嵌入式系统-实时系统
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11 Song Guanghua
N = ∑ H / pi
i =1
n
对于周期为3、4、10的三个周期任务，超周期长度为60，N=41
实时系统参考模型－周期性任务模型（3） 实时系统参考模型－周期性任务模型（3
在t时刻释放的Ti中的作业必须在t之后的Di个时间内完 成 经常假定，对所有的任务，每个作业在每个周期的 开始都是释放的、就绪的并且必须在周期结束之前 完成 Di可以取任意值，并且可以小于pi 非周期任务 任务中的作业要么是弱时限的要么没有时限 对于模型中的非周期任务，作业的执行时间也是随机分 布变量 服从概率分布B(x)
8 Song Guanghua
实时系统参考模型－时间参数（4 实时系统参考模型－时间参数（4）
执行时间ei 在Ji独自执行并且其所需要的资源都具备的情况下 ，完成Ji的执行所需要的时间 取决于作业的复杂度和处理器速度，与作业如何调 度无关 完成任务需要的实际时间会发生变化 ei在范围[ei-,ei+]
实时系统参考模型－周期性任务模型（2） 实时系统参考模型－周期性任务模型（2
Ti的相位 每个任务Ti的第一个作业Ji,1的释放时间ri,1 定义为φi=ri,1 具有相同相位的任务称为同相 超周期（hyper-period） H表示pi的最小公倍数 每个超周期中作业（最大）个数N为 任务Ti的利用率ui 周期为pi，执行时间为ei的完全周期性任务保持处理器忙的时间 比率 ui=ei/pi 总利用率 系统中所有任务的利用率之和
15
Song Guanghua
实时系统参考模型－功能参数
抢占（preemption） 当更紧急作业到达时，当前执行的任务被暂停，处 理器被交给更紧急的作业，当更紧急的作业完成后 ，处理器再返还给原先的任务恢复执行 如果一个作业的执行在任何时候都可以被挂起以便 让给其他作业执行，随后又可以在挂起点被恢复执 行，则该作业是可抢占的（preemptible） 如果一个作业必须从头到尾的执行，中途不能中断 ，则称该作业是不可抢占的（nonpreemptible） 作业的重要性（importance） 一个用于指明作业相对于其他作业的重要性的整数 作业越关键，重要性越大
实时系统参考模型－时间参数
通常假定强实时作业和任务的许多参数总是已知的 例如系统中任务的个数
− 在许多嵌入式系统中，只要系统处于一种操作模式下
，其任务个数就是固定的
− 当系统的操作模式改变时，任务个数也会改变，在新
模式下的任务数也应该是已知的
对于任务个数会改变的系统，系统必须维护所有已 有强实时任务的信息，包括个数 作业的参数 时间参数：说明作业的定时约束和行为 互连参数：描述作业如何依赖于其他作业以及其他 作业如何依赖于它 功能参数：说明作业的内在属性 资源参数：说明其资源要求
− ri-：最早释放时间 − ri＋：最晚释放时间
如果每个作业的实际释放时间可以用其最早或者最晚释 放时间近似代替，则说作业有固定的释放时间 释放时间间隔（inter-release time） 作业流中两个连续作业的释放时间的间隔
7 Song Guanghua
实时系统参考模型－时间参数（3 实时系统参考模型－时间参数（3）
16 Song Guanghua
实时系统参考模型－任务的资源参数和资源的参数 资源的抢占性 如果限制一个资源的每个单元必须串行使用，则该 资源为不可抢占的,否则就是可抢占的 采用资源图表示资源的配置 所有的处理器和资源都有顶点对应 顶点的属性是资源的参数
− 资源的类型 − 资源数量
边表示资源之间的关系
18 Song Guanghua
3实时调度算法－时钟驱动调度
时钟驱动（clock-driven） 是指在系统开始执行之前，选择一些特定的时刻， 在这些时刻决定哪一个作业在何时执行 在典型的使用时钟驱动调度方法的系统里，所有强实时 作业的参数都是固定的并且是已知的 作业的调度表脱机计算并被保存，在运行时使用 调度程序在每一个调度决策时刻调度作业运行 运行时开销可被最小化 适用于基本具有可确定性的系统 在可确定性的框架下还可以存在少量非周期作业和 偶发作业
