CN107391866B - 一种基于多处理器的aadl模型的可调度性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多处理器的AADL模型的可调度性分析方法，包括以下步骤：提取AADL系统架构中各分区的相关信息以及各分区与处理器构件的绑定关系；分析各分区与处理器构件的绑定关系，将每个分区中的每个线程构件与唯一的处理器构件绑定；确定各分区中线程构件的执行时序，计算每个线程构件的响应时间；根据各线程构件的响应时间及截止时间，计算系统中相应各线程构件的可调度性；根据各线程构件的可调度性，得到系统可调度性。通过上述步骤对基于多处理器的AADL模型的可调度性分析计算，得到系统模型的可调度性分析结果，为多处理器的AADL模型的可调度性分析方法提供一种较为精确的可调度性评价方法。

Description

一种基于多处理器的AADL模型的可调度性分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于多处理器的AADL模型的可调度性分析方法。

背景技术

结构分析和设计语言AADL(Architecture Analysis And Design Language)是一种用来设计和分析性能关键实时系统的字符画和图形化的模型语言，广泛应用于航空宇航工业中对安全关键应用系统模型的建模，它能够用来描述组件之间的功能接口，也能描述组件的时间需求。它也能够描述组件之间的交互关系，如数据输入输出、软件组件和硬件组件之间的绑定关系等。因此设计者可能从各个方面对模型进行分析和评估。下面简要介绍AADL模型元素：

组件是AADL的主要建模单位，组件包括有线程组件、处理器组件等。每个线程组件可以处于停止、睡眠或活跃状态。一个活跃的线程可以等待分派、执行或由于临界资源访问而阻塞。线程的属性可以有最坏执行时间、截止时间、分派协议、最小到达间隔时间等参数。根据线程的分派协议和对外部事件的响应，其类型可以分为周期线程、非周期线程、零星线程和后台线程。线程组件的调度协议定义在处理器组件的参数上。

调度分析领域自二十世纪六七十年代提出以来已经是一个研究相对成熟的领域，但是对于有不确定到达时间的非周期线程的系统，仍然缺乏精确分析的方法。传统上处理不确定到达时间的非周期线程的系统采用近似的悲观方法，即考虑最坏情况下非周期线程到达的最大频率，因此该种方法为其预留的处理器资源过多，无法精确计算是否可以调度。

目前已有一些支持AADL模型元素调度分析的工具，主要是Furness工具集和Cheddar工具。但是Furness工具集不能分析由外部环境驱动的嵌入式系统的调度性分析，而Cheddar工具本不是针对AADL模型元素开发，需要进行语义转换，且使用悲观的最坏情况分析，其调度分析结果不精确。上述工具和方法由于语义不同或分析范围的局限性，均不能有效的精确分析AADL的调度性，从而不能反馈给AADL建模人员准确的信息。随着计算机芯片技术以及分区技术在航空电子系统的广泛应用，基于多处理器多分区的DIMA(分布式智能模块化系统)架构越来越受到重视。目前，并没有针对DIMA架构系统的AADL模型的可调度性分析方法提出。

有鉴于此，提出一种基于多处理器的AADL模型的可调度性分析方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多处理器的AADL模型的可调度性分析方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于多处理器的AADL模型的可调度性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.提取AADL系统架构中各分区的相关信息以及各分区与处理器构件的绑定关系；

S2.分析各分区与处理器构件的绑定关系，将每个分区中的每个线程构件与唯一的处理器构件绑定；

S3.确定各分区中线程构件的执行时序，计算每个线程构件的响应时间；

S4.根据各线程构件的响应时间及截止时间，计算系统中相应各线程构件的可调度性；

S5.根据各线程构件的可调度性，得到系统可调度性。

进一步地，所述步骤S2包括：

S201.判断分区可绑定的处理器数量，分区可绑定处理器数量为1，则直接将分区绑定在处理器上；

若分区可绑定的处理器数量为>1，则执行S202；

S202.判断与分区有时序关系的处理器构件，根据时序关系的优先级，选择优先级较高的进行绑定；优先级相同时，计算各处理器构件利用率，选择利用率较低的进行绑定。

进一步地，所述S3中计算每个线程构件R_Ti的响应时间计算公式为：

R_Ti＝max(R′_Ti,R″_Ti)，

其中，Ti为线程(i为自然数)，R′_Ti为线程构件所在分区的响应时间，计算公式为：

R′_Ti＝RI_Ti+RI′_Ti+T_start，

RI_Ti为线程Ti执行完整周期的实现(最后一个运行周期前的周期)，RI′_Ti为线程Ti执行最后一个周期的执行时间，T_start为表示线程Ti所在分区的开始时间属性；

