CN105677461A - 基于关键度的混合关键任务调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于关键度的混合关键任务调度方法，该方法为：根据每个安全关键任务的不同关键级别以及相应的实时参数确定对应的关键度，再根据不同安全关键任务的关键度确定每个安全关键任务的优先顺序，最后依次对优先顺序中的安全关键任务进行调度。本发明使得当前混合关键任务的调度方法更加简便，减少了不必要的任务切换开销和关键级别反转的现象。

Description

基于关键度的混合关键任务调度方法

技术领域

本发明属于嵌入式系统多核技术领域，具体涉及一种基于关键度的混合关键任务调度方法。

背景技术

在单处理器环境下的嵌入式实时系统中，如果关键任务不能可靠、及时地执行，将会导致严重的后果。目前，随着多核的出现，嵌入式实时系统设计者为了降低系统功耗、减少资源的浪费，将更多的安全关键任务集成在同一个平台上，这种系统称之为混合关键系统(Mixed-CriticalitySystem)。在该系统中的安全关键任务称之为混合关键任务(Mixed-CriticalityTasks)。这种集成方式造成了不同关键级别任务之间的干扰，容易引起关键任务执行失效。例如，汽车的一个ABS(Anti-lockBrakeSystem)刹车系统任务和一个导航系统任务在同一个多核平台上运行，如果后者不及时释放处理器，那么将会引起刹车失灵。这种系统在不同时刻，任务将处于不同的安全关键级别。要想让各项任务都能够根据自己的安全关键级别合理、顺利地得到执行，就必须对各安全关键级别下的所有任务进行统一的调度。因此，混合关键任务的调度(MixedCriticalitySchedulable，MCS)问题已经成为业界非常关注的焦点问题。如美国空军研究实验室(USAirForceResearchLaboratory)正在积极推出的“混合关键体系结构需求MCAR(Mixed-CriticalityArchitectureRequirements)”项目，并成立相关组织研究如何安全构建这些混合关键系统。这些组织包括空军研究实验室，国家科学基金委员会，国内安全组织以及国内航空空间宇航局等。目标是为了使安全关键的嵌入式系统的认证过程流程化、标准化。这带动了工业界、学院和标准化组织来寻找更多先进的和有效的认证方法。目前国内外对混合关键任务调度算法大致分为三大类：1)基于优先级的任务调度方法。该方法系统利用率不高，且并不能防止关键级别反转现象；2)基于资源任务划分的调度算法。该算法实现起来比较繁琐，且在满足任务时限不丢失的情况下,对核处理速度要求很高；3)基于slack-aware的调度算法，该算法要求对每一个任务的slack时间进行多次推算，计算过程很繁琐，时间复杂度高且zero-slack方法只能调度一小部分的任务集。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于关键度的混合关键任务调度方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供一种基于关键度的混合关键任务调度方法，该方法为：根据每个安全关键任务的不同关键级别以及相应的实时参数确定对应的关键度，再根据不同安全关键任务的关键度确定每个安全关键任务的优先顺序，最后依次对优先顺序中的安全关键任务进行调度。

上述方案中，所述根据每个安全关键任务的不同关键级别以及相应的实时参数确定对应的关键度，具体为：设有n个不同关键级别的安全关键任务，每个安全关键任务J_i都有四个参数分别为发布时间A_i、时限D_i、关键级别X_i和不同关键级别下的最坏执行时间C_i(K)；

首先，根据X_i的值确定K级别下的n个安全关键任务的相对关键度 ${\mathrm{\ρ}}_i=\frac{x_i}{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_j};$

其次，根据当前所处的关键级别k确定每个安全关键任务的关键额度 ${\mathrm{\δ}}_i=\frac{x_i}{k};$

再次，根据所述安全关键任务的时限D_i确定每个安全关键任务的时限紧急度 $d_i=\frac{1}{D_i^2};$

最后，根据确定相对关键度、关键额度、时限紧急度确定K个关键级别下的n个任务的关键度

上述方案中，所述根据不同安全关键任务的关键度确定每个安全关键任务的优先顺序，具体为：将安全关键任务按照发布时间A_i的顺序进行排序放入到任务队列中，从任务列表中依次选择A_i最小的任务放入到调度队列中，如果就绪队列为空，则直接放入该安全关键任务；如果就绪队列不空，则根据不同的关键级别，按照CDBP算法比较该安全关键任务与调度队列中其他任务的优先关系，按照优先次序放入到就绪队列中并将该任务从任务列表中删除，最后按照所述就绪队列中的次序按依次进行调度。