17
Song Guanghua
实时系统参考模型－调度等级
调度程序（scheduler） 根据所选择的一组调度算法和资源访问控制协议来对作业进行调 度和资源分配，实现这些算法的模块称为调度程序 调度的正确性（correctness） 调度程序产生唯一有效的调度 可行调度（feasible） 如果所有的作业能满足其时限要求，称为可行调度 可调度的（schedulable） 如果使用一个调度算法，调度程序总能产生可行调度，则称根据 此调度算法的作业集合是可调度的 最优的（optimal） 当给定作业集合有可行调度时，如果一个强实时调度算法，总能 产生可行调度，则此调度算法是最优的 作业的延迟 作业的完成时间与时限的差 − 作业提前完成，延迟就是负值 − 作业完g Guanghua
Task Set
22
Song Guanghua
嵌入式系统－ 嵌入式系统－实时理论
1实时系统概述－实时术语 实时系统概述－
作业（job） 能够被系统调度和执行的工 作单元 任务（task） 共同提供某种系统功能的一 组相关作业 活动资源（active resource） 作业执行时占用的资源：比 如CPU、网络、磁盘 释放时间（release time） 在这一时刻，作业可以开始 执行 时限（deadline） 作业必须在给定的时间点之 前完成，这一时间点即是时 限 响应时间（response time） 作业从释放到完成的时间长度 相对时限（relative deadline） 作业的最大允许响应时间 绝对时限（absolute deadline） 作业的释放时间加上相对时限 定时约束（timing constraint） 对作业的定时行为所施加的约 束
19
Song Guanghua
实时调度算法－基于优先级调度
基于优先级的调度
不事先计算任务的调度表，而是在作业释放以后，给它们 分配优先级，并按照优先级次序把作业放入就绪队列
固定优先级算法
为每个任务中的所有作业分配相同的优先级 每个周期任务的优先级相对于其他任务来说是固定不变的
动态优先级算法
给每个任务的单个作业分配不同的优先级 作业释放并完成时，任务的优先级相对于其他任务的优先 级可能会发生变化
12 Song Guanghua
实时系统参考模型－优先约束和数据依赖
作业间的数据和控制依赖关系可能限制了作业的执行次序 优先约束（precedence constraints） 如果要按照某种次序限制作业的执行，称作业具有优先约束 如果作业可以按照任意次序执行，称作业是独立的（independent ） 优先次序关系（precedence relation） 作业之间的先后约束关系 如果Jk在Ji执行完成之前不能开始执行，则称Ji是Jk的前任（ predecessor），Jk是Ji的后继（successor） 用偏序关系表示为Ji<Jk 如果Ji<Jk并且没有其他作业Jj使得Ji<Jj<Jk，则称Ji是Jk的直接前 任（immediate predecessor），Jk是Ji的直接后继（immediate successor） 如果Ji和Jk既没有关系Ji<Jk，也没有关系Jk<Ji，则它们是独立的 就绪（ready） 当一个有前任的作业在其释放时间或者释放时间之后，且其所有 的前任都已经完成，该作业才能就绪 13 Song Guanghua
如每个计算或者数据传输按照规则的或者半规则的时间间 隔反复不断的执行，以便为系统提供某个功能，就将之建 模为周期任务 周期任务是一系列的作业Ti
对于Ti
周期pi
− 是Ti中相连的作业的释放时间间隔之中的最小长度
执行时间（execution time）ei
− 是Ti中所有作业的最大执行时间
10 Song Guanghua
实时系统参考模型－优先约束和数据依赖（2 实时系统参考模型－优先约束和数据依赖（2）
前趋图（precedence graph） 采用有向图表示的优先约束关系 顶点对应于作业，有向边对应于优先约束关系 任务图（task graph） 扩展了的前趋图 顶点表示作业，用一对数字来表示它们的可行间隔 ，边表示作业间的依赖关系 数据依赖 如果作业Jk消费Ji所产生的数据或者作业Ji向Jk发消 息，则产生数据依赖
