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《华东师范大学》 2017年
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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。
【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

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