CN104793989A - 用于混合临界应用的方法和轻量机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于混合临界应用的方法和轻量机构。一种系统和方法，用于调度多个混合临界性软件应用在相同处理器上的执行。该方法把较高临界但较低运行速率的软件应用分成多个节段，这样，分开的节段促使较低速率应用具有较高速率，从而它们在较低临界软件应用之前运行。替代地，该方法增加较低临界但较高频率软件应用的长度，这样，该软件应用具有比较临界应用更低的频率，从而该较临界应用具有较高优先级。

Description

用于混合临界应用的方法和轻量机构

技术领域

本发明总体上涉及用于在公共处理器上调度混合临界软件应用的系统和方法，更具体地涉及用于在公共处理器上调度谐波混合临界软件应用的系统和方法，其中，应用优先级是基于执行频率，并且其中，具有较低执行频率的较高临界的应用被分成多个分段以提高它们的执行频率和优先级，或者，具有较高执行频率的较低临界的应用被延长以降低它们的执行频率和优先级。

背景技术

当代的车辆采用各种嵌入式电子控制器，它们提高车辆的性能、舒适性、安全性等等。 这样的控制器包括发动机控制器、悬架控制器、转向控制器、动力传动系控制器、气候控制控制器、信息娱乐系统控制器、底盘系统控制器等等。这些控制器通常需要特殊用途软件和算法以执行它们的控制功能。

车辆电子控制器的当前趋势是为不同功能提供多个软件应用在公共控制器上运行。 例如，自适应巡航控制（ACC）系统、车道对中系统、车道保持系统、稳定度控制系统等等都是技术中已知的，它们在一些形势下都自动地控制车辆转向和/或制动。 这些系统时常采用相同传感器输入及其它变量，有时称为全局变量，当它们存储在存储器中时能被一个以上的软件应用所使用。 例如，ACC系统在其运行在处理器上期间可以把传感器数据写入控制器存储器中，车道对中系统在其运行在处理器上期间可以把数据写入其软件中。 因此，在像这些的许多情况下，在相同处理器上运行多个软件应用是讲得通的。

提供在公共控制器上运行的多个相关软件应用对于减少系统硬件和成本具有明显的优势。 然而，在相同处理器上运行不同的软件应用增大了控制器的复杂度，归因于运行不同软件应用和防止这些软件应用相互干扰所需的调度。 当车辆OEM在已经具有由供应商提供的软件的控制器上提供更多的软件时，这样的在单处理器上运行的混合用途应用进一步增大了复杂度。

在大多数情况下，运行在单处理器上的不同软件应用给将具有混合临界性，即，这些应用将相对于彼此具有较高或较低级别的重要性以提供安全性、便利性等等。对于这些类型的系统，调度每个软件应用的执行的调度算法可以把这些应用的运行交错在一起，其中，一个软件应用的一部分运行，但是可能没有完成而停止，使得另一应用能够在处理器上运行。

运行混合临界软件应用的处理器的调度机将通常指定具有最高执行频率或时段的软件应用，这意味着它执行得最频繁，最高优先级。 特别地，混合应用共享资源系统中的调度机使它们的优先级基于运行频率，因为，这样的技术是最常用的调度技术以确保所有应用将在它们下一次执行运行的开始时间之前完全执行。 因为调度优先级是根据执行频率分配的，较高临界但具有较低优先级的应用将被较低临界但具有较高优先级的应用取代，此时，它们的执行在时间上有干扰，有时称作临界性反演问题。 更特别地，尽管最高频率软件应用可能不是最临界应用，但是，当前软件调度机会允许具有最快执行频率的软件应用优先于较临界软件应用，如果这两个应用被调度为在相同时间运行。 例如，运行在处理器上的特定软件应用可以被要求非常快速地运行，从而满足它的特定功能，此时，这个功能可以不必是过分重要或临界的。 更临界软件应用例如稳定度控制算法可能只须在较慢速度下运行。