14
Song Guanghua
实时系统参考模型－其他依赖关系
时间依赖关系 时间距离（temporal distance）
− 两个作业完成时间的差值 − 如果要求两个作业之间的时间距离不能超过某个有限
值，则称它们有时间距离约束
AND/OR优先约束 如果一个作业必须等待所有直接前任作业的完成， 这样的作业称为AND作业，依赖关系为AND优先约束 如果一个作业的一个或者一些直接前任已经完成， 那么只要此作业在释放时间或者释放时间之后就可 以开始执行，这样的作业称为OR作业
大多数实用调度算法会给单个任务分配固定的优先级
每当作业释放并准备进入就绪队列时，就给作业分配优先 级
20 Song Guanghua
实时调度算法－速率单调算法
速率单调算法（Rate Monotonic），RM算法 1973年，著名实时调度算法 固定优先级算法 假定任务是周期性的 假定任务的相对时限等于它的周期 基于任务的周期分配任务优先级 周期越短，优先级越高 任务的速率与其周期成反比 速率越高，优先级越高
偶发作业（sporadic job）或非周期作业（aperiodic job） 某些作业的释放时间在产生它们的事件发生之前是不知道 的 随机时刻释放 随机分布的概论A(x)：作业的释放时间在x或者x之前的概 率 到达时间（arrival time）或者到达时间间隔（interarrival time） 当一个非周期作业释放时称为到达 A(x)是到达时间分布或者到达时间间隔分布
4
Song Guanghua
2实时系统参考模型－处理器和资源
处理器 如果两个处理器功能相同并且可以交换使用，那么 就可以认为它们是同一类型
− 例如：对称多处理器系统中的多CPU
通常在关注作业调度、同步和处理器利用率时，不 区分处理器类型 资源 被动资源 如内存、序列号、信号量和锁
5
Song Guanghua
3 Song Guanghua
实时系统概述－ 实时系统概述－实时系统定义
POSIX 1003.b定义 指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务 一个实时系统必须满足的条件 计算机必须在一个给定的时间期限之前完成计算任务 硬实时系统 如果计算机没有能够及时的交付计算结果，那么由这个计算机 控制的系统就会发生灾难性的后果 具有强定时约束 软实时系统 对计算任务有时限要求，但该时限要求的延迟不会引起严重的 后果 一般不需要证明系统确实满足实时性能要求 具有弱定时约束
− ei-：Ji的最小执行时间 − ei+：Ji的最大执行时间
通常假定所有强实时作业的ei-和ei+都是已知的 实际执行时间是未知的
9 Song Guanghua
实时系统参考模型－周期性任务模型
周期性任务模型
适用于确定性工作负荷 准确性会随着释放时间抖动的增加以及执行时间的变动而 变弱
周期任务（period task）
6 Song Guanghua
实时系统参考模型－时间参数（2 实时系统参考模型－时间参数（2）
释放时间、绝对时限与相对时限都是时间参数 用ri，di，Di表示 作业的可行间隔 作业Ji的释放时间和绝对时限之间的时间间隔（ri，di） 释放时间抖动（release-time jitter） 假设ri在一定范围[ri-，ri+]内波动
2
Song Guanghua
实时系统概述－ 实时系统概述－定时约束
对于一个给定的时限，如果计算任务没有完成，有三种情况：
价值
价值
价值
强定时约束
时限
时限
时限
当不能满足定时约束或时限被认为是致命错误时，这个定时约 束就是强定时约束 弱定时约束 同样不希望作业的执行延迟 个别弱时限的延迟不会造成严重的后果 随着延迟的作业的增多，系统整体性能会变差
N = ∑ H / pi
i =1
n
对于周期为3、4、10的三个周期任务，超周期长度为60，N=41
实时系统参考模型－周期性任务模型（3） 实时系统参考模型－周期性任务模型（3
