CN112416566B - 一种ima通用处理模块资源调度的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于IMA系统综合集成技术领域，具体涉及一种IMA通用处理模块资源调度的分析方法。该方法包括：确定是否存在待判定的处理器节点；在存在待判定的处理器节点的情况下，获取待判定处理器节点的调度模型信息；根据待判定处理器节点的调度模型信息，对待判定处理器节点进行可调度性分析并返回可调度性结果。该方法验证了在IMA航电系统上分区级和任务级的可调度性，促进IMA通用处理模块分区任务时间更合理的调度使用，缩短了IMA系统后续的调试工作，提高了IMA航电架构设计的工作效率。
Description
技术领域
本发明属于IMA(Integrated Modular Avionics)系统综合集成技术领域，具体涉及一种IMA通用处理模块资源调度的分析方法。
背景技术
综合模块化航空电子(IMA)系统的发展趋势是采用越来越开放的系统架构，进一步提高系统综合化程度。在软件方面，采用标准通用模块的IMA系统已经不能从硬件上区分具体的功能，没有软件，航空电子系统将无法运行。为满足综合模块化航空电子系统高可靠性、高可用性以及高服务性的需求，ARINC组织发布了航空电子应用软件标准接口(Avionics Application Software Standard Interface，简称ARINC653)，用于规范航空电子系统软件及应用软件的开发。该标准接口详细阐述了航空电子系统时空分区(按功能模块对系统时间资源和空间资源进行划分)概念、两级调度机制(分区级、任务级)、分区管理、分区间通信及航电系统健康监测(系统级、分区级、模块级)等核心内容，已广泛运用于航空电子系统软件及应用软件的开发中。
ARINC653标准是美国航电委员会针对IMA综合系统提出的标准。标准的提出，更加强调了航空电子系统高可靠性、高安全性的发展目标。ARINC653标准提出了将应用程序进行分区(Partition)的概念，以保证IMA系统中一个处理机模块上运行的多个应用程序执行时互不影响。因此在IMA系统设计中，需要采用各种验证的方法对系统进行检验，以保证系统在各种情况下的时间需求和功能需求都能得到满足。调度分析就是精确的管理时间资源，对系统的时间需求进行分析，以达到强实时性的要求。
发明内容
发明目的：提供一种IMA通用处理模块资源调度的分析方法，以针对基于ARINC653分区架构的系统模型，分析可调度性，促进IMA通用处理模块分区任务时间更合理的调度使用，从而进一步提高IMA系统的性能。
本发明的技术方案：
第一方面，提供了一种IMA通用处理模块资源调度的分析方法，包括：确定是否存在待判定的处理器节点；在存在待判定的处理器节点的情况下，获取待判定处理器节点的调度模型信息；根据待判定处理器节点的调度模型信息，对待判定处理器节点进行可调度性分析并返回可调度性结果。
进一步地，确定是否存在待判定的处理器节点，具体包括：获取处理器节点的属性值；根据处理器节点的属性值确定是否存在待判定的处理器节点。
进一步地，获取待判定处理器节点的调度模型信息，具体包括：获取待判定处理器节点上驻留的操纵系统的各个分区的信息以及各个分区下任务的信息。
进一步地，所述分区的信息包括分区的时间片的大小、分区的周期、分区首次到达时间；任务的信息包括任务的周期、任务的执行时间。
进一步地，根据待判定处理器节点的调度模型信息，对待判定处理器节点进行可调度性分析，具体包括：对待判定处理器节点进行分区级可调度分析；对待判定处理器节点进行任务级可调度分析。
进一步地，对待判定处理器节点进行分区级可调度分析，具体包括：根据某一分区的时间片的大小确定所述某一分区的时间窗口；根据所述某一分区的时间窗口以及所述某一分区的周期确定所述某一分区的每一个周期的时间窗口是否落在对应周期的系统时间框架的分区时间内；若所述某一分区的每一个周期的时间窗口都落在对应周期的系统时间框架的分区时间内则所述分区可调度。
进一步地，对待判定处理器节点进行任务级可调度分析，具体包括：按照任务执行的优先级对待判定处理器节点进行任务级可调度分析。
