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嵌入式实时系统中关键技术的研究

毛佳  
【摘要】:近年来,嵌入式实时系统在航空航天、军事、工业控制、仪器仪表、信息家电等行业得到广泛应用。实时系统与非实时系统之间的最大区别就是要满足处理与时间的关系。在实时系统中,系统输出的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果而且依赖于结果产生的时间。实时系统最重要的要求就是系统必须在一个事先定义好的时间限制中对外部或内部的事件进行响应和处理,我们称这个事先定义好的时间限制为截止期(Deadline)。 实时操作系统在多媒体通信、在线事务处理、生产过程控制、交通控制等各个领域得到广泛的应用,因而越来越引起人们的重视。而进程调度策略是影响系统实时性能的重要因素。因此我在此对实时进程调度进行研究。 目前实时系统的进程调度算法主要有先进先出算法(First In and First Out,FIFO)、单调速率算法(Rate Monotonic,RM)、最早截止期优先算法(Earliest Deadline First,EDF)、价值最高优先算法(Highest Value First,HVF)等。 本文是在研读Linux源代码,引入其它相关学科的理论和方法,并且参考了大量参考文献的基础上,进行深入研究的。当然本文提出的思想对其他操作系统的实时进程调度算法上有一定的使用价值及参考价值。 进程管理是操作系统最关键的部分之一,它的设计和实现直接影响到整个系统的性能。虽然目前对实时进程的调度算法已经有很多,但是大多都存在一定的缺点。 本文通过对Linux的进程调度进行分析,发现Linux关于实时进程的优先级没有涉及到实时进程的截止期和进程的紧迫性,为了增强Linux的关于实时进程的处理,本文并提出了一种优化改进调度算法。该算法以进程的重要性为 WP=116 基础,兼顾截止期内实时进程的紧迫性,建立了基于优先级数的可执行进程队列。 Linux原有的调度算法(以下称为优化前调度算法)中建立进程优先级的主要依据是进程所拥有的价值(即进程的重要性),然后系统选择优先级最高的进程进入CPU运行。Linux调度算法的实现受到CPU运行速度和负载状况的影响。作为实时系统调度算法应综合考虑进程的权值和截止期两个概念,以防止对CPU能力的不合理使用。因此本文提出新的调度算法,算法中进程的优先级数计算公式为: (1) 公式中各参数定义:vi表示进程的优先级数;wi表示该进程的价值(代表进程的重要程度);Pi表示进程的估计执行时间;di表示绝对截止期;Ti表示该进程提交时间;(d-Ti)是相对截止期,即该进程最大容忍的等待时间,在相对截止期内,这个进程就应该被执行,否则这个进程夭折;Pi/(d-Ti)我们称之为紧迫度,即这个值越大,说明从时间上看这个任务越紧迫;k是系数因子。 论文的创新主要有以下几个方面: (1)本文在对实时系统的进程调度算法进行研究的基础上,还对优先级逆转问题进行了思考,并且分析了已有的解决方案的弊端,进而提出了自己的解决方案。提出的优先级倒转的解决策略,因为其简单易于实现,而且在考虑临界区中进程优先级的前提下,能解决优先级逆转问题,因此有很高的实用价值。 (2)本文所讨论的多处理器实时系统的研究,为在一个系统中同时支持多种实时调度方法提供了可能性。首先阐述了排队论的相关概念、基本理论和研究现状,其次根据其中的调度对象的特征,提出了一种层次性调度对象模型,然后详细分析了几种有代表性的主要调度方法,重点对它们各自的随机特性和适用范围作了评价和比较,在此基础上。找出它们的若干共同之处,,阐述了这些共同点带来的启发:可以通过对随机进程和服务器性能的综合分析,在保 WP=117 证完成进程吞吐率的前提下,减少系统的总开销,从而提高系统的效率,同时明确给出了该方法的数学证明。 (3)在许多实际工程问题的计算中,经常遇到一些大型的高阶矩阵的有关计算,尤其是两矩阵相乘和方阵求逆最为常见。当矩阵阶数较高时,通常的计算过程需要占用较多的工作单元和较大的计算机内存,计算效率受到影响.随着大型的具有多处理机的并行计算机系统的发展,一些大型计算可以构造相应的并行计算方法进行并行处理,从而减少机器的工作单元,提高计算效率,节约资源。为此,对于矩阵的乘积和方阵求逆运算本文构造了一种并行算法,并给出了相应的实现步骤。 (4)研究了资源共享可能引起的死锁问题,提出了并行资源死锁结构的概念。探讨了信息资源共享时出现处理死锁问题的几种办法,提出了一种按顺序分配信息资源的简单的无死锁方法,给出了对应的任务调度管理算法,并且通过仿真实验验证了算法的有效性。 (5)研制了嵌入式超声探伤仪有小型、节能、操作方便、精度高及测量速度快等一系列优点,对嵌入式技术在缺陷检测设备中的应用研究有一定的参考价值。而且,采用状态空间平均法建立了电动机的输出角速度和PWM占空比以及电压等之间的等效模型,并基于DSP设计了嵌入式伺服控制系统,实现实时处理数据优化算法,验证了算法的有效性和可靠性,提高了系统的响应能力,硬件电路设计简单实用。文章中的模型系统具有稳定性好、响应速度快、精度较高等特点,对嵌入式伺服控制系统的研究具有一定的参考价值。 嵌入式实时系统是计算机界比较关注的问题,实时


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