不同的技术在领域中已知以有效地允许混合临界性软件应用运行在单处理器上，因此，较临界较低优先级软件应用不被较不临界较高优先级软件应用取代。 一种已知的技术称作双优先级调度（DPS），其中，运行在处理器上的每个应用被分配两个优先级，一个优先级由这个软件应用的临界程度来决定，另一个优先级由这个软件应用需要执行得的频繁程度来决定。 根据此，在运行时间上有两个执行模式，即，根据速率的正常执行模式和根据临界性的过载执行模式。 然而，DPS具有许多缺陷，包括非常高的运行时间开销(overhead)。 在另一已知的技术中，称为零-松弛速率单调（ZSRM），每个应用具有用于正常运行和过载运行的执行次数。 调度是用临界应用的最近开始时间计算，以完成其过载计算。 然而，ZSRM需要不同的执行时间，这可能导致许多调度变化，需要高成本用于测试和验证。

发明内容

下面的内容描述了一种系统和方法，用于调度多个混合临界性软件应用在相同处理器上的执行。 该方法把较高临界但较低运行速率的软件应用分成多个节段，这样，分开的节段促使较低速率应用具有较高速率，从而它们在较低临界软件应用之前运行。 替代地，该方法增加较低临界但较高频率软件应用的长度，这样，该软件应用具有比较临界应用更低的频率，从而该较临界应用具有较高优先级。

本发明提供下列技术方案。

技术方案1. 一种用于调度多个混合临界性软件应用在共用处理器上的执行的方法，所述软件应用是谐波的并且具有规定的执行频率，所述方法包括：

       从该多个软件应用中确定第一软件应用的临界性；

       从该多个软件应用中确定第二软件应用的临界性；

       确定第一软件应用的临界性高于第二软件应用的临界性；

       确定第一软件应用的执行频率低于第二软件应用的执行频率；

       把第一软件应用分成预定数量的节段以增大第一软件应用的执行频率，从而使第一软件应用的执行频率同于或大于第二软件应用的执行频率；以及

       执行该多个软件应用，包括根据由执行频率确定的优先级在不同时间执行这些节段。

技术方案2. 如技术方案1所述的方法，其中，所有节段具有相同长度。

技术方案3. 如技术方案1所述的方法，其中，至少两个节段具有不同的长度。

技术方案4. 如技术方案1所述的方法，其中，所有节段在与第一软件应用分段之前的时段相同的时段内执行。

技术方案5. 如技术方案1所述的方法，其中，执行多个软件应用包括分配具有相同执行频率的软件应用给公共任务调度机并且在该调度机中按优先级排列这些软件应用的执行，其中，按优先级排列这些软件应用的执行包括按优先级排列这些节段。

技术方案6. 如技术方案5所述的方法，其中，执行多个软件应用包括提供具有位序列的位向量，其控制着软件应用或节段何时将执行，其中，1位促使下一优先级应用或节段执行，0位阻止下一优先级应用或节段执行。

技术方案7. 如技术方案1所述的方法，其中，多个软件应用控制车辆功能。

技术方案8. 一种用于调度多个混合临界性软件应用在共用处理器上的运行的方法，所述软件应用都是谐波的并且具有规定的执行频率，所述方法包括：

       从该多个软件应用中确定第一软件应用的临界性；

       从该多个软件应用中确定第二软件应用的临界性；

       确定第一软件应用的临界性高于第二软件应用的临界性；

       确定第一软件应用的执行频率低于第二软件应用的执行频率；

       增大第二软件应用的长度以减小第二软件应用的执行频率，从而第二软件应用的执行频率同于或小于第一软件应用的执行频率；以及

       根据由执行频率确定的优先级执行该多个软件应用。

技术方案9. 如技术方案8所述的方法，其中，执行多个软件应用包括分配具有相同执行频率的软件应用给公共任务调度机并且在该调度机中按优先级排列这些软件应用的执行。

技术方案10. 如技术方案9所述的方法，其中，执行多个软件应用包括提供具有位序列的位向量，其控制着软件应用何时将执行，其中，1位促使下一优先级应用执行，0位阻止下一优先级应用执行。

