)；常量利用率服務(wù)器；可變利用率服務(wù)器；可調(diào)度性分析II華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文AbstractWiththerapiddevelopmentofthehardwareincomputerscience,itispossiblethatseveralcomplexhardandsoftreal-timeapplicationsdevelopedanddeployedindependentlyrunonafastandgeneral-purposewo

8、rkstationorpersonalcomputersystemconcurrentlywithsomenon-real-timeapplications.Further,thereal-timeandnon-real-timeapplicationsareallowedtojoinandleavethesystemdynamically.Thesyste