R″_Ti为其他分区中与该线程构件连接的构件且在该构件之前的响应时间，计算公式为：

R″_Ti＝RE_Ti+RE′_Ti，

RE_Ti为其他分区中线程构件连接的构件且在该构件之前的线程在完整周期(最后一个运行周期前的周期)的响应时间，RE′_Ti为其他分区中线程构件连接的构件且在该构件之前的线程的最后一个运行周期的执行时间。

进一步地，所述RI_Ti计算公式为：

其中，Con_Ti表示在分区中执行顺序在Ti之前的线程的集合，E(Ti)为线程Ti自身的执行时间属性，

与E(Ti)的和为线程Ti从到就绪状态到运行完所需要的时间(j为自然数)，E_Pi为进程Pi的时间片时间，P_pi为进程Pi的时间片周期。

进一步地，所述RI′_Ti计算公式为：

进一步地，RE_Ti的计算公式为：

进一步地，RE′_Ti的计算公式为：

进一步地，所述S4包括：

所述获取线程截止时间由系统的AADL模型中的构件属性中直接获得，将线程截止时间与响应时间进行比较得到线程构件的可调度性：

当线程构件的响应时间大于截止时间属性时，线程构件不可调度；

线程构件的响应时间小于截止时间属性时，则线程构件可调度。

进一步地，根据所述各线程构件的的可调度性确定各线程所在分区的可调度性进而确定系统的可调度性。

进一步地，当分区内线程构件均可调度，则该分区可调动；当各分区均可调度，则系统可调度。

本发明的有益效果是：通过对基于多处理DIMA架构系统的AADL模型进行研究，可以进行针对基于多处理DIMA架构系统的AADL模型的可调度性分析计算，得到系统模型的可调度性分析结果。通过使用本发明所提出的可调度性分析方法，可以解决传统针对于AADL模型可调度性分析方法不能对复杂系统的模型进行分析的缺点，对于具有多分区多处理器的DIMA架构系统的AADL模型也可以完成可调度性分析，为多处理器的AADL模型的可调度性分析方法提供一种较为精确的可调度性评价方法。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1为本发明实现的流程图；

图2为本线程响应时间计算的流程图；

图3为本发明实施例的系统结构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本实施例提供一种基于多处理器DIMA架构系统中的AADL模型静态可调度性分析方法，DIMA为一种分布式智能模块化系统，系统中具有多个处理器可以并行处理多个任务，在分布式系统中，系统中各个模块可能要相互发送信息，系统中不同处理器下的分区中的线程可能会相互通信，从而在计算整个系统的可调度性时不能把系统当成各个独立的系统，考虑本分区线程影响线程响应的因素时，还需要再考虑不同分区内的线程构件发送消息的问题。

一种基于多处理器DIMA架构系统AADL模型的可调度性分析方法，包括以下步骤：

S1.提取AADL系统架构中各分区的相关信息以及各分区与处理器构件的绑定关系；

根据所述的绑定关系，从而形成可以描述多处理器系统分区调度系统的AADL模型。

S2.分析各分区与处理器构件的绑定关系，将每个分区中的每个线程构件与唯一的处理器构件绑定；所述S2进一步包括：

S201.判断分区可绑定的处理器数量，分区可绑定处理器数量为1，则直接将分区绑定在处理器上；

若分区可绑定的处理器数量为>1，则执行S202；

S202.判断与分区有时序关系的处理器构件，根据时序关系的优先级，选择优先级较高的进行绑定；优先级相同时，计算各处理器构件利用率，选择利用率较低的进行绑定。

由于分区间使用时间片轮转的方式，所以完成绑定后根据各个分区绑定的处理器可以确定各个分区的开始时间属性。

根据多处理器DIMA架构的AADL模型特点对系统中的分区构件进行绑定。在对分区绑定时，若待绑定的分区只可以绑定在一个处理器上，则不需要进行判断直接将分区绑定在处理器上。

若一个分区可以绑定在多个处理器上时，则需要将分区绑定在唯一的处理器上，首先选择与该分区有时序关系的分区所绑定的处理器，因为具有时序关系的分区绑定在同一处理器可以有效地降低因为等待消息而造成的资源浪费。

