实时操作系统中实时调度算法及其资源管理的研究

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1、沈阳工业大学硕士学位论文1绪论实时系统在工业、商业和军事等领域都有非常广泛的用途，并且己经有很多实际的应用。近年来，实时系统在航空航天、军事、工业控制、仪器仪表、信息家电等行业都得到广泛应用，例如：机械制造业、铁路及机场调度、核电站及化工过程监控以及计算机多媒体信息处理等。它已成为人类社会生活中不可缺少的部分。实时系统通常比较复杂，系统的正确性不仅依赖于计算的逻辑结果而且依赖于结果产生的时间。实时任务与常见的只要求逻辑正确性的计算任务之间的最大不同之处就是要满足处理与时间的关系。它经常要处理很多并发事件的输入数据流，这些事件的到来次序和几率通常是不可预测的，而且还要求系统必

2、须在事先设定好的时限内做出相应的响应。因此，与常见的分时系统(如wind佣s，Unix和Linux等的系统)相比，实时系统的设计有着更复杂的和不同的考虑因素。一般分时系统的目标是充分发挥计算机的性能，提高其效率，而实时系统的目标主要是保证系统响应的及时性。1．1本文的提出背景1．'．1实时系统概述关于实时系统的概念，有很多种定义．其中比较有代表性的是以下两种：一种是《oxfordDicti∞a巧ofC伽puter》(牛津计算辞典)给出的如下定义：实时系统是指那些产生输出的时间至关重要的系统。这通常是因为输入对应于外界的某个运动，而输出又必须与同一运动相关．自输入时刻到输出时

3、刻的时间滞后必须充分小，以达到可接受的及时性【¨。这里的“及时性”这个词要在整个系统的背景中加以考虑。例如在导弹制导系统里，输出要求在几个毫秒之内，而在一个计算机控制的汽车装配线上，响应可能只要求在一秒之内。另一种是JollIlA．S伽墩d“c给出的一个更加清晰、更加被普遍接受的定义：在实时系统中，计算任务的正确性不仅仅依赖于计算结果逻辑上的正确性，而且还依赖于计算结果产生的时间【2】。实时系统中实时调度算法及其资源管理的研究可见，仅仅有正确的输出结果是不够的，输出结果还必须在一个特定的时间间隔内到来。所以，实时系统是与时问约束紧密相关的。通常，实时系统对特定输入做出反应的

4、速度要足以控制发出实时信号的对象：或者，系统能够及时响应外部时间的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有的实时设备和实时计算任务协调一致的运行四。实时系统的典型应用有：雷达系统中的数据信息处理、飞行器控制系统、交通指挥系统等，这类系统共同特点是需要在规定的时限内完成任务。随着计算机硬件的发展，人们对实时系统在性能和安全等方面均提出了更高的要求。根据需求，通常将实时系统分为硬实时(Hard鼬a1．Time)和软实时(s硪ReaI．砸me)系统．硬实时系统中，强制要求任何一个行为动作都要在规定的截止期之前完成，否则将会使整个系统失败。这些失败包括仪器设备的毁坏，财产

5、的严重损失，甚至还可能使系统使用者受伤甚至死亡。一个典型的硬实时系统的例子是飞机控制系统，如果该控制系统不能在一定的时间限制内对最近发生的事件做出快速而准确的反应，必将会导致飞行不稳定，从而有可能造成飞机失事等恶性事件发生．相反，软实时系统虽然也有时问限制，但通常情况下偶尔错过几个截止期产生的负面影响不致于引起灾难性的后果，整个系统的功能还是能够实现，只是系统性能有所下降。比如航行控制系统，系统需要周期性地测量出当前的运行速度，从而根据控制算法得出相应的控制策略。假设在某一个采样点(对时间而言)的运行速度没能及时检测，系统仍然可以使用一些历史值来得出控制策略。因为航行速度是

6、不会突变的，上一次的采样点和这次的采样点的值相差并不大，所以使用上一次的采样值来代替这次的采样值是可行的。相反，如果在几个连续的采样点都没有采到正确的速度值，可能会使得系统失控，因为多个采样点的速度值可能会有很大的变化．1．1．2实时系统特性除了时间上的约束外，实时系统还具有一些区别于其它系统的特征，在文献【4】中总结了以下几方面的特征：(1)大且复杂。实时系统必须对现实世界的事件做出及时响应，因此必须提供同这些事件关联的多样性。为了应付现实世界中不断变化的需求而重新设计或重新编制软沈阳工业大学硕士学位论文件的成本是高昂的，所以在实时系统的生命周期中要进行不断的维护和增强，

7、并且必须是可扩充的。(2)可预测性。可预测性是涵盖了时间约束的一种更抽象的特性。实时系统对于外部的输入必须是完全可预测的，即使是在最坏的情况下表现出来的行为也应该在系统预先定义的范围之内。(3)可靠性和容错性。由于被广泛应用在社会生产和生活的关键领域中，因此实时系统对可靠性要求非常高。实时系统运行时产生的错误代价非常高昂，包括产品流失、设备损坏甚至人员伤亡等。因此开发者必须最大限度的保障软件本身的正确性。此外多数实时系统需要被设计成容错的，即在系统的一部分出现错误的情况下尽可能地限制它造成的损失。(4)并发，并行控