在t时刻释放的Ti中的作业必须在t之后的Di个时间内完 成 经常假定，对所有的任务，每个作业在每个周期的 开始都是释放的、就绪的并且必须在周期结束之前 完成 Di可以取任意值，并且可以小于pi 非周期任务 任务中的作业要么是弱时限的要么没有时限 对于模型中的非周期任务，作业的执行时间也是随机分 布变量 服从概率分布B(x)
8 Song Guanghua
实时系统参考模型－时间参数（4 实时系统参考模型－时间参数（4）
执行时间ei 在Ji独自执行并且其所需要的资源都具备的情况下 ，完成Ji的执行所需要的时间 取决于作业的复杂度和处理器速度，与作业如何调 度无关 完成任务需要的实际时间会发生变化 ei在范围[ei-,ei+]
实时系统参考模型－周期性任务模型（2） 实时系统参考模型－周期性任务模型（2
Ti的相位 每个任务Ti的第一个作业Ji,1的释放时间ri,1 定义为φi=ri,1 具有相同相位的任务称为同相 超周期（hyper-period） H表示pi的最小公倍数 每个超周期中作业（最大）个数N为 任务Ti的利用率ui 周期为pi，执行时间为ei的完全周期性任务保持处理器忙的时间 比率 ui=ei/pi 总利用率 系统中所有任务的利用率之和
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Song Guanghua
实时系统参考模型－功能参数
抢占（preemption） 当更紧急作业到达时，当前执行的任务被暂停，处 理器被交给更紧急的作业，当更紧急的作业完成后 ，处理器再返还给原先的任务恢复执行 如果一个作业的执行在任何时候都可以被挂起以便 让给其他作业执行，随后又可以在挂起点被恢复执 行，则该作业是可抢占的（preemptible） 如果一个作业必须从头到尾的执行，中途不能中断 ，则称该作业是不可抢占的（nonpreemptible） 作业的重要性（importance） 一个用于指明作业相对于其他作业的重要性的整数 作业越关键，重要性越大
实时系统参考模型－时间参数
通常假定强实时作业和任务的许多参数总是已知的 例如系统中任务的个数
− 在许多嵌入式系统中，只要系统处于一种操作模式下
，其任务个数就是固定的
− 当系统的操作模式改变时，任务个数也会改变，在新
模式下的任务数也应该是已知的
对于任务个数会改变的系统，系统必须维护所有已 有强实时任务的信息，包括个数 作业的参数 时间参数：说明作业的定时约束和行为 互连参数：描述作业如何依赖于其他作业以及其他 作业如何依赖于它 功能参数：说明作业的内在属性 资源参数：说明其资源要求
− ri-：最早释放时间 − ri＋：最晚释放时间
如果每个作业的实际释放时间可以用其最早或者最晚释 放时间近似代替，则说作业有固定的释放时间 释放时间间隔（inter-release time） 作业流中两个连续作业的释放时间的间隔
7 Song Guanghua
实时系统参考模型－时间参数（3 实时系统参考模型－时间参数（3）
16 Song Guanghua
实时系统参考模型－任务的资源参数和资源的参数 资源的抢占性 如果限制一个资源的每个单元必须串行使用，则该 资源为不可抢占的,否则就是可抢占的 采用资源图表示资源的配置 所有的处理器和资源都有顶点对应 顶点的属性是资源的参数
− 资源的类型 − 资源数量
边表示资源之间的关系
18 Song Guanghua
3实时调度算法－时钟驱动调度
时钟驱动（clock-driven） 是指在系统开始执行之前，选择一些特定的时刻， 在这些时刻决定哪一个作业在何时执行 在典型的使用时钟驱动调度方法的系统里，所有强实时 作业的参数都是固定的并且是已知的 作业的调度表脱机计算并被保存，在运行时使用 调度程序在每一个调度决策时刻调度作业运行 运行时开销可被最小化 适用于基本具有可确定性的系统 在可确定性的框架下还可以存在少量非周期作业和 偶发作业
17
Song Guanghua
实时系统参考模型－调度等级
