实时中间件动态调度算法的研究及应用

（ 即第 + 个非周期任务在前一任务的截止期前到 !） ,+1)+/(， 达， 由于在之前服务器对非周期任务处理能力已耗尽， 则
)+*)+/(0 ’+ (/!综上
!&/08!-&/03!8(4 ’ ! ’/(因 为 (6 !’ ， 则 !&/01( ， 可以看出， 平均的响应时间越小，
服务器的利用率越低， 须综合考虑这两种指标。当任务集不满 足以上条件时， 则不可调度或达不到性能要求。调整性能参数 （ 如增大响应时间， 降低周期或非周期的负载） 和资源配置（ 多 服务器方式） ， 以满足相应的可调度条件。
为第 & 组中所有 ’() 项的最坏的访问时间之和：
)&
)D!%&， $
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作者简介： 蒲维（ ， 男， 博士生， 研究领域为分布式实时系统、 现场总线等。邹益仁（ ， 男， 研究员， 博士生导师， 研究领域为实时控制与 &O\IL ） &OI#L ） 管理信息系统， 系统集成等。
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!""#$!% 计算机工程与应用
( ! * ) +
周期性任务表
周期（ &’） 执行时间（ &’） 服务器利用率
的任务（ 组） 节点， 该节点包括执行的项和任务绝对截止期。启 动一独立线程实现调度算法， 以队列中一任务（ 组） 中项的执行 时间 ’ 为调度的粒度， 即其他时间参数为该粒度的整数倍。因 为周期任务基于时间驱动， 线程有一计数器（ 以粒度为计数单 位） ， 首先扫描客户预订的组链表， 当计数器等于组的刷新周期 的整 数 倍 ， 则产生一该订阅任务（ 组） 节点， 接着其在待服务任 务 队 列 节 点 位 置 12’， 使 得 )-2"")+1)-2" 3(， 插入到待服务任务队 列 12’ 和 12’3( 之间。形成一截止期升序队列。每完成一个数 据项的执行后， 总是取当前队列的头节点， 读相应的未刷新的 项， 置已读标志， 若该节点所有项刷新完毕， 则将该节点从队列 中删去。非周期任务是客户端同异步读写请求事件驱动的。请 求时用当前的 !- 、 ’+ 、 3 和 )+4( 根据式计算出任务的 )+ ，按 上 述 方法插入任务链表。在调度中， 客户可能加入新的组或者组中 加入新的项， 如立即调度这些变化的周期性任务， 任务队列中 存在的非周期任务可能造成周期任务超时，形成暂时的过载， 引起调度异常。处理的方法有两种： （ 按新的 !- 重新修正已存在的非周期任务的截止期， 这 (） 将是一递推过程， 则新任务进入调度的延迟不超过其周期 (%。
’() 规范所形成的 ’() 服务器作为工控系统的中间件，由于 其标准性、 开放性和灵活性得到日益广泛的应用。 ’() 数据服
务器负责对设备的访问细节，客户通过标准的接口访问数据。
#
动态调度算法设计
在单服务器上， 对于周期性任务， 实时调度算法有速率单
’() 为诸如 <)? 、 (*) 、智能仪表设备的数据 服 务 器 定 义 了 建 方法和属性， 通过该服务 立在 ’*+ 组件技术上的标准的对象、 器， 标准的支持 ’*+ 的客户机就可以与低层控制系统通信 @&A。
@#A @IA 调（ ， 截止期 单 调 （ ， 最早截止期优先（ ， 对于非 H;） <;） +<5）
周期性任务， 一般为 +<5。 对于混合任务集的实时调度， 任务调 度算法须保证满足硬实时周期性任务的截止期要求下为软实 时非周期性任务提供更小的平均响应时间。 静态算法一般基于 按照 H; 优 先 级 方 式 进 行 调 度 。 静 态 算 法 的 优 点 是 H; 方法， 计算复杂度小， 易于实现， 缺点是服务器的利用率低， 在高负载
.
