基于ARINC 653多核多分区操作系统的任务调度

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近些年,航空电子技术的不断突破带动了航空产业的飞速发展,综合模块化航空电子(Integrated Modular Avionics,IMA)系统正逐步取代传统分布式联邦航空电子系统,成为该领域的主流系统架构。相比较传统分布式航空电子系统,采用IMA架构的航空电子系统具备高可靠性、高集成度、低功耗、轻机载、易维护等突出优势。1997年ARINC 653作为一种实时性操作系统规范被提出,它不仅定义了IMA架构下的实时操作系统的行为逻辑规范,而且还向机载应用程序提供了标准的API接口规范。其最初是针对单核处理器平台而提出的,在单核处理器上有成熟的两级调度模型,然而近些年面对航空电子系统快速发展所带来的机载任务规模与处理要求的提升,单核处理器平台已超负荷运载,无法继续满足ARINC 653规范多分区操作系统的实时调度需求,这也就自然使得多核处理器平台在航空电子领域的应用成为发展的必然趋势。相比较ARINC 653规范多分区操作系统在单核处理器平台上成熟的两层任务调度模型,其在多核处理器平台上的调度模型并没有形成国际统一的标准,存在许多不确定性的问题。本文将针对ARINC 653规范多分区操作系统在多核处理器平台上任务切换存在较大的空闲时间,处理器平均利用率低的问题,给出一种基于BMP架构的静态轮转调度算法(BMPRR),以提高多核处理器的平均利用率。本文的主要工作及研究成果如下:1.分析了ARINC 653规范多分区操作系统在单核处理器上成熟的两级调度模型。针对ARINC 653规范多分区操作系统在多核处理器环境下进行任务调度时存在处理核的平均利用率低的问题,本文给出了一种BMPRR调度算法,并在算法中给出任务模型与任务调度模型,任务调度的实时性约束条件以及任务调度的关键参数选择等。实验结果表明,该算法在保证航空电子系统任务调度强实时性要求的前提下,能够显著地提升多核处理器的平均利用率。2.给出了一种分区-处理器核的映射策略,该策略借鉴了AMP、SMP、BMP等传统多核处理器任务调度架构中的任务分配方法,实现了在系统的微内核虚拟机管理器中按9)∶1(9)≥1)的比例进行分区-处理器核的绑定,且每个处理核会根据分区-处理器核绑定的结果来生成独立的调度域。实验结果表明,该策略不仅可以有效的减少分区拆分的次数,保证分区的相对完整性与独立性,而且可以提高任务调度的确定性。3.进行数据推理仿真实验,对本文给出BMPRR调度算法的实时可调度性、任务的延迟特性以及多核处理器的平均利用率等任务调度性能指标进行了对比实验分析,以在理论上论证BMPRR调度算法的可行性与优越性。本文通过实例化的航空电子系统任务集合S2来进行数据推理仿真,实验结果表明,BMPRR调度算法在保证航空电子系统任务集合实时可调度的前提下,可以显著地提升多核处理器的平均利用率,但是不能够保证任务的延迟特性达到最优值。本文中所进行的研究工作得到了中国电子科技集团公司某研究所的支持与资助,文中所研究的结论成果为某型舰载战机的研制铺垫了技术。
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