若根据时序关系并不能找到唯一的处理器时，则以符合条件的处理器上所绑定的分区的数量作为处理器绑定的依据。最后，当通过时序关系以及绑定在处理器上的分区数量还不能确定唯一的处理器构件时，则计算各个符合条件的处理器的利用率来确定唯一的处理器进行绑定，

进一步地，步骤S3确定各分区中线程构件的执行时序，计算每个线程构件的响应时间；确定各个分区中的线程构件的执行时序，根据系统中各个分区的调度策略以及线程构件的执行时序，可以确定系统中各个线程构件的执行时序，作为后面计算各个线程构件的响应时间的基础。

计算每个线程构件的响应时间，相对于基于单处理器的分区调度，分布式多处理器环境下的分区调度系统更加复杂，在计算响应时间时也需要考虑更多因素。由于分区调度采取双层调度的策略，在判断系统中各个任务的执行顺序时需要考虑线程构件所在分区的时间片以及周期等时间属性，其次还要考虑线程所在分区内的调度策略。此外，在分布式多处理器环境下不知要考虑分区内的执行顺序，还要考虑到不同分区内的通信时序关系，接收消息的任务一定要在发送任务的线程构件完成之后才可以开始执行。

在一个实施例中，计算响应时间需要考虑以下两方面因素：

计算跟线程在同一分区内的其他线程对待计算线程的影响；以及考虑该构件与其他处理器上分区的连接关系。在这两种影响因素中选取对线程构件响应时间影响较大的作为评价线程可调度性的指标。

进一步地，所述S3中计算每个线程构件R_Ti的响应时间计算公式为：

R_Ti＝max(R′_Ti,R″_Ti)， (公式1)

其中，Ti为线程(i为自然数)，R′_Ti为线程构件所在分区的响应时间，计算公式为：

R′_Ti＝RI_Ti+RI′_Ti+T_start， (公式2)

RI_Ti为线程Ti执行完整周期的实现(最后一个运行周期前的周期)，RI′_Ti为线程Ti执行最后一个周期的执行时间，T_start为表示线程Ti所在分区的开始时间属性；

R″_Ti为其他分区中与该线程构件连接的构件且在该构件之前的响应时间，计算公式为：

R″_Ti＝RE_Ti+RE′_Ti， (公式3)

RE_Ti为其他分区中线程构件连接的构件且在该构件之前的线程在完整周期(最后一个运行周期前的周期)的响应时间，RE′_Ti为其他分区中线程构件连接的构件且在该构件之前的线程的最后一个运行周期的执行时间。

进一步地，计算跟线程在同一分区内的其他线程对待计算线程的影响，对于线程Ti，首先找出在同一分区内执行时序在Ti之前的线程以及在该分区调度策略下优先级大于等于Ti的线程放入集合Con_Ti中，Con_Ti表示在分区中执行顺序在Ti之前的线程的集合。通过集合Con_Ti以及线程Ti所在分区是时间属性(周期，开始时间，时间片以及调度策略等)可以计算得到考虑分区内其他线程影响的响应时间，所述RI_Ti计算公式为：

其中，Con_Ti表示在分区中执行顺序在Ti之前的线程的集合，E(Ti)为线程Ti自身的执行时间属性，

计算在Ti线程分区内执行之前执行的线程的执行时间之和(也就是集合Con_Ti中的集合的线程的执行时间之和)，

与E(Ti)的和为线程Ti从到就绪状态到运行完所需要的时间(j为自然数)，E_Pi为进程Pi的时间片时间，P_pi为进程Pi的时间片周期。

其次，在复杂的AADL系统中，计算系统内各个线程构件的响应时间不仅要考虑到该线程构件所在分区的时间属性，也要考虑该构件与其他处理器上分区的连接关系，当一个构件与另一个构件通过端口连接相互发送消息时，接收消息的线程要等待发送消息的线程执行完才可以执行，因此线程构件执行的时序关系也会影响整个系统的可调度性，因此在分析每个构件的可调度性是时要对构件之间的连接关系进行分析。根据连接关系，端口发送端的线程构件应该在接收端的线程构件之前完成才能发送数据。因此在计算响应时间是还要考虑与其他分区中该线程构件连接的构件且在该构件之前的响应时间RI_T'_i。