3# "（ (4!- ） 3! 43(
所以
3# 3!- "( 3! 43(
满 足 ,-. 方 式 下 任 务 可 调 度 的 充 要 条 件 ! "( 5!6， 如执行 的非周期任务时间不大于系统可提供的带宽， 则可保证所有的 周期性任务的截止期。对一非周期请求来说， 假设非周期的请 则 !" （ ， 即到达的 求服从泊松分布， 平均到达速率为 !， (4!- ） 速率应不大于服务的速率， 可保证避免随着时间增加队列无限 若要求非周期任务的平均 变长的情况。 该队列为 4 5 4 7 ( 模型， 响 应 时 间 为 (6 ， 则 (6* ’ 的时间比例， "8 利用率为：
;& <#. =0& >.5#* （ +H) -, =230B.8307 P63-G839/ Q0/S2-4-BT ， =21393630 -, P63-G839-2， )S92010 P/870GT -, ?/902/01， U09V92B &"""%"）
+?6%5)/%： QS0 C8C0. C.010231 .084L39G0 1/S076492B G-704 -, .084L39G0 G97740W8.0 ’()， 7019B21 7T28G9/ 1/S076492B 84X ， B-.93SG1， 70841 W93S STY.97 381Z1 827 9GC40G023839-2 （ Y8107 -2 +<5） 827 8284T[01 3S0 1/S07648Y9493T 827 .01C-210 C0.X ,-.G82/01 827 C8.8G030.1 -, 8C0.9-79/ 381Z1$=2 4813， 3S0 C8C0. 1S-W1 1/S076492B .01643 -, 3S0 84B-.93SG1$
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和当前待处理的非周期任务有
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关， 即 )+ （ ， 考虑两种情况： ,+ ， )+/(， !- ） （ 即第 + 个非周期任务在前一任务的截止期后 (） ,+ !)+/(， 到达， 则 )+*,+0 ’+
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， 这里 " 为处理非周期任务忙所占
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实时中间件动态调度算法的研究及应用
蒲 维 邹益仁 （ 中科院自动化所综合自动化技术工程中心， 北京 &"""%" ）
+LG894： CMN18GC40$98$8/$/2
摘 要 文章建立了实时中间件 ’() 服务器的实时调度模型， 设计了处理混合任务的动态调度算法（ 基于 +<5） 和实现
方式， 分析了算法的可调度性和非周期任务的响应性能及参数设计， 并给出了相应的调度结果。 关键词 实时中间件
’()
动态调度算法
最早截止期优先 文献标识码 P 中图分类号 Q(#"&$R
文章编号 &""!L%##&L（ !""# ） !%L""O%L"!
Байду номын сангаас
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制定的一 间 件 。 ’() 接 口 是 由 ’() 基 金 会 （ ’() 5-627839-2 ） 事 套标准的基于 ’*+ : )’;、 <)’; 支持过程数据访问、报警、 件与历史数据访问等功能的接口协议。 它的目的是为了使过程 控制工业中的自动控制应用程序，现场系统 : 仪表以及商业办 公应用程序之间有更强大的互操作性和兼容性。 在这种开放的 体系结构下，可以在所有的网络层次实现应用程序的互连， 从 而提供一种灵活管理环境。随着 =230.203 和 >>> 技术的流行 和发展， 从远端远程在线的监控工厂的生产也成为可能。基于
)+*&/0 （ ,+ ， )+/(） 0 ’" (/!可见执行时间较短的任务截止期更小，可得到更快的响 应。 从而在保证周期任务截止期上提高整个非周期任务的平均 响应时间。
9
实验结果
对该动态算法的测试结果： 动态算法的稳定性： （ (）
表(
周期性任务
)
调度算法的实现
在服务器中建立一待服务任务队列， 该队列中存放待调度
*
调度算法设计