调度程序（scheduler） 根据所选择的一组调度算法和资源访问控制协议来对作业进行调 度和资源分配，实现这些算法的模块称为调度程序 调度的正确性（correctness） 调度程序产生唯一有效的调度 可行调度（feasible） 如果所有的作业能满足其时限要求，称为可行调度 可调度的（schedulable） 如果使用一个调度算法，调度程序总能产生可行调度，则称根据 此调度算法的作业集合是可调度的 最优的（optimal） 当给定作业集合有可行调度时，如果一个强实时调度算法，总能 产生可行调度，则此调度算法是最优的 作业的延迟 作业的完成时间与时限的差 − 作业提前完成，延迟就是负值 − 作业完g Guanghua
Task Set
22
Song Guanghua
嵌入式系统－ 嵌入式系统－实时理论
1实时系统概述－实时术语 实时系统概述－
作业（job） 能够被系统调度和执行的工 作单元 任务（task） 共同提供某种系统功能的一 组相关作业 活动资源（active resource） 作业执行时占用的资源：比 如CPU、网络、磁盘 释放时间（release time） 在这一时刻，作业可以开始 执行 时限（deadline） 作业必须在给定的时间点之 前完成，这一时间点即是时 限 响应时间（response time） 作业从释放到完成的时间长度 相对时限（relative deadline） 作业的最大允许响应时间 绝对时限（absolute deadline） 作业的释放时间加上相对时限 定时约束（timing constraint） 对作业的定时行为所施加的约 束
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Song Guanghua
实时调度算法－基于优先级调度
基于优先级的调度
不事先计算任务的调度表，而是在作业释放以后，给它们 分配优先级，并按照优先级次序把作业放入就绪队列
固定优先级算法
为每个任务中的所有作业分配相同的优先级 每个周期任务的优先级相对于其他任务来说是固定不变的
动态优先级算法
给每个任务的单个作业分配不同的优先级 作业释放并完成时，任务的优先级相对于其他任务的优先 级可能会发生变化
12 Song Guanghua
实时系统参考模型－优先约束和数据依赖
作业间的数据和控制依赖关系可能限制了作业的执行次序 优先约束（precedence constraints） 如果要按照某种次序限制作业的执行，称作业具有优先约束 如果作业可以按照任意次序执行，称作业是独立的（independent ） 优先次序关系（precedence relation） 作业之间的先后约束关系 如果Jk在Ji执行完成之前不能开始执行，则称Ji是Jk的前任（ predecessor），Jk是Ji的后继（successor） 用偏序关系表示为Ji<Jk 如果Ji<Jk并且没有其他作业Jj使得Ji<Jj<Jk，则称Ji是Jk的直接前 任（immediate predecessor），Jk是Ji的直接后继（immediate successor） 如果Ji和Jk既没有关系Ji<Jk，也没有关系Jk<Ji，则它们是独立的 就绪（ready） 当一个有前任的作业在其释放时间或者释放时间之后，且其所有 的前任都已经完成，该作业才能就绪 13 Song Guanghua
如每个计算或者数据传输按照规则的或者半规则的时间间 隔反复不断的执行，以便为系统提供某个功能，就将之建 模为周期任务 周期任务是一系列的作业Ti
对于Ti
周期pi
− 是Ti中相连的作业的释放时间间隔之中的最小长度
执行时间（execution time）ei
− 是Ti中所有作业的最大执行时间
10 Song Guanghua
实时系统参考模型－优先约束和数据依赖（2 实时系统参考模型－优先约束和数据依赖（2）
前趋图（precedence graph） 采用有向图表示的优先约束关系 顶点对应于作业，有向边对应于优先约束关系 任务图（task graph） 扩展了的前趋图 顶点表示作业，用一对数字来表示它们的可行间隔 ，边表示作业间的依赖关系 数据依赖 如果作业Jk消费Ji所产生的数据或者作业Ji向Jk发消 息，则产生数据依赖