技术方案11. 如技术方案8所述的方法，其中，多个软件应用控制车辆功能。

技术方案12. 一种用于调度多个混合临界性软件应用在共用处理器上的执行的系统，所述软件应用是谐波的并且具有规定的执行频率，所述系统包括：

       用于从该多个软件应用中确定第一软件应用的临界性的装置；

       用于从该多个软件应用中确定第二软件应用的临界性的装置；

       用于确定第一软件应用的临界性高于第二软件应用的临界性的装置；

       用于确定第一软件应用的执行频率低于第二软件应用的执行频率的装置；

       用于把第一软件应用分成预定数量的节段以增大第一软件应用的执行频率从而使第一软件应用的执行频率同于或大于第二软件应用的执行频率的装置；和

       用于执行该多个软件应用的装置，包括根据由执行频率确定的优先级在不同时间执行这些节段。

技术方案13. 如技术方案12所述的系统，其中，所有节段具有相同长度。

技术方案14. 如技术方案12所述的系统，其中，至少两个节段具有不同的长度。

技术方案15. 如技术方案12所述的系统，其中，所有节段在与第一软件应用分段之前的时段相同的时段内执行。

技术方案16. 如技术方案12所述的系统，其中，用于执行多个软件应用的装置分配具有相同执行频率的软件应用给公共任务调度机并且在该调度机中按优先级排列这些软件应用的执行，其中，按优先级排列这些软件应用的执行包括按优先级排列这些节段。

技术方案17. 如技术方案16所述的系统，其中，用于执行多个软件应用的装置提供具有位序列的位向量，其控制着软件应用或节段何时将执行，其中，1位促使下一优先级应用或节段执行，0位阻止下一优先级应用或节段执行。

技术方案18. 如技术方案12所述的系统，其中，多个软件应用控制车辆功能。

本发明的更多特征通过下列描述和所附权利要求连同附图将变得更明显。

附图说明

图1是车辆的图，包括电子控制单元（ECU），其具有运行多个混合临界性软件应用的单处理器；

图2是时间线图，示出运行在公共控制器上的多个混合临界性软件应用；

图3是时间线图，示出低临界性高执行频率软件应用和高临界性低执行频率软件应用；

图4是时间线，示出图3所示的高临界性软件应用被分成段以具有与低临界性软件应用相同的执行速率；

图5是时间线，示出了图4中所示的低临界性软件应用将执行的时间； 和

图6是某一调用速率的任务结构图。

具体实施方式

本发明的实施例的下列论述专注于用于调度公共处理器上的混合临界性软件应用的系统方法，它们本质上仅仅是示例性的，决不意图限制本发明或其应用或用途。

图1是车辆12的图，包括电子控制器（ECU）14，其具有共用软件16并且运行多个混合临界性软件应用18。  共用软件16包括处理器、存储器、输入/输出设备、通信链路等等，并且软件应用18可以包括数据、函数等等。 车辆12可以包括许多这样的ECU，它们控制车辆12的不同操作并且可以从多个来源接收数据，例如传感器和检测器20和22，代表着车辆12上的任何类型的适当检测装置。

图2是时间线30的示图，示出上文提到的临界性反演问题，其中时间线30限定了时段T、2T、3T和4T。 示图30表明两个软件应用，其中，一个应用由在下线上的块32代表，另一个应用由在上线上的块34代表，并且，软件应用32和34运行在公共处理器上。 块32和34都代表着软件应用的一个完整执行。 如所示，软件应用32每隔时段T执行一次，软件应用34每隔时段2T执行一次。

软件应用执行速率被设定为预定间隔，例如2.5毫秒、5毫秒、10毫秒、20毫秒、40毫秒等等，其中，执行应用所花的时间小于这个速率的下一执行间隔。 每个间隔的每个执行时间在本文称作调用。 因为软件应用32具有较高执行频率，因此在调度过程中它被指定了较高优先级。 因为软件应用32具有较高优先级，因此，在应用32运行时间期间，在时间T处它的第二次调用阻止软件应用34在处理器上运行，由打点的框36表示。 在较高优先级软件应用32已经结束运行之后，那么，较低优先级软件应用34将继续，但是，由于它的重要性或临界性，在它没有运行时可能出现问题。 另外，应用32在时间2T的第三次调用可能经历执行时间差，归因于其它系统行为，例如高速缓存缺失、流水线停顿等等，并且花费更长时间来完成，如所示。 对于应用34在时间2T的第二次调用，因为较高优先级软件应用32取代软件应用34的运行，软件应用34的执行延长超过时间4T，这干扰此后它的下一执行时间。

