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实时操作系统协同设计中的若干问题研究

邱卫东  
【摘要】:因为实时嵌入式系统的复杂度、性能、短上市时间等要求不断提高,嵌入式软件中的动态实时行为也越来越复杂,而这些动态实时行为常常由实时操作系统(Real-Time Operating System,RTOS)提供实现,所以,需要研究RTOS以适应各种不同领域的应用;另一方面,随着可重配置逻辑技术的发展,现代可重配置器件不但能允许多个硬件模块(硬件任务)同时执行,而且可以在执行时动态配置不同的硬件任务,从而适应了现代嵌入式实时系统的高性能要求和动态任务执行场景。但是传统实时操作系统缺乏对可重配置器件的动态重配置的支持,所以研究RTOS提供对可重配置硬件任务的支持,具有重大意义。本文主要进行几个方面的研究工作: 首先,进行RTOS的系统级模型研究,目的是提高整个设计抽象层次,在设计的早期进行高效的设计空间探索,提出了基于快速样机平台的系统级RTOS建模方法,克服了具体的RTOS与底层的硬件实现关联大,难以抽象的缺陷,系统级RTOS中不但包含典型RTOS主要特性,还包含动态可重配置硬件任务的一些特殊特性,从而使得高层模型完整,进而准确评估系统的实时性能。 第二,在分析软硬件任务本质区别的基础上,本文提出并实现了一种基于统一多任务模型的RTOS,称为SHUM-UCOS。它能够跟踪和管理可重配置资源的使用,通过硬件任务预配置技术,提高了资源利用率和任务并行性。定义了两种标准硬件线程接口,对总线型和星型通信拓扑结构支持。试验表明,SHUM-UCOS能够在提升系统性能的同时,有效缩减从软件实现到硬件实现的迁移时间。 第三,进行了可重配置硬件任务的调度算法研究。为了进行可重配置硬件任务的动态管理,要为硬件任务在可重配置器件上找到合适的配置位置,并且进行配置后才能运行硬件任务。本文提出一种快速动态定位和实时任务调度算法,采用最早最迟开始时间优先、最优化空白区域管理和配置重用的调度原则。实验表明,算法可以显著提高系统的总体性能。 第四,进行了软件任务的调度分析研究。异构分布式系统已被广泛应用在实时嵌入式系统中,软件任务调度问题的目标是要在满足一定的性能指标和优先约束关系的前提下,将可并行执行的任务按适当分配策略确定一种分派和执行顺序,合理分配到各处理机上有序地执行,以达到减少总的执行时间的目的。软件任务调度算法是进行嵌入式系统综合时,确保系统实现性能目标的一个关键问题,这是一个NP-完全问题。现有的算法主要是启发式算法,性能还有待提高。提出了一个新的异构分布式系统的动态BLevel优先(DBLF,Dynamic BLevel


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