嵌入式系统2014---5-硕士课程-实时系统课件.ppt
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1、 实时理论实时理论浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心1实时系统概述实时术语实时系统概述实时术语p作业(job)n能够被系统调度和执行的工作单元p任务(task)n共同提供某种系统功能的一组相关作业p活动资源(active resource)n作业执行时占用的资源:比如CPU、网络、磁盘p释放时间(release time)n在这一时刻,作业可以开始执行p时限(deadline)n作业必须在给定的时间点之前完成,这一时间点即是时限p响应时间(response time)n作业从释放到完成的时间长度p相对时限(relative deadline)n作业的最大允许响应时
2、间p绝对时限(absolute deadline)n作业的释放时间加上相对时限p定时约束(timing constraint)n对作业的定时行为所施加的约束浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心实时系统概述定时约束实时系统概述定时约束p对于一个给定的时限,如果计算任务没有完成,有三种情况:p强定时约束n当不能满足定时约束或时限被认为是致命错误时,这个定时约束就是强定时约束p弱定时约束n同样希望作业的执行延迟n个别弱时限的延迟不会造成严重的后果n随着延迟的作业的增多,系统整体性能会变差价值价值时限时限时限价值浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心
3、心实时系统概述实时系统定义实时系统概述实时系统定义pPOSIX 1003.b定义n指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务p一个实时系统必须满足下列条件n计算机必须在一个给定的时间期限之前完成计算任务p硬实时系统n如果计算机没有能够及时的交付计算结果,那么由这个计算机控制的系统就会发生灾难性的后果n具有强定时约束p软实时系统n对计算任务有时限要求,但该时限要求的延迟不会引起严重的后果n一般不需要证明系统确实满足实时性能要求n具有弱定时约束n当系统对其他方面的要求更高时,比如对于服务质量要求更高时,可能一个具有苛刻定时要求的系统也是一个软实时系统,比如系统的开销和可用性的要求浙浙 江江 大
4、大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心2实时系统参考模型处理器和资源实时系统参考模型处理器和资源p处理器n活动资源被称为处理器n如果两个处理器功能相同并且可以交换使用,那么就可以认为它们是同一类型p例如:对称多处理器系统中的多CPUn通常在关注作业调度,同步和处理器利用率时,不区分处理器类型p资源n被动资源n如内存、序列号、信号量和锁浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心实时系统参考模型时间参数实时系统参考模型时间参数p通常假定强实时作业和任务的许多参数总是已知的n例如系统中任务的个数p在许多嵌入式系统中,只要系统处于一种操作模式下,其任务个数就是固定的p
5、当系统的操作模式改变时,任务个数也会改变,在新模式下的任务数也应该是已知的n对于任务个数会改变的系统,系统必须维护所有已有强实时任务的信息,包括个数p作业的参数n时间参数:说明作业的定时约束和行为n互连参数:描述作业如何依赖于其他作业以及其他作业如何依赖于它n功能参数:说明作业的内在属性n资源参数:说明其资源要求浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心实时系统参考模型时间参数(实时系统参考模型时间参数(2)p释放时间、绝对时限与相对时限都是时间参数n用ri,di,Di表示p作业的可行间隔n作业Ji的释放时间和绝对时限之间的时间间隔(ri,di)p释放时间抖动(relea
6、se-time jitter)n假设ri在一定范围ri-,ri+内波动pri-:最早释放时间pri:最晚释放时间n如果每个作业的实际释放时间可以用其最早或者最晚释放时间近似代替,则说作业有固定的释放时间p释放时间间隔(interrelease time)n作业流中两个连续作业的释放时间的间隔浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心实时系统参考模型时间参数(实时系统参考模型时间参数(3)p偶发作业(sporadic job)或非周期作业(aperiodic job)n某些作业的释放时间在出发它们的事件发生之前是不知道的n随机时刻释放n随机分布的概论A(x):作业的释放时间
7、在x或者x之前的概率p到达时间(arrival time)或者到达时间间隔(interarrival time)n当一个非周期作业释放时称为到达nA(x)是到达时间分布或者到达时间间隔分布浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心实时系统参考模型时间参数(实时系统参考模型时间参数(4)p执行时间ein在Ji独自执行并且其所需要的资源都具备的情况下,完成Ji的执行所需要的时间n取决于在作业的复杂度和处理器速度,与作业如何调度无关p完成任务需要的实际时间会发生变化nei在范围ei-,ei+pei-:Ji的最小执行时间pei+:Ji的最大执行时间n通常假定所有强实时作业的ei-
8、和ei+都是已知的n实际执行时间是未知的浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心实时系统参考模型周期性任务模型实时系统参考模型周期性任务模型p周期性任务模型n适用于确定性工作负荷n准确性会随着释放时间抖动的增加以及执行时间的变动而变弱p周期任务(period task)n如每个计算或者数据传输按照规则的或者半规则的时间间隔反复不断的执行,以便为系统提供某个功能,就将之建模为周期任务n周期任务是一系列的作业Tip对于Tin周期pip是Ti中相连的作业的释放时间间隔之中的最小长度n执行时间(execution time)eip是Ti中所有作业的最大执行时间浙浙 江江 大大