对于订阅的周期任务 $%， ， ’%， (%， )%， ’% 是任务 % 的 最 坏 处 & （ &）
+
可调度性和非周期响应性能分析
在 #53(， 由于 3!6，
理时间， (% 是任务 % 的周期， )%， & 是任务 % 第 & 个实例的绝对截止 期， 其中 )%， 对于非周期任务 $+ （ ， ’+ ， ,+ ， )+ ） ’+ 是第 + 个请求 &*&(%， 的最坏处理时间， ,+ 是 第 + 个 请 求 的 到 达 时 间 ， )+ 是 第 + 个 请 求的绝对截止期，非周期性任务符合随机的泊松分布， ,-. 动 态调度算法基于任务的绝对截止期， 即最早截止期的任务优先 执行，调度算法的关键是设置非周期任务的绝对截止期 )+ ， 以 保证周期性任务的执行，即满足所有周期任务截止期的要求， 同时最小化非周期性读写任务的响应时间。 由于非周期请求利 用保证周期任务执行的剩余的处理能力。显然， )+ 与周期任务 的服务器利用率因子 !-*
， @#(:05’6： H084L39G0 G97740W8.0 ， ’*+ ,-. (.-/011 )-23.-4（ ’() ） <T28G9/ 1/S076492B 84B-.93SG1， +<5
&
引言
是面向过程控制的实时中 ’() （ ’*+ ,-. (.-/011 )-23.-4）
可 以 认 为 !&， $， %&， $ (% 有 %&()% 。 ’& 为 组 中 各 项 的 刷 新 周 期， 且等于其截止期。 每个项的执行是不可中断的， 其执行时间 可以作为调度的最小粒度， 项之间无先后顺序约束， 组间可以 抢占。订阅的组构成一周期性任务集。除了周期性的订阅刷新 任务， ’() 还支持同步和异步的读写方式，客户的同步和异步 的读写请求形成非周期的任务集， 可以认为多客户的非周期性 请求符合一随机分布（ 如泊松分布） ， 两种类型的任务集构成一 混合任务集。须在服务器中设计一调度策略， 一方面满足周期 性任务（ 订阅刷新） 截止期， 另一方面对非周期性任务（ 同步或 异步的读写请求） 有尽可能快的平均响应时间。
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周期性任务的服务器利用率为
!’ (
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*"$+ ，非周期性任务
%
的 达 到 速 率 !!"$* ， 服务器执行若干小时， 超过截止期的任务 数为零， 可见满足调度条件的任务集是可调度的， 且该算法是 稳定的。 （ 固定非周期性负载， 比较在不同周期性负载下非周期 !） 任务理论和实际的平均响应时间。 其中 "$+"!-""$: ， 图 !8"$( 。 横轴为周期性负载的大小， 纵轴为非周期性任务相对的 ( 中， 响应时间。 ; 为实际响应时间， < 为理论响应时间。 （ 固定周期性负载， 比较在不同非周期性负载下非周期 #） 任务理论和实际的平均 响 应 时 间 。 其 中 !- 8"$+ ， "$""!""$* 。 图 ! 中， 横轴为非周期性负载的大小， 纵轴为非周期性任务相 对的响应时间。 ; 为实际响应时间， < 为理论响应时间。 （ 下转 ((9 页） 计算机工程与应用 !""#$!%
@JA 的情况下是不适合的。 动态算法一般基于 +<5， 可满足调度条
!
实时中间件 ’() 服务器模型
对于一 ’() 服务器，若干客户在服务器上订阅 ! 个 ’()
组（ ： ’() B.-6C1） ， " DE#$ （ %&， ’&） &(& … !F
@!A 每 个 ’() 组 中 包 括 ) 个 ’() 项 （ ， 其中： ’() 930G1 ） %&
于不同于混合任务的静态调度方法，该截止期应该是动态的， 取 决 于 当 前 调 度 环 境 的 !" 和 !# 以 及 当 前 周 期 性 任 务 的 分 布 情况。
（ 不修正已存在的非周期任务的截止期， 当所有未修正 !） 的非周期任务执行完后新周期性任务才进入调度， 其延迟不超 。 过其周期 (%3&/0 （ )+ ）
件为 *"& ， 即服务器的利用率可达到 &""K 。对于 +<5 方 法 ， 所有任务调度的优先级由任务实例的绝对截止期决定。 对于周 期性任务显然有明确的截止期， 即 +&， 如何设定随机的非周 $($’&， 期请求任务的绝对截止期？由于 ’() 服务器一般总是首先 满 足周期任务的时间要求，将余下的能力服务于非周期任务， 对