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《电子科技大学》 2009年
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任务关键实时系统的可信感知调度研究

江维  
【摘要】: 任务关键实时系统(Mission-Critical Real-time System, MCRTS)已广泛应用于航天航空、武器装备、核电控制、工业控制、汽车电子、金融政务、电力网格等诸多国家关键信息领域。高可信是确保MCRTS成功运行的必要需求,因为不可信的MCRTS必然对国家和人类社会生活带来严重的威胁,甚至危及生命财产和破坏生存环境。随着任务关键实时应用的不断扩展,能量有效、可靠、安全等可信因素已成为制约MCRTS发展的重要因素,设计高可信实时系统已经成为实时系统发展的必然趋势。实时调度算法是保障MCRTS的实时性和可信性的最重要手段之一,是当前实时系统的研究热点。通过将既有实时调度方法和任务可信性增强机制相结合的系统级调度,无疑将是可信实时系统优化设计的有效策略。 本文以设计实时任务调度算法为导向,对当前实时调度算法进行了系统、全面的分析,指出增强任务关键系统可信性的实时调度研究还没有得到足够重视,并且没有系统整体行为级的统一调度观念。本文分析了当前增强任务可信性的措施,提出了实时调度层面的可信感知调度框架。在此基础上,面向低能耗、高可靠、高安全的任务关键实时应用,设计了不同的解决方案,重点解决了四个调度问题:能量感知的单机实时任务调度,分布式独立任务的可靠性感知能量有效调度,安全感知单机实时任务的风险驱动调度和能量受限的安全感知分布式协作任务的映射和调度。本文的主要贡献和创新之处在于: (1)在全面地分析、总结当前实时调度算法和任务可信性增强机制的基础上,提出了系统级的可信感知应用架构DAAA,并在DAAA的任务管理核心层设计了全新的可信感知实时任务调度框架DARTSF。DAAA从系统层面将任务关键应用和嵌入式系统运行平台紧密地连接起来,而DARTSF则是一种灵活通用的调度框架,将实时、能量有效、可靠和安全的任务调度有效的融为一体。 (2)针对简单但广泛存在的单机实时应用,提出了一种能量消耗最少的实时任务调度算法。建立了有限时间内服务多个用户的实时系统应用模型,设计了多项式时间复杂度的懒惰调度机制,并证明了该调度算法的最优性。 (3)面向任务关键分布式系统,提出了一种可靠感知和能量感知的实时任务调度算法。基于动态电压调整、任务重复执行和完美接纳控制机制,该算法能够在不牺牲任务的可靠性和实时约束前提下,在线最小化系统到达任务的能量消耗。结合局部松驰回收机制,该算法在维持任务可靠性目标的情况下,可进一步降低系统能耗、任务拒绝率等性能指标。 (4)为支撑安全关键的单机实时应用,提出了一种安全风险驱动的任务调度方案。建立了基于安全风险的任务安全质量模型,并在分析实时任务可调度性的基础上,分别设计了基于处理器利用率的、系统安全风险最小的周期任务调度算法ASRMA和非周期任务在线调度算法RSTS。所提算法均是基于动态规划的近似算法,在不违背任务的实时约束和安全约束的前提下,可在全多项式时间复杂度内得到安全性能确保的次优解。 (5)针对安全关键异构分布式系统,提出了一种安全感知和能量感知的实时任务映射调度算法SEATMS。建立了面对多类安全威胁的任务安全风险模型,并基于Bottom Up策略,设计了一种具有多项式时间复杂度的三阶段启发式映射调度机制。SEATMS能够在满足安全关键分布式协作任务的实时约束和能耗约束的前提下,尽可能地降低系统的安全风险。与其他算法相比,SEATMS在低安全风险、实时确保和能量预算确保方面具有明显优势。 目前,国内外对可信计算的研究正在如火如荼地进行着,然而在任务调度层次提高实时系统可信性的研究还处于发展初期。本文对可信感知实时任务模型与调度算法进行了深入的研究和探索,为增强MCRTS可信性做出了有益的贡献。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TP309

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