收藏本站
《华东师范大学》 2017年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

实时系统的可靠性驱动任务调度机制研究

周俊龙  
【摘要】:随着集成电路制造工艺的不断进步,当代微处理器芯片的尺寸已大幅缩小并且性能已大幅提高。这极大地促进了实时嵌入式系统在环境监测、空间探测、工业过程控制、飞行管理与控制、金融政务、汽车电子、智能电器以及医疗器械等诸多关键领域的广泛应用。但与此同时,微处理器芯片的晶体管数目和集成度也在持续增加,这使得微处理器受电磁干扰、瞬时电压扰动、高能粒子撞击等因素影响而产生瞬时故障的概率越来越高,从而导致系统的可靠性下降。然而,高可靠性是保证上述诸多应用成功运行的必然要求。因此,设计高可靠的实时嵌入式系统已成为必然趋势。可靠性驱动的实时任务调度机制是保证实时嵌入式系统高可靠性的重要手段,一直以来都是实时嵌入式系统领域的研究热点。该机制通过利用回卷恢复、冗余以及提频等技术来容忍已发生的瞬时故障或降低瞬时故障的发生率,从而提高系统的可靠性。但是,这些技术在提高可靠性的同时,也会带来处理器能耗增大、最大完工时间延长而导致吞吐量下降、温度升高而导致设备使用寿命缩短的问题。传统的可靠性驱动实时任务调度机制常常忽视了这些问题。因此,本文综合考虑上述问题,设计了新颖的可靠性驱动实时任务调度算法,在保证系统可靠性和实时性的前提下,优化系统的能耗、最大完工时间、以及设备使用寿命。具体来说,1.本文首先解决了可靠性和峰值温度约束下的能耗优化问题,提出了单处理器和多处理器系统中可靠性驱动的低能耗实时任务调度机制。在单处理器系统的研究工作中,本文提出了一个故障自适应因子并采用了检查点技术,以满足系统的可靠性约束;提出了一个能量有效因子来确定每个任务的工作频率,以最小化系统的能耗;提出了一种改进的热感知任务排序技术来降低处理器的温度,以满足系统的峰值温度约束。在多处理器系统的研究工作中,本文采用了所提的故障自适应因子和检查点技术以保证系统的可靠性,以及所提的热感知任务排序技术以保证系统的峰值温度约束;提出了一种动态能耗最优的任务分配方案,并且基于该方案,设计了相应的启发式算法,以实现多处理器系统中可靠性和峰值温度约束下的能耗优化。2.本文然后解决了可靠性和峰值温度约束下的最大完工时间优化问题,提出了多处理器系统中可靠性驱动的高吞吐量(即最大完工时间短)实时任务调度机制。在此研究工作中,本文基于混合整数线性规划方法,对多处理器系统最大完工时间的优化问题进行建模和求解;考虑到混合整数线性规划方法的不足,探索和分析了任务分配对最大完工时间、可靠性和峰值温度的影响;基于分析结果,提出了一种启发式的任务分配和调度算法,即利用调度长度均衡的任务分配、冗余技术、以及热感知的任务排序和调频技术,以实现可靠性和峰值温度约束下的最大完工时间优化。3.本文最后解决了可靠性和设备使用寿命的统一优化问题,提出了单处理器和多处理器系统中可靠性驱动的长使用寿命实时任务调度机制。在单处理器系统的研究工作中,本文提出了一种理论方法,用于计算瞬时故障对应的平均无故障时间;基于该计算方法,将单处理系统可靠性和设备使用寿命的统一优化问题转换为单处理器系统可用时间的优化问题,并设计了一个优化单处理器系统可用时间的框架。在多处理器系统的研究工作中,本文也是将多处理系统可靠性和设备使用寿命的统一优化问题转换为多处理器系统可用时间的优化问题,并设计了一个优化多处理器系统可用时间的方案。
【关键词】:实时嵌入式系统 任务调度 可靠性 能耗 最大完工时间 温度 使用寿命
【学位授予单位】:华东师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP332
【目录】:
  • 摘要6-8
  • ABSTRACT8-17
  • 主要缩略语对照表17-19
  • 第一章 绪论19-34
  • 1.1 研究工作的背景与意义19-21
  • 1.1.1 实时系统概述19-20
  • 1.1.2 强实时嵌入式系统的容错/可靠性优化20-21
  • 1.2 研究问题与研究思路21-25
  • 1.2.1 容错设计引发的问题21-23
  • 1.2.2 研究思路23-25
  • 1.3 国内外研究现状分析25-29
  • 1.3.1 可靠性驱动的低能耗实时任务调度机制研究25-27