9、学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心实时系统参考模型周期性任务模型(实时系统参考模型周期性任务模型(2)pTi的相位n每个任务Ti的第一个作业Ji,1的释放时间ri,1n定义为i=ri,1n具有相同相位的任务称为同相p超周期(hyperperiod)nH表示pi的最小公倍数,超周期即为长度为H的时间间隔n每个超周期中作业(最大)个数N为n对于周期为3、4、10的三个周期任务,超周期长度为60,N=41p任务Ti的利用率uin周期为pi,执行时间为ei的完全周期性任务保持处理器忙的时间比率nui=ei/pip总利用率n系统中所有任务的利用率之和浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式
10、研研 发发 中中 心心实时系统参考模型周期性任务模型(实时系统参考模型周期性任务模型(3)p在t时刻释放的Ti中的作业必须在t之后的Di个时间内完成n经常假定,对所有的任务,每个作业在每个周期的开始都是释放的、就绪的并且必须在周期结束之前完成pDi可以取任意值,并且可以小于pip非周期任务n任务中的作业要么是弱时限的要么没有时限p对于模型中的非周期任务,作业的执行时间也是同样的随机分布变量n服从概率分布B(x)浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心实时系统参考模型优先约束和数据依赖实时系统参考模型优先约束和数据依赖p作业间的数据和控制依赖关系可能限制了作业的执行次序p
11、优先约束(precedence constraints)n如果要按照某种次序限制作业的执行,称作业具有优先约束n如果作业可以按照任意次序执行,称作业是独立的(independent)p优先次序关系(precedence relation)n作业之间的先后约束关系n如果Jk在Ji执行完成之前不能开始执行,则称Ji是Jk的前任(predecessor),Jk是Ji的后继(successor)n用偏序关系表示为JiJkn如果JiJk并且没有其他作业Jj使得JiJjJk,则称Ji是Jk的直接前任(immediate predecessor),Jk是Ji的直接后继(immediate successor
12、)n如果Ji和Jk既没有关系JiJk,也没有关系JkJi,则它们是独立的p就绪(ready)n当一个有前任的作业在其释放时间或者释放时间之后,且其所有的前任都已经完成,该作业才能就绪浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心实时系统参考模型优先约束和数据依赖(实时系统参考模型优先约束和数据依赖(2)p前趋图(precedence graph)n采用有向图表示的优先约束关系n顶点对应于作业,有向边对应于优先约束关系p任务图(task graph)n扩展了的前趋图n顶点表示作业,用一对数字来表示它们的可行间隔,边表示作业间的依赖关系p数据依赖n如果作业Jk消费Ji所产生的数据
13、或者作业Ji向Jk发消息,则产生数据依赖浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心实时系统参考模型其他依赖关系实时系统参考模型其他依赖关系p时间依赖关系n时间距离(temporal distance)p两个作业完成时间的差值p如果要求两个作业之间的时间距离不能超过某个有限值,则称它们有时间距离约束pAND/OR优先约束n如果一个作业必须等待所有直接前任作业的完成,这样的作业称为AND作业,依赖关系为AND优先约束n如果一个作业的一个或者一些直接前任已经完成,那么只要此作业在释放时间或者释放时间之后就可以开始执行,这样的作业称为OR作业浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式
14、式 研研 发发 中中 心心实时系统参考模型功能参数实时系统参考模型功能参数p抢占(preemption)n当更紧急作业到达时,当前执行的任务被暂停,处理器被交给更紧急的作业,当更紧急的作业完成后,处理器再返还给原先的任务恢复执行n如果一个作业的执行在任何时候都可以被挂起以便让给其他作业执行,随后又可以在挂起点被恢复执行,则该作业是可抢占的(preemptable)n如果一个作业必须从头到尾的执行,中途不能中断,则称该作业是不可强占的(nonpreemptable)p作业的重要性(importance)n一个用于指明作业相对于其他作业的重要性的整数n作业越关键,重要性越大浙浙 江江 大大 学学
15、嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心实时系统参考模型任务的资源参数和资源的参数实时系统参考模型任务的资源参数和资源的参数实时系统参考模型任务的资源参数和资源的参数实时系统参考模型任务的资源参数和资源的参数p资源的抢占性n资源是可抢占的n如果限制一个资源的每个单元必须串行使用,则该资源为不可抢占的p采用资源图表示资源的配置n所有的处理器和资源都有顶点对应n顶点的属性是资源的参数p资源的类型p资源数量n边表示资源之间的关系浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心实时系统参考模型调度等级实时系统参考模型调度等级p调度程序(scheduler)n根据所选择的一组调度算法和资
16、源访问控制协议来对作业进行调度和资源分配,实现这些算法的模块称为调度程序p调度的正确性(correctness)n调度程序产生唯一有效的调度p可行调度(feasible)n如果所有的作业按照其时限完成,称为可行调度p可调度的(schedulable)n如果使用一个调度算法,调度程序总能产生可行调度,则称根据此调度算法的作业集合是可调度的p最优的(optimal)n当给定作业集合有可行调度时,如果一个强实时调度算法,总能产生可行调度,则此调度算法是最优的p作业的延迟n作业的完成时间与时限的差p作业提前完成,延迟就是负值p作业完成晚了,延迟就是正值浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发
17、发 中中 心心3实时调度算法时钟驱动调度实时调度算法时钟驱动调度p时钟驱动(clock-driven)n是指在系统开始执行之前,选择一些特定的时刻,在这些时刻决定哪一个作业在何时执行p在典型的使用时钟驱动调度方法的系统里,所有强实时作业的参数都是固定的并且是已知的n作业的调度表脱机计算并被保存,在运行时使用n调度程序在每一个调度决策时刻调度作业运行n运行时开销可被最小化p适用于基本具有可确定性的系统n在可确定性的框架下还可以存在少量非周期作业和偶发作业浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心实时调度算法基于优先级调度实时调度算法基于优先级调度p基于优先级的调度n不事先计
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