进一步地，按照任务执行的优先级对待判定处理器节点进行任务级可调度分析，具体包括：计算某一分区任务集的区间长度，某一分区任务集的区间长度为某一分区内所有任务的周期值与任务所属分区的周期值的最小公倍数；计算任务集中优先级较高的任务对应的活动时间集合，任务集中优先级较高的任务对应的活动时间集合为所述某一分区中某一任务及其更高优先级任务在某一时刻内容累积执行的时间；计算任务的响应时间，任务的响应时间为任务所驻留的分区首次到达的时间、任务等待高级任务的执行时间以及任务的执行时间之和；计算所述某一分区任务集的区间长度与所述任务集中优先级较高的任务对应的活动时间集合的交集，若所述交集均能满足任务响应时间在分区区间时间内可以调度，则所述任务在所述分区内可调度。
进一步地，返回可调度性结果，具体包括：返回处理器的可调度性结果、分区的可调度性结果以及任务的可调度性结果。
进一步地，任务的可调度性结果，具体包括：若任务在分区被派分到的时间片内到达但是不可调度，则返回时间片的长度不够。
有益效果：
本发明的IMA通用处理模块资源调度的分析方法，既针对分区级调度进行分析，也对分区内任务集合进行分析调度，从而验证了在IMA航电系统上分区级和任务级的可调度性，促进IMA通用处理模块分区任务时间更合理的调度使用，可以有效地满足基于ARINC653的IMA系统的高实时性要求，同时减少在IMA航电系统上的实际验证时间，大大缩短IMA系统后续的调试工作，进一步提高IMA航电架构设计的工作效率，为综合模块化航空电子(IMA)系统集成技术的发展带来了好处。
附图说明
图1为根据本发明实施例的可调度分析流程图；
图2为根据本发明实施例的分区实时系统调度分析过程整体流程图；
图3为根据本发明实施例的分区级调度模型示意图；
图4为根据本发明实施例的分区实时系统调度模型。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面通过附图对本发明作进一步详细说明。
分区是ARINC653规范中的一个核心概念，是航空电子应用中的一种功能划分，是程序调度和资源共享的单个软件。在IMA系统中，一个核心模块通常被划分为多个分区，并允许若干航空电子任务进程处于同一个核心模块之上，通过对这些不同任务进程按照功能进行区分，可以将若干能够并发执行的任务分配到同一个分区之上。在操作系统层，系统采用轮转调度的方式，根据设置，在每一个调度周期内依次对系统中的各个分区进行激活。同时，在分区内部，系统允许分区有自己独立的调度策略。在这种调度机制下，只有当一个分区处于激活状态时，位于该分区之上的任务才能得以执行，而位于其它分区之上的任务则无法获得服务，这就避免了处于不同分区上的任务之间可能产生的非法访问，保证了核心模块上的各个分区的独立性。
ARINC653中使用分区作为调度、资源分配及对应用进行隔离保护的单位。各个分区都按照一个确定的周期被调度，各分区没有优先级高低之分，由操作系统维护一个固定时间长度的主时间框架，该主时间框架在系统的运行过程中周期重复，每个主时间框架可以划分为若干个时间窗口，每个分区在主时间框架内至少拥有一个时间窗口且分区只能在其拥有的时间窗口中被调度。同时，分区里面又包含着各自的任务集合，各个任务也需要被调度执行。
所以，针对上述两层结构的AIRNC653分区实时结构，其对应的调度模型也有两层结构，即ARINC653标准中提及的两级调度机制。两级调度包含分区级调度和任务级调度。其中分区级调度是指系统各分区分派时间片的过程；任务级调度是指分区内任务集合在所属分区获取时间片时的调度执行过程。一种IMA通用处理模块资源调度的分析方法，既要针对分区级调度进行分析，也需要对分区内任务集合进行分析调度。
为了更好地理解本发明，下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
一种IMA通用处理模块资源调度的分析方法主要执行顺序如图1所示。
本发明，首先将基于ARINC653分区架构的调度信息进行输入。这个调度信息来源既可以是ARINC653工程配置文件如XML，也可以是模型文件如EA生成系统模型。这个基于ARINC653分区架构的调度信息，具体涉及处理器，分区以及各个分区内的任务等信息。在某个处理器节点上会驻留一个ARINC653分区实时操作系统，这个实时操作系统中包含多个应用，每个分区下面又包含各自的任务集合。分区实时系统设计阶段，设计者首先处理的是系统功能模块的划分、各功能模块对应时间、空间资源的划分；其次处理的是各功能模块(分区)下任务集合的部署。在此两层结构系统中，前者属于分区层设计，后者属于任务层设计，具体需要输入的信息如下表(表1至表3)所示。
1)处理器属性
表1处理器属性
| 属性 | 描述 |
| CPUID | 处理器的ID |
| CPUName | 处理器名称 |
2)分区属性
表2分区属性