上述方案中，依次对优先顺序中的安全关键任务进行调度，具体为：

首先，比较两个安全关键任务的关键度大小，关键度大的任务优先级高；

其次，如果两个安全关键任务的关键度相同，比较两个安全关键任务的关键级别，关键级别高的任务优先级高；

最后，如果两个安全关键任务的关键级别一致，则比较两个安全关键任务的时限，时限小的优先级高。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明使得当前混合关键任务的调度方法更加简便，减少了不必要的任务切换开销和关键级别反转的现象。

附图说明

图1为本发明实施例提供一种基于关键度的混合关键任务调度方法的流程图；

图2为本发明实施例中CDBP算法优先级分配流程图；

图3为本发明实施例中混合关键任务和一般实时任务调度示意图；

图4为本发明实施例中低关键级别调度示意图；

图5为本发明实施例中高关键级别调度示意图；

图6为本发明实施例中基于CDBP的任务调度表。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明针对安全关键不同级别的任务提出一种基于关键度的(CriticalityDegreeBasedPriority，CDBP)混合关键任务调度方法，该方法全面考虑了任务的关键级别和紧急程度，且调度表的创建不会因为找不到最低优先级任务而终止。所述混合关键任务具有四个重要属性——发布时间、时限、关键级别和最坏执行时间。其中最坏执行时间是一个多维向量，向量值与任务的关键级别相关，各元素表示任务在各个级别下的最坏执行时间。如在K个关键级别的安全关键系统中，关键级别最低为1，最高为K，安全关键任务表示为J_i，则有：

J_i＝(X_i,A_i,D_i,C_i)

其中，X_i表示任务J_i的关键级别；A_i表示任务的发布时间；D_i表示任务的时限；C_i表示任务的最坏执行时间，C_i是一个向量：

C_i＝(C_i(1),C_i(2),...,C_i(K))

C_i(1)表示任务J_i在关键级别为1时的最坏执行时间，C_i(2)表示任务J_i在关键级别为2时的最坏执行时间，C_i(K)表示任务J_i在关键级别为K时的最坏执行时间。若K＞X_i时，有C_i(K)＝C_i(X_i)。

定义1相对关键度ρ_i——是指在具有n个任务的系统I中，任务J_i相对于其他任务的关键级别的重要程度。用来表示，其中x_i和x_j是各任务在系统某个统一时刻的关键级别。

定义2关键额度δ_i——是指在具有K个关键级别的系统I中，J_i当前所处级别在当前系统的关键级别k下所具有的关键份数。用来表示，其中x_i是任务的当前关键级别。

定义3时限紧急度d_i——是指任务时限的先后对任务的紧急程度的影响，用来表示。在同等情况下，时限更早到来的任务应该具有更高的优先级。

定义4K关键级别下的关键度——是指在K关键级别下，任务J_i的一次执行相对于其他任务的一次执行在所处关键级别的重要程度以及利用率的一种度量。用来表示。

从关键度的定义可以看出，它充分体现了任务J_i的关键级别相对于其他任务的重要程度和它在系统处于某一关键级别时在整个系统中的关键程度，以及该任务的时限对紧急程度的影响。以它为基础来为系统处于某一关键级别时的各任务分配优先级，能充分体现出任务优先级的特点，在系统处于低关键级别时，也减少了不必要的任务切换，提高了系统利用率。

本发明实施例提供一种基于关键度的混合关键任务调度方法，该方法为：根据每个安全关键任务的不同关键级别以及相应的实时参数确定对应的关键度，再根据不同安全关键任务的关键度确定每个安全关键任务的优先顺序，最后依次对优先顺序中的安全关键任务进行调度。

所述根据每个安全关键任务的不同关键级别以及相应的实时参数确定对应的关键度，具体为：设有n个不同关键级别的安全关键任务，每个安全关键任务J_i都有四个参数分别为发布时间A_i、时限D_i、关键级别X_i和不同关键级别下的最坏执行时间C_i(K)；

首先，根据X_i的值确定K级别下的n个安全关键任务的相对关键度例如假设2级别关键系统中有4个任务，关键级别分别为1，2，1，2，在系统关键级别为1的情况下，则ρ_i分别在系统关键级别为2的情况下，则ρ_i分别为

其次，根据当前所处的关键级别k确定每个安全关键任务的关键额度例如假设系统中有两个任务J₁和J₂，其中X₁＝1，X₂＝2，则K＝2。当系统关键级别k＝1时，任务J₁和J₂的当前关键级别x₁和x₂也都是1，则δ₁＝δ₂＝1；当系统关键级别k＝2时，x₁＝1和x₂＝2，则δ₂＝1；