进一步地，所述RI_T'_i计算公式为：

进一步地，RE_Ti的计算公式为：

进一步地，RE_T'_i的计算公式为：

其中，max(R_Tj)表示其他分区中与Ti有连接关系且执行时序在Ti之前的各个线程的响应时间的最大值。E(Ti)是线程Ti自身的执行时间属性。

在本实施例中，计算出两个响应时间R′_Ti与R″_Ti，分别考虑了同一分区内优先级大于线程Ti以及执行时序在Ti的线程与其他分区中与Ti有连接关系的线程对线程Ti的执行的影响，结合上面两个影响因素，线程Ti的最终响应时间R_Ti应该是取两个值中的最大值。

进一步地，在计算的到系统的响应时间后，需要判断各个构件的可调度性结果，计算系统中各个任务的可调度性结果需要根据各个构件的响应时间以及构件的截止时间属性。线程构件的响应时间可以通过上文所介绍的方法得带，线程截止时间属性可以从系统的AADL模型中的构件属性中直接获得。通过比较线程构件的响应时间和截止时间的大小可以得到系统的可调度性分析结果。

步骤S4根据各线程构件的响应时间及截止时间，计算系统中相应各线程构件的可调度性；

所述S4进一步包括：

所述获取线程截止时间由系统的AADL模型中的构件属性中直接获得，将线程截止时间与响应时间进行比较得到线程构件的可调度性：

当线程构件的响应时间大于截止时间属性时，线程构件不可调度；

线程构件的响应时间小于截止时间属性时，则线程构件可调度。

在线程可调度与系统可调度之间存在以下判定标准：

1:对于系统中任意一个线程构件Ti，只要满足线程的响应时间小于截至时间就可以说明线程是可调度的。

2:系统中的各个线程构件都包含在系统的分区中，对于系统的每一个分区，当分区内的线程都可以调度的时候，则分区可调度，

3:系统中每个处理器构件与绑定在它上面的分区构件都相当于一个单处理器子系统。对于系统的每一个子系统，当分区内的线程都可以调度的时候，则子系统可调度，

4；系统有各个分区组成，对于系统S，当系统中的处理器构件与绑定在该处理器之上的线程所组成的子系统都可以调度时，则整个系统可以调度。

根据上面介绍的可调度性分析方法和判断标准，我们就可以根据系统的AADL模型静态计算分析出其可调度性。

S5.根据各线程构件的可调度性，得到系统可调度性；

下面提供一个具体实施例：

如图3所示，为一个简单的飞行控制系统模型图。该系统的特点在于本节所创建的系统由两个处理器构件组成，并由三个不同的分区组成，每个分区构件都可以在任何一个处理器构件之上运行，两个处理器分别为处理器1和处理器2，整个系统有三个进程组成，分别名为数据分析，系统控制与系统维护。

数据分析进程绑定在分区1中，这个进程主要完成数据收集处理功能，进程通过高度传感设备与角度传感设备获得数据，该进程中包含两个周期线程，分别为高度线程以及角度分析线程；高度分析线程负载处理分析飞行高度的数据，角度分析线程主要负责分析角度数据。

系统维护进程绑定在分区2中，该进程由两个线程组成，数据维护线程，主要实现对设备采集数据的维护，消息处理线程主要实现对控制信息的维护。

系统控制进程绑定在分区3中，通过将控制信号传输到垂直控制设备与水平控制设备对飞行器进行控制。该进程主要包含两个周期线程，分别为垂直控制线程以及水平控制线程。垂直控制线程控制飞机高度的实现，水平控制线程控制飞机的左右方向。

系统中的3个分区构件分区1，分区2，分区3都绑定在两个处理器上，说明每个分区都可以运行在两个处理器之中的任何一个处理器上。系统中分区的时间属性如表1所示，线程构件的时间属性如表2所示。

首先按照步骤S1从AADL模型中提取各个分区以及线程构件的时间属性，系统中分区的时间属性由表1所示。

表格第二列表示分区获得时间片的周期；表格第三列表示分区获得时间片的长度；表格第四列表示分区开始执行的时间。系统中线程构件的属性如表2所示。表格第二列表示线程所属的分区；表格的第三列表示线程的运行周期；表格的第四列表示线程的执行时间；表格的第五列表示线程的截止时间属性。

表1系统分区构件属性表

表2系统线程构件属性表

根据步骤S2，对系统的中的各个分区构件进行绑定，将系统中的3个周期绑定到2个处理器构件上。根据上文所提出的绑定策略，由于分区1与分区3存在时序关系，所以将分区1与分区3绑定在处理器2上；又因为处理器2已经绑定了2个分区，根据绑定原则，