  • 1.3.2 可靠性驱动的高吞吐量实时任务调度机制研究27-28
  • 1.3.3 可靠性驱动的长使用寿命实时任务调度机制研究28-29
  • 1.4 论文的主要贡献与创新29-32
  • 1.5 论文的组织结构32-34
  • 第二章 系统模型34-42
  • 2.1 处理器模型34-35
  • 2.1.1 单处理器模型34
  • 2.1.2 同构多处理器模型34-35
  • 2.1.3 异构多处理器模型35
  • 2.2 任务模型35-36
  • 2.3 功耗模型36-37
  • 2.3.1 静态功耗模型36-37
  • 2.3.2 动态功耗模型37
  • 2.3.3 总功耗模型37
  • 2.4 温度模型37-38
  • 2.5 故障模型38-40
  • 2.5.1 瞬时故障模型39
  • 2.5.2 永久故障模型39-40
  • 2.6 本章小结40-42
  • 第三章 可靠性驱动的低能耗实时任务调度机制研究42-70
  • 3.1 单处理器系统可靠性驱动的低能耗实时任务调度机制43-60
  • 3.1.1 模型说明43
  • 3.1.2 任务的检查点个数43-44
  • 3.1.3 任务的执行时间44-45
  • 3.1.4 系统的可靠性45
  • 3.1.5 系统的能耗45-46
  • 3.1.6 系统的峰值温度46
  • 3.1.7 问题定义46-47
  • 3.1.8 单处理器系统可靠性驱动的低能耗实时任务调度策略47-53
  • 3.1.9 仿真实验与结果分析53-60
  • 3.2 多处理器系统可靠性驱动的低能耗实时任务调度机制60-69
  • 3.2.1 模型说明60
  • 3.2.2 系统的能耗60-61
  • 3.2.3 多处理器系统-虚拟核系统的转换61-63
  • 3.2.4 动态能耗最优的任务分配方案63-64
  • 3.2.5 多处理器系统可靠性驱动的低能耗实时任务调度策略64-66
  • 3.2.6 仿真实验与结果分析66-69
  • 3.3 本章小结69-70
  • 第四章 可靠性驱动的高吞吐量实时任务调度机制研究70-91
  • 4.1 模型说明70-72
  • 4.1.1 任务模型说明71
  • 4.1.2 故障模型说明71-72
  • 4.1.3 处理器执行模式说明72
  • 4.2 研究问题以及混合整数线性规划求解72-76
  • 4.2.1 目标函数73-74
  • 4.2.2 约束条件74-75
  • 4.2.3 MILP方法的不足75-76
  • 4.3 任务分配对最大完工时间、可靠性以及温度的影响76-79
  • 4.3.1 任务分配对最大完工时间的影响76-77
  • 4.3.2 任务分配对可靠性的影响77-79
  • 4.3.3 任务分配对温度的影响79
  • 4.4 可靠性驱动的高吞吐量实时任务调度机制概述79-81
  • 4.5 两阶段任务分配和调度算法81-84
  • 4.6 仿真实验与结果分析84-89
  • 4.6.1 合成任务和真实基准任务的实验设置85-86
  • 4.6.2 合成任务的实验验证与性能评估86-88
  • 4.6.3 真实基准任务的实验验证与性能评估88-89
  • 4.7 本章小结89-91
  • 第五章 可靠性驱动的长使用寿命实时任务调度机制研究91-129
  • 5.1 单处理器系统的可用时间优化机制92-113
  • 5.1.1 模型说明92-93
  • 5.1.2 计算瞬时故障对应的平均无故障时间93-94
  • 5.1.3 验证平均无故障时间计算方法的正确性94-100
  • 5.1.4 单处理器系统可用时间的优化问题100-102
  • 5.1.5 单处理器系统可用时间的优化框架102-105
  • 5.1.6 部分备份和提频策略105-110
  • 5.1.7 仿真实验与结果分析110-113
  • 5.2 多处理器系统的可用时间优化机制113-128
  • 5.2.1 模型说明113
  • 5.2.2 多处理器系统可用时间的计算113-114
  • 5.2.3 多处理器系统可用时间的优化策略114-117
  • 5.2.4 多处理器系统可用时间的优化算法117-121