| 属性 | 描述 |
| PartID | 分区的ID |
| PartName | 分区的名字 |
| PartFGT | 分区首次到达的时间 |
| PartPeriods | 分区的周期 |
| PartTimeChipSize | 分区的时间片的大小 |
3)任务属性
表3任务属性
然后，基于ARINC653分区架构的调度信息，本发明将进行可调度分析。
如图2所示，对一个AIRNC653多分区构架的调度信息进行可调度性分析，主要分为两部分：分区级调度模型的可调度性判定(系统为各分区分派时间片有效性的判定)；任务级调度模型的可调度性判定(各个分区下任务集的可调度性判定)。其中，分区级调度模型是指系统各分区分派时间片的过程；任务级调度模型是指分区内任务集合在所属分区获取时间片时的调度执行过程。
1.分区级调度模型的可调度性判定实现
分区级调度模型的描述：系统以分区作为调度单元，系统可包含多个分区；系统为各个分区分派时间片的过程是静态的，各分区时间片的分派过程是相互独立的，不存在优先级抢占关系；首先确定一个固定大小的系统时间区间，在此期间为系统各分区分派确定大小的时间片资源，之后并以此系统时间为周期继续分配时间片资源，如下图所示。
分区级调度模型的可调度性判定的描述是：各分区分派时间片的合理性判定，即一个系统主时间框架内(系统首周期完整的为各分区分派时间片的时间区间)分区分派时间片的有效性判定。依据系统分派时间片的周期性可知，第一周期分派合理时，整个无穷系统时间区间内，时间片分派过程都是合理的，反之时间片分派过程不合理。
具体的实现方式是：
根据每一个分区在主时间框架内需要的时间片PartTimeChipSize确定时间窗口大小以及在主时间框架上的偏移位置，然后通过计算每一个分区周期PartPeriods是否能落在其对应的时间框架以内，从而判断分区在确定的时间片框架内可调度。
2.任务级调度模型的可调度性判定实现
任务级调度模型的描述：系统为各分区设定相互独立的任务优先级，用于各分区下任务集的调度抢占依据，各分区的任务集获取的时间片按照特定的优先级调度执行，不受其他分区任务的干扰。ARINC653分区实时系统调度模型如下图所示。
任务级调度模型的可调度性判定的描述是：分区实时系统中所有各分区下任务的可调度性判定。由分区时间片分派、分区时间资源占有的独立性可知，各分区下任务的调度过程是相互独立的。因此，任务级调度模型的可调度性判定，可以拆分成对多个独立的调度模型(分区内任务)的可调度性判定问题，并且各调度单元的可调度性判定过程是相同的。
具体的可调度性判定算法如下：
输入：各个分区分派时间片PartTimeChipSize集合，各个分区任务集合，主时间窗口框架长度。
输出：分区任务集可调度性判定结果、任务集合中所有任务的最坏响应时间列表(任务的响应时间：任务的某一周期的响应时间是从任务到达开始计时，直到任务完成或者截止时间到达的这一段时间)。
步骤1计算某一分区任务集的区间长度，即某一分区内所有任务周期值与任务所属分区周期值的最小公倍数；
步骤2计算任务集合中优先级较高的任务对应的活动时间集合，即该分区中某一任务及其更高优先级任务在某一时刻内容累积执行的时间。
步骤3任务响应时间为某一任务的某一周期的响应时间是从任务到达开始计时，直到任务完成或者截止时间到达的这一段时间。某一时刻，某一任务响应时间到达，此时开始响应时间的计时。若该任务无需等待分区时间片的到达，则只需考虑它本身和优先级比它高的任务的执行时间。当该任务需要等待分区时间片的到达，则只需在上述的响应时间中加上等到分区时间片的时间。很容易得出，任务的响应时间的计算：任务的响应时间＝任务等待时间片到达的时间(任务所驻留的分区首次到达的时间)+任务等待高级任务的执行时间+任务自身的执行时间。
计算得每个任务集的区间长度和活动时间的集合的交集。考察每一个交集，若该交集能满足任务响应时间在区间时间内可以调度，则在该请求区间内是可调度的，否则，不可调度，返回任务在分区不可调度。
步骤4依次计算剩余优先级任务的可调度性，如果每个任务都可调度，则返回分区可调度。
至此，任务级调度模型的可调度性判定的实现阐述完毕。结合分区级调度模型的可调度性判定，能有效完成一种IMA通用处理模块资源调度的分析。
最后，对可调度性结果可视化浏览，其中涉及到的信息有：1.处理器调度信息；2.分区调度信息；3.任务调度信息，具体如下表所示。
1)处理器调度信息
表4处理器调度属性
| 属性 | 描述 |
| CPUID | 处理器的ID |