本发明提出，对运行在共用处理器上的选定软件应用采用时段变换以改变特定软件应用的执行频率或执行速率而改变它的优先级。 时段变换能够由两条路径来实现，即，减小过程，其中，特定软件应用被分成节段以增大它的执行频率，或延长，其中，特定软件应用被延长以降低它的执行频率。 对于时段变换减小，那些具有较高临界性但较低执行频率并且是谐波（即以固定速率运行）的软件应用被分成两个或更多节段，从而整个软件应用不是同时执行，但是，把应用分成节段导致其时段或速率增大，使得，它具有较高执行频率并因此具有较高优先级。 为了完成这个，每个应用需要由能够以具有一定量时间延迟的误差执行的多个功能组成。

在一个实施例中，应用调度机包括预定数量的优先级时间片（slot），它们导致具有相同优先级即相同执行频率的软件应用按照预定顺序执行。 换句话说，每个应用执行频率例如2.5毫秒、5毫秒、10毫秒等等都具有它自身的任务调度机，限定出按照应用执行的递减顺序的预定数量的时间片，其中，较高临界性应用能够在时间片顺序中放置得较高，使得它们执行得更早。 因此，通过把具有与较低临界性软件应用相同的频率的较高临界性软件应用放置在调度机上的时间片顺序中的较高位置，较高临界性应用能够首先执行。 被分成节段的特定软件应用能够被分成任意数量的节段，这允许功能被分开，只要这个应用保持谐波并且在软件应用的下一运行的执行时间之前完成。

在运行时间中，控制器保留变量以追踪每次变换任务的调用。 能够使用移位运算以减少RAM开销。 例如，如果50毫秒软件应用任务具有与12.5毫秒软件应用任务相同的临界性，那么，该50毫秒任务能够被分成四个节段，从而使两个任务具有相同的临界性，这允许它们的优先级被如上所述选择。 每个特定应用的节段的大小以一种方式决定，从而没有调用违反系统的调度能力。 对于任务级别，该处理过程分配哪个功能在哪个调用中执行。 例如，1,0,0,0位序列的功能执行过程意味着整个应用或节段在第一个12.5毫秒调用中执行，在第二、第三和第四调用中没有，1,0,1,0的执行位序列意味着任务的第一节段在第一调用中执行并且任务的第二节段在第三调用中执行。

时段变换减小的上述技术在图3-5中解释，分别示出时间线40、50和60。 在时间线40，由块42表示的较低临界性软件应用具有的速率是每隔时段T运行一次，由块44表示的较高临界性软件应用具有的速率是每隔时段2T执行一次。 如上所述，如果它们的执行在时间上有干扰，那么软件应用42将具有较高优先级并且取代软件应用44的执行。 时间线50示出时段变换减小，在此，软件应用44被分成由块52和54表示的两个节段，在此，块44中的整个软件应用被包含在组合块52和54中。 现在，软件应用42和44具有相同频率，即，都每隔时段T执行一次，并且具有相同优先级。 时间线50还示出应用42首先运行，这在较低临界性应用42具有更长执行的情况下会引起临界性问题，这会违反较高临界性应用44的定时。

因为应用42和44具有相同优先级，调度机能够首先调度应用44，如时间线60所示，因此，应用44将完成其执行，不管自身的执行变化和较低临界应用。 详细地，对于该频率的应用调度机能够首先执行较高临界性软件应用44，如其在调度时间片中的位置设定的。 因为软件应用44首先运行，所以，软件应用42被阻止执行直到应用44的第一节段52被执行，如时间线60中所解释的。 如果较高临界性应用44的任何节段或自身具有长的执行时间，较低临界性应用42会经历其定时约束的违反，这由于它的低临界性会是可接受的。 注意到，虽然通过非限制性例子的方式，节段52和54具有相同的长度，但是，这些节段能够具有不同的长度。

虽然图3-5所示的示图把软件应用44分成两个节段因此具有与软件应用42相同的频率，但是，在其它实施例中，软件应用44能够被分成任意数量的合适的节段，只要软件应用44包括能够被分开的功能。 这样，软件应用44的频率能够大于软件应用42并且在不同的调度机上比软件应用42更优先。

对于时段变换延长，执行如上所述相同的基本过程，但是，在运行中，较低临界性较高执行速率软件应用被延长，例如通过促使该应用的每次执行都执行多次，因此它们运行的不那么频繁，从而降低它们的执行频率。