  • 5.2.5 仿真实验与结果分析121-128
  • 5.3 本章小结128-129
  • 第六章 总结与展望129-132
  • 6.1 本文总结129-131
  • 6.2 未来展望131-132
  • 参考文献132-145
  • 简历145-148
  • 科研成果148-152
  • 致谢152-153

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王晓川,叶超群,金士尧;一种基于分布式调度机制的集群体系结构[J];计算机工程;2002年08期
2 李亮;郝艳梅;李伟绵;;面向移动协同应用的资源动态调度机制[J];河北省科学院学报;2012年04期
3 苗壮;;浅析云计算架构及调度机制[J];电子测试;2014年04期
4 唐飞岳;叶晖;赵明;;机会网络节点唤醒调度机制研究[J];计算机工程与应用;2011年26期
5 赵震;张龙昌;;云计算中多QoS调度机制研究[J];微型电脑应用;2014年01期
6 李慧;马雷明;纪越峰;;面向分布式业务的可重构光网络资源调度机制研究[J];通信学报;2008年12期
7 陈泽晖;常光辉;卜长清;陈蜀宇;;一种支持实时集群系统的双层调度机制[J];计算机科学;2008年10期
8 何福贵;侯义斌;李辉;;嵌入式操作系统调度机制的研究[J];计算机应用研究;2009年01期
9 曾智慧,刘富强,陶健,李庆;IEEE 802.16 Mesh模式下MAC调度机制的研究[J];计算机工程与应用;2005年23期
10 陈剑;贾杰;闻英友;赵大哲;刘积仁;;基于TDMA方式WMN中一种链路调度机制研究[J];控制与决策;2010年09期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 张晓玲;臧传治;于海斌;梁韡;;SDS调度机制系统容量分析[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集(3)[C];2008年
中国重要报纸全文数据库 前5条
1 芦燕娟;我省将制定供热应急预案[N];济南日报;2004年
2 记者 朱娟娟;创新调度机制 提升工作实效[N];泉州晚报;2013年
3 杨茜;加强反恐处突长效机制建设[N];泸州日报;2008年
4 见习记者 武耀琳;我市经济项目库建设力度大[N];朔州日报;2005年
5 杨烈斌;优化网络架构 提升城域核心 传送网络承载效率[N];人民邮电;2012年
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 周俊龙;实时系统的可靠性驱动任务调度机制研究[D];华东师范大学;2017年
2 黄昭文;无线MESH网络资源调度算法与QoS保障机制研究[D];华南理工大学;2010年
3 李亚军;无线城域网格网(WiMAX Mesh)QoS联合优化关键技术研究[D];上海交通大学;2010年
4 吴润泽;光子网格中智能节点关键技术的研究[D];北京邮电大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 冯彦坤;移动容迟网络节点睡眠调度机制研究[D];内蒙古大学;2015年
2 张天纲;PaaS环境中动态资源调度机制的研究与分析[D];北京邮电大学;2015年
3 李琰;可重构WEB服务平台资源调度机制研究[D];国防科学技术大学;2013年
4 谢亚蓉;密集小区干扰管理技术研究[D];西安电子科技大学;2014年
5 杨盛;网络拥塞下VoLTE的调度机制优化[D];东南大学;2015年
6 邢娟;基于Quorum的WSN自适应调度机制研究[D];河南理工大学;2015年
7 闻晨鹭;车辆自组织网络路侧单元高能效调度机制研究[D];东南大学;2016年
8 姜逸坤;HINOC 2.0 MAC层信道调度机制研究[D];西安电子科技大学;2015年
9 沈磊;基于IEEE802.11硬件的TDMA协议设计与实现[D];武汉大学;2017年
10 杨恒胜;操作系统调度机制的研究[D];北京交通大学;2012年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026