再次，根据所述安全关键任务的时限D_i确定每个安全关键任务的时限紧急度 $d_i=\frac{1}{D_i^2};$

最后，根据确定相对关键度、关键额度、时限紧急度确定K个关键级别下的n个任务的关键度

所述根据不同安全关键任务的关键度确定每个安全关键任务的优先顺序，具体为：将安全关键任务按照A_i的顺序进行排序放入到任务队列中，从任务列表中依次选择A_i最小的任务放入到调度队列中，如果就绪队列为空，则直接放入该安全关键任务；如果就绪队列不空，则根据不同的关键级别，按照CDBP算法比较该安全关键任务与调度队列中其他任务的优先关系，按照优先次序放入到就绪队列中并将该任务从任务列表中删除，最后按照所述就绪队列中的次序按依次进行调度，如图1所示。

如图2所示，所述依次对优先顺序中的安全关键任务进行调度，具体为：

首先，比较两个安全关键任务的关键度大小，关键度大的任务优先级高；

其次，如果两个安全关键任务的关键度相同，比较两个安全关键任务的关键级别，关键级别高的任务优先级高；

最后，如果两个安全关键任务的关键级别一致，则比较两个安全关键任务的时限，时限小的优先级高。

实施例：

任务集包括了3个一般任务的ET任务和4个时间触发的混合安全关键TT任务，调度结果如图3所示，其中TT任务ttTask2和ttTask4是高安全关键级别任务，ttTask1和ttTask3是低关键级别任务。图4和图5显示了往ttTask2添加额外负载前后的运行情况对比，从图中可看出，开始的时候，ttTask2能够在低关键级别下的1个单位的最坏时间内执行完毕，添加额外负载后，ttTask2无法按时完成，这时为了保证ttTask2能正常执行完，系统提升关键级别，ttTask1和ttTask3的执行不再得到保证，最终系统保证ttTask2和ttTask4顺利执行完毕。该实验说明实现的多级调度表达到了设计要求，调度表成功切换，为高关键级别任务提供了保障。

安全关键任务调度实例：对于一个2级关键级别的系统如表1所示。采用CDBP的调度方法计算出的关键度值如表2所示。根据通过关键度分配优先级的规则可知，在系统关键级别为1时，任务间的优先级关系为；系统关键级别为2时，任务间的优先级关系为。以此优先级为基础创建的调度表如图6所示。

表1示例任务属性表

表2两级别下的任务关键度

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于关键度的混合关键任务调度方法，其特征在于，该方法为：根据每个安全关键任务的不同关键级别以及相应的实时参数确定对应的关键度，再根据不同安全关键任务的关键度确定每个安全关键任务的优先顺序，最后依次对优先顺序中的安全关键任务进行调度。

2.根据权利要求1所述的基于关键度的混合关键任务调度方法，其特征在于，所述根据每个安全关键任务的不同关键级别以及相应的实时参数确定对应的关键度，具体为：设有n个不同关键级别的安全关键任务，每个安全关键任务J_i都有四个参数分别为发布时间A_i、时限D_i、关键级别X_i和不同关键级别下的最坏执行时间C_i(K)；

首先，根据X_i的值确定K级别下的n个安全关键任务的相对关键度 ${\mathrm{\ρ}}_i=\frac{x_i}{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_j};$

其次，根据当前所处的关键级别k确定每个安全关键任务的关键额度 ${\mathrm{\δ}}_i=\frac{x_i}{k};$

再次，根据所述安全关键任务的时限D_i确定每个安全关键任务的时限紧急度 $d_i=\frac{1}{D_i^2};$

最后，根据确定相对关键度、关键额度、时限紧急度确定K个关键级别下的n个任务的关键度

3.根据权利要求1或2所述的基于关键度的混合关键任务调度方法，其特征在于，所述根据不同安全关键任务的关键度确定每个安全关键任务的优先顺序，具体为：将安全关键任务按照发布时间A_i的顺序进行排序放入到任务队列中，从任务列表中依次选择A_i最小的任务放入到调度队列中，如果就绪队列为空，则直接放入该安全关键任务；如果就绪队列不空，则根据不同的关键级别，按照CDBP算法比较该安全关键任务与调度队列中其他任务的优先关系，按照优先次序放入到就绪队列中并将该任务从任务列表中删除，最后按照所述就绪队列中的次序按依次进行调度。

4.根据权利要求3所述的基于关键度的混合关键任务调度方法，其特征在于，依次对优先顺序中的安全关键任务进行调度，具体为：

首先，比较两个安全关键任务的关键度大小，关键度大的任务优先级高；

其次，如果两个安全关键任务的关键度相同，比较两个安全关键任务的关键级别，关键级别高的任务优先级高；

最后，如果两个安全关键任务的关键级别一致，则比较两个安全关键任务的时限，时限小的优先级高。