| CPUName | 处理器名称 |
| isCPUdule | 是否可调度 |
2)分区调度信息
表5分区调度信息
| 属性 | 描述 |
| PartID | 分区的ID |
| PartName | 分区的名字 |
| isPartdule | 分区是否可调度 |
3)任务调度信息
表6 Task节点属性
同时，通过分析不可调度任务和分区时间片的实时情况的返回相关数据，来达到为用户重新分配分区时间片来实现任务可调度提供参考性数据的效果具体。
针对不可调度的任务与分区时间片的实时情况根据任务到达时刻与分区时间片的关系，这些返回结果可分为三种：
1.任务在分区被派分到的时间片的时间区间内任务到达。任务不可调度说明时间片的长度不够，此时应考虑增加分区在任务到达与截止时间段内被派分的时间片长度和减少在任务到达时刻分区的积累负载(在任务到达时刻，已经有一些优先级较高的任务在排队，将这些任务的执行时间之和称为积累负载)。
2.任务在分区时间片前到达。在任务到达时刻，分区还没有被派分时间片，所以任务要等待分区获得时间片，此时应考虑增加分区在任务到达与截止时间段内被派分的时间片长度、减少在任务到达时刻分区的积累负载和提前分区时间片的到来。
3.任务在分区时间片后到达，即分区被派分的时间片区间与任务的到达截止时间区间的交集为空。此时应考虑重新分派时间片来使任务的到达截止区间内分区被分派到时间片。
综上所述，一种IMA通用处理模块资源调度的分析方法在基于ARINC653分区架构的基础上，分析分区和任务的可调度性，并给出调度结果以及反馈意见，从而使分区任务调度更加合理，从而进一步提高IMA系统的性能。
Claims (3)
1.一种IMA通用处理模块资源调度的分析方法，其特征在于，包括：
确定是否存在待判定的处理器节点，具体包括：获取处理器节点的属性值；根据处理器节点的属性值确定是否存在待判定的处理器节点；
在存在待判定的处理器节点的情况下，获取待判定处理器节点的调度模型信息，具体包括：获取待判定处理器节点上驻留的操纵系统的各个分区的信息以及各个分区下任务的信息，所述分区的信息包括分区的时间片的大小、分区的周期、分区首次到达时间；任务的信息包括任务的周期、任务的执行时间；
根据待判定处理器节点的调度模型信息，对待判定处理器节点进行可调度性分析并返回可调度性结果，根据待判定处理器节点的调度模型信息，对待判定处理器节点进行可调度性分析，具体包括：对待判定处理器节点进行分区级可调度分析；对待判定处理器节点进行任务级可调度分析，
其中，对待判定处理器节点进行分区级可调度分析，具体包括：根据某一分区的时间片的大小确定所述某一分区的时间窗口；根据所述某一分区的时间窗口以及所述某一分区的周期确定所述某一分区的每一个周期的时间窗口是否落在对应周期的系统时间框架的分区时间内；若所述某一分区的每一个周期的时间窗口都落在对应周期的系统时间框架的分区时间内则所述分区可调度；
对待判定处理器节点进行任务级可调度分析，具体包括：按照任务执行的优先级对待判定处理器节点进行任务级可调度分析，具体为：计算某一分区任务集的区间长度，某一分区任务集的区间长度为某一分区内所有任务的周期值与任务所属分区的周期值的最小公倍数；计算任务集中优先级较高的任务对应的活动时间集合，任务集中优先级较高的任务对应的活动时间集合为所述某一分区中某一任务及其更高优先级任务在某一时刻内容累积执行的时间；计算任务的响应时间，任务的响应时间为任务所驻留的分区首次到达的时间、任务等待高级任务的执行时间以及任务的执行时间之和；计算所述某一分区任务集的区间长度与所述任务集中优先级较高的任务对应的活动时间集合的交集，若所述交集均能满足任务响应时间在分区区间时间内可以调度，则所述任务在所述分区内可调度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，返回可调度性结果，具体包括：
返回处理器的可调度性结果、分区的可调度性结果以及任务的可调度性结果。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，任务的可调度性结果，具体包括：
若任务在分区被派分到的时间片内到达但是不可调度，则返回时间片的长度不够。
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| GR01 | Patent grant | ||
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