图6是用于特定调用速率例如2.5毫秒、5毫秒、10毫秒等等的轻量任务调度机72的结构70的框图。任务调度机72包括按照递减顺序排列的许多时间片，每个时间片由节段74填充。 节段74代表完整的软件应用或软件应用的一部分，节段74在调度机72中的位置决定它将在相对于另一节段74的何时执行。  节段74执行的时间由位向量76控制，该位向量包括位78，每个位78确认特定执行速率下的调用，即，下一时间间隔。 由于位向量76是计时的，下一调用的1位78引起下一节段74执行，下一调用的0位78不允许下一节段74执行。 使用位向量76控制节段74的执行减少了在已知执行调度机上的控制器内存需求。

如本领域技术人员很好理解的，本文论述的描述本发明的数个和不同步骤和过程可以指的是计算机、处理器或其它电子计算装置执行的运算，它们使用电学现象操作和/或变换数据。 那些计算机和电子装置可以采用不同的易失的和/或非易失的存储器，包括非暂时性计算机可读介质，其上存储有包括能够由计算机或处理器执行的不同代码或可执行指令在内的可执行程序，存储器和/或计算机可读介质可以包括所有形式和类型的存储器及其它计算机可读介质。

前面所公开的论述仅仅描述了本发明的示范性实施例。 本领域技术人员从这样的论述和附图和权利要求中将容易地认知到，在不脱离如下列权利要求所限定的本发明精神和范围的情况下能够做出各种变化、改型和改变。

Claims (10)

1.一种用于调度多个混合临界性软件应用在共用处理器上的执行的方法，所述软件应用是谐波的并且具有规定的执行频率，所述方法包括：

       从该多个软件应用中确定第一软件应用的临界性；

       从该多个软件应用中确定第二软件应用的临界性；

       确定第一软件应用的临界性高于第二软件应用的临界性；

       确定第一软件应用的执行频率低于第二软件应用的执行频率；

       把第一软件应用分成预定数量的节段以增大第一软件应用的执行频率，从而使第一软件应用的执行频率同于或大于第二软件应用的执行频率；以及

       执行该多个软件应用，包括根据由执行频率确定的优先级在不同时间执行这些节段。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所有节段具有相同长度。

3.如权利要求1所述的方法，其中，至少两个节段具有不同的长度。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所有节段在与第一软件应用分段之前的时段相同的时段内执行。

5.如权利要求1所述的方法，其中，执行多个软件应用包括分配具有相同执行频率的软件应用给公共任务调度机并且在该调度机中按优先级排列这些软件应用的执行，其中，按优先级排列这些软件应用的执行包括按优先级排列这些节段。

6.如权利要求5所述的方法，其中，执行多个软件应用包括提供具有位序列的位向量，其控制着软件应用或节段何时将执行，其中，1位促使下一优先级应用或节段执行，0位阻止下一优先级应用或节段执行。

7.如权利要求1所述的方法，其中，多个软件应用控制车辆功能。

8.一种用于调度多个混合临界性软件应用在共用处理器上的运行的方法，所述软件应用都是谐波的并且具有规定的执行频率，所述方法包括：

       从该多个软件应用中确定第一软件应用的临界性；

       从该多个软件应用中确定第二软件应用的临界性；

       确定第一软件应用的临界性高于第二软件应用的临界性；

       确定第一软件应用的执行频率低于第二软件应用的执行频率；

       增大第二软件应用的长度以减小第二软件应用的执行频率，从而第二软件应用的执行频率同于或小于第一软件应用的执行频率；以及

       根据由执行频率确定的优先级执行该多个软件应用。

9.如权利要求8所述的方法，其中，执行多个软件应用包括分配具有相同执行频率的软件应用给公共任务调度机并且在该调度机中按优先级排列这些软件应用的执行。

10.一种用于调度多个混合临界性软件应用在共用处理器上的执行的系统，所述软件应用是谐波的并且具有规定的执行频率，所述系统包括：

       用于从该多个软件应用中确定第一软件应用的临界性的装置；

       用于从该多个软件应用中确定第二软件应用的临界性的装置；

       用于确定第一软件应用的临界性高于第二软件应用的临界性的装置；

       用于确定第一软件应用的执行频率低于第二软件应用的执行频率的装置；

       用于把第一软件应用分成预定数量的节段以增大第一软件应用的执行频率从而使第一软件应用的执行频率同于或大于第二软件应用的执行频率的装置；和

       用于执行该多个软件应用的装置，包括根据由执行频率确定的优先级在不同时间执行这些节段。