将分区2绑定在处理器1上，.处理器的绑定结果如表3所示。

表3系统处理器绑定结果

根据步骤S3，对系统中的确定各个分区中的线程构件的执行时序，计算系统中各个线程构件的响应时间。

根据上文所介绍的方法首先计算线程内部的响应时间，以数据维护线程为例，根据上文公式2，3，4计算得到分区内部的响应时间为27ms。由于数据维护线程与角度分析线程有时序关系有不在一个分区，所以根据公式5，6，7计算得到分区外部对数据维护线程的影响的响应时间为19ms，两个数值的最大值作为最终数据维护线程的响应时间，其他线程的计算方法与数据维护线程相同，具体响应时间下表4所示。

表4系统线程响应时间计算结果

最后根据执行时间，按照系统可调度的判定标准，判断系统的可调度性分析结果。对于系统中的各个线程构件，由于线程的响应时间都小于截止时间，所以线程是可调度的。线程的可调度性分析结果如下表5所示。

表5系统线程可调度性分析结果

根据标准2，对于系统中的各个分区，分区内部的线程都是可调度的，所以系统中的各个分区都是可调度的。

根据标准3，由于系统中所有分区都是可调度的，所以可以判断出系统中各个子系统可调度的。

最后判定系统中所有子系统都是可调度的，则系统是可调度的。

这样该方法就完成了对基于DIMA架构的AADL模型进行可调度性分析。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种基于多处理器多分区的分布式智能模块化系统的AADL模型的可调度性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.提取AADL系统架构中各分区的时间属性以及各分区与处理器构件的绑定关系；

S2.分析各分区与处理器构件的绑定关系，将每个分区中的每个线程构件与唯一的处理器构件绑定；

S3.确定各分区中线程构件的执行时序，计算每个线程构件的响应时间；

S4.根据各线程构件的响应时间及截止时间，计算系统中相应各线程构件的可调度性；

S5.根据各线程构件的可调度性，得到系统可调度性，

其中，所述步骤S2包括：

判断分区能绑定的处理器数量，若待绑定的分区只能绑定在一个处理器上，则不需要进行判断直接将该分区绑定在该处理器上；

若分区能绑定在多个处理器上时，选择与该分区有时序关系的分区所绑定的处理器；

若根据时序关系并不能找到唯一的处理器时，则以符合条件的处理器上所绑定的分区的数量作为处理器绑定的依据；

当通过时序关系以及绑定在处理器上的分区数量还不能确定唯一的处理器构件时，则计算各个符合条件的处理器的利用率来确定唯一的处理器进行绑定；

所述S3中计算每个线程构件R_Ti的响应时间计算公式为：

R_Ti＝max(R′_Ti,R″_Ti)，

其中，Ti为线程，i为自然数，R’_Ti为线程构件所在分区的响应时间，计算公式为：

R’_Ti＝RI_Ti+RI’_Ti+T_start，

RI_Ti为线程Ti执行完整周期的实现，RI’_Ti为线程Ti执行最后一个周期的执行时间，T_start为表示线程Ti所在分区的开始时间属性；

R″_Ti为其他分区中与该线程构件连接的构件且在该构件之前的响应时间，计算公式为：

R”_Ti＝RE_Ti+RE’_Ti，

RE_Ti为其他分区中线程构件连接的构件且在该构件之前的线程在完整周期的响应时间，RE’_Ti为其他分区中线程构件连接的构件且在该构件之前的线程的最后一个运行周期的执行时间；

RE_Ti的计算公式为：

其中，max(R_Tj)表示其他分区中与Ti有连接关系且执行时序在Ti之前的各个线程的响应时间的最大值，E(Ti)为线程Ti自身的执行时间属性，E_Pi为线程Ti所属进程Pi的时间片时间，P_pi为进程Pi的时间片周期；

RE’_Ti的计算公式为：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述RI_Ti计算公式为：

其中，Con_Ti表示在分区中执行顺序在Ti之前的线程的集合，

与E(Ti)的和为线程Ti从到就绪状态到运行完所需要的时间，j为自然数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述RI’_Ti计算公式为：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4包括：

获取线程截止时间由系统的AADL模型中的构件属性中直接获得，将线程截止时间与响应时间进行比较得到线程构件的可调度性：

当线程构件的响应时间大于截止时间属性时，线程构件不可调度；

线程构件的响应时间小于截止时间属性时，则线程构件可调度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述各线程构件的可调度性确定各线程所在分区的可调度性进而确定系统的可调度性。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当分区内线程构件均可调度，则该分区可调动；当各分区均可调度，则系统可调度。

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