本文關(guān)鍵詞：支持時序可預測的實時操作系統(tǒng)模型研究

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【摘要】：信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems, CPS)對計算過程和物理過程進行了深度融合,具有很強的自適應(yīng)能力、自動化程度、可靠性、安全性以及可用性,已經(jīng)成為學術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點。相比于傳統(tǒng)的實時系統(tǒng),信息物理系統(tǒng)對時間安全性和可組合性有更高的要求。同時,由于信息物理系統(tǒng)具有并發(fā)、異構(gòu)、交互和分布式等特性,提高系統(tǒng)的可預測性成為了保證信息物理系統(tǒng)安全性和可組合性的基礎(chǔ)條件之一。因此,本文圍繞可預測性的形式化定義和實時操作系統(tǒng)可預測性兩個問題進行研究。首先,提出信息物理系統(tǒng)的時序可預測性的形式化定義：本文通過對信息物理系統(tǒng)特性和需求的分析,提出時序可預測性的概念,即信息物理系統(tǒng)的輸入、計算和輸出行為都需要具備時間和順序的可預測性；然后,通過分析各個行為屬性不確定性的來源,提出了各個行為屬性時序可預測性的形式化定義,以及相關(guān)衡量指標的計算方法。對時序可預測性的形式化定義為本文后續(xù)實時操作系統(tǒng)的可預測性研究奠定了基礎(chǔ)。然后,提出支持時序可預測性的實時操作系統(tǒng)模型——可預測的服務(wù)體執(zhí)行流模型(Predictable Servant/Executive-Flow Model, PSEFM):(1) PSEFM基于服務(wù)體(Servant)和執(zhí)行流(Executive Flow)兩個基本的抽象,通過交匯服務(wù)體(Rendezvous Servant, R-Servant)和同步服務(wù)體(Synchronous-Servant, S-Servant)將任務(wù)的不確定性過程和確定性過程分離,以便顯式表達任務(wù)的不確定性,從而為以可預測的方式處理不確定過性程提供便利。(2)本文在邏輯執(zhí)行時間(Logical Execution Time, LET)模型的基礎(chǔ)上,提出SubLET模型以約束S-Servant的時間行為；然后,提出將LET模型與離散事件(Discrete Event, DE)模型結(jié)合的方法對PSEFM中的R-Servant進行時序約束,使得R-Servant能夠在運行時支持S-Servant的時間約束；然后,提出并發(fā)事件的排序機制和基于截止時間的并發(fā)服務(wù)體排序方法,從而提高R-Servant事件處理過程的時序可預測性；最后,根據(jù)PSEFM各個抽象的時序約束,提出事件安全性檢查策略,從而保證事件得到安全的處理。(3)執(zhí)行流是物理計算單元的抽象,PSEFM將執(zhí)行流視為擁有物理時間的獨占性資源。在此基礎(chǔ)上,本文結(jié)合同步服務(wù)體和交匯服務(wù)體的時序約束,提出多核系統(tǒng)中執(zhí)行流的引流策略,以提高處理器資源分配的可預測性。最后,本文基于PSEFM的抽象,提出并實現(xiàn)支持時序可預測性的實時操作系統(tǒng)框架——PsefmOS。實驗表明,PsefmOS中R-Servant的執(zhí)行效率高于現(xiàn)有的用于支持LET模型的EMachine的執(zhí)行效率。進一步,本文基于PSEFM設(shè)計實現(xiàn)一個無人機自主飛行系統(tǒng)測試程序PapaBench,以衡量PSEFM的有效性和具有時序可預測性的系統(tǒng)的優(yōu)勢。實驗表明,與基于線程模型構(gòu)建的系統(tǒng)相比,基于PSEFM構(gòu)建的系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：(1)在運行時能夠支持設(shè)計時的時序語義,并且表現(xiàn)出更高的時序可預測性；(2)在實際運行時,可以達到更高的處理器實際利用率實際最小上限；(3)在可調(diào)度的前提下,系統(tǒng)中任務(wù)的執(zhí)行時間和任務(wù)數(shù)量增減對任務(wù)響應(yīng)時間的影響更小,從而體現(xiàn)出更好的可組合性。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP316.2

【參考文獻】

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1 吳明橋;陳香蘭;張曄;龔育昌;;一種基于服務(wù)體/執(zhí)行流的新型操作系統(tǒng)構(gòu)造模型[J];中國科學技術(shù)大學學報;2006年02期

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本文編號：1274268