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Song Guanghua
实时系统参考模型－其他依赖关系
时间依赖关系 时间距离（temporal distance）
− 两个作业完成时间的差值 − 如果要求两个作业之间的时间距离不能超过某个有限
值，则称它们有时间距离约束
AND/OR优先约束 如果一个作业必须等待所有直接前任作业的完成， 这样的作业称为AND作业，依赖关系为AND优先约束 如果一个作业的一个或者一些直接前任已经完成， 那么只要此作业在释放时间或者释放时间之后就可 以开始执行，这样的作业称为OR作业
大多数实用调度算法会给单个任务分配固定的优先级
每当作业释放并准备进入就绪队列时，就给作业分配优先 级
20 Song Guanghua
实时调度算法－速率单调算法
速率单调算法（Rate Monotonic），RM算法 1973年，著名实时调度算法 固定优先级算法 假定任务是周期性的 假定任务的相对时限等于它的周期 基于任务的周期分配任务优先级 周期越短，优先级越高 任务的速率与其周期成反比 速率越高，优先级越高
偶发作业（sporadic job）或非周期作业（aperiodic job） 某些作业的释放时间在产生它们的事件发生之前是不知道 的 随机时刻释放 随机分布的概论A(x)：作业的释放时间在x或者x之前的概 率 到达时间（arrival time）或者到达时间间隔（interarrival time） 当一个非周期作业释放时称为到达 A(x)是到达时间分布或者到达时间间隔分布
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Song Guanghua
2实时系统参考模型－处理器和资源
处理器 如果两个处理器功能相同并且可以交换使用，那么 就可以认为它们是同一类型
− 例如：对称多处理器系统中的多CPU
通常在关注作业调度、同步和处理器利用率时，不 区分处理器类型 资源 被动资源 如内存、序列号、信号量和锁
5
Song Guanghua
3 Song Guanghua
实时系统概述－ 实时系统概述－实时系统定义
POSIX 1003.b定义 指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务 一个实时系统必须满足的条件 计算机必须在一个给定的时间期限之前完成计算任务 硬实时系统 如果计算机没有能够及时的交付计算结果，那么由这个计算机 控制的系统就会发生灾难性的后果 具有强定时约束 软实时系统 对计算任务有时限要求，但该时限要求的延迟不会引起严重的 后果 一般不需要证明系统确实满足实时性能要求 具有弱定时约束
− ei-：Ji的最小执行时间 − ei+：Ji的最大执行时间
通常假定所有强实时作业的ei-和ei+都是已知的 实际执行时间是未知的
9 Song Guanghua
实时系统参考模型－周期性任务模型
周期性任务模型
适用于确定性工作负荷 准确性会随着释放时间抖动的增加以及执行时间的变动而 变弱
周期任务（period task）
6 Song Guanghua
实时系统参考模型－时间参数（2 实时系统参考模型－时间参数（2）
释放时间、绝对时限与相对时限都是时间参数 用ri，di，Di表示 作业的可行间隔 作业Ji的释放时间和绝对时限之间的时间间隔（ri，di） 释放时间抖动（release-time jitter） 假设ri在一定范围[ri-，ri+]内波动
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Song Guanghua
实时系统概述－ 实时系统概述－定时约束
对于一个给定的时限，如果计算任务没有完成，有三种情况：
价值
价值
价值
强定时约束
时限
时限
时限
当不能满足定时约束或时限被认为是致命错误时，这个定时约 束就是强定时约束 弱定时约束 同样不希望作业的执行延迟 个别弱时限的延迟不会造成严重的后果 随着延迟的作业的增多，系统整体性能会变差