CN114741164A - 一种基于edf-vd的灵活混合临界调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于嵌入式处理器***技术领域，公开了一种基于EDF‑VD的灵活混合临界调度方法，包括如下步骤：步骤1：建立FMCI任务模型：通过延长低临界任务的周期来实现动态调整低临界任务的服务水平；步骤2：提出FMCI‑EDF‑VD调度方法：在***任务调度运行过程中，低临界任务的服务水平根据高临界任务的超支情况进行在线动态调整。本发明的方法能够更明智的管理低临界任务服务水平的降低，减少低关键性任务的无效补偿，与现有的FMC相比，柔性混合临界改进（FMCI）模型可以保证高临界任务的完成，同时调度更多的低临界任务,在支持低临界任务执行方面具有更大的优势。
Description
技术领域
本发明属于嵌入式处理器***技术领域，尤其涉及一种基于EDF-VD的灵 活混合临界调度方法。
背景技术
随着嵌入式***对空间和开销等限制要求不断的提高，将具有不同临界 级别、满足不同认证需求的功能子***集成到同一个共享计算平台上已成为 现代嵌入式***的发展趋势，这种***被称为混合临界***(MCS)。目前， 混合临界***在电力、汽车、航空电子、航空航天等实时嵌入式领域中尤为 常见。例如，在电力设备中的控制***，该***用于处理电力边缘计算等场 景下的任务，模块化集成了对实时性要求不同的业务组件和用以减少不断增 加的计算运行开销和计算复杂度用途的其他组件。而由于不同的组件对***安全保证的要求也是不同的，例如在航空电子领域D0178B标准中就定义了5 个不同的临界级别，临界级别越高的任务代表着若错过最后期限对***的影 响越严重，即对安全可靠性要求越高，因此，对安全可靠性要求越高的组件， 混合临界***会分配更高的临界级别，给予更高的安全保证水平。
在操作过程中，为了避免影响***的安全运行，因此需要给予高临界任 务足够的计算资源，以满足其时间限制。然而如果用传统调度方法管理共享 计算平台上的各个应用组件可能会出现“优先级反转”的问题。针对上述问 题，一种很直观的改进方式是直接使用任务临界级别作为优先级，临界级别 高的任务优先级永远高于临界级别低的任务。但这种方式可能会出现，低临 界任务迟迟未能响应或者当***比较忙碌时，低临界任务会被放弃的情况， 从而影响***整体的服务质量和功能。因此如何有效地调度此类***任务成 为了很多学者关注的学术研究热点。
柔性混合临界(FMC)模型是目前混合临界***任务调度用到较为先进的 一种，对于高临界任务超支后，低临界任务是否需要通过减少自身的执行时 间去平衡整个***资源是通过考虑了所有高临界任务都会超支的情况下等比 例分配***空闲资源方式进行的补偿需求计算。该方式是非常保守的。实际 上，所有高临界任务同时出现超支的情况是极不可能发生的，当并不是所有 高临界任务都出现超支时，***能分配到任一出现超支的高临界任务用来补 偿的空闲资源是可以更多的。另外由于FMC中没有考虑到空闲资源回收反补 偿低临界任务的机制，即当因为高临界任务超支减少了其自身执行时间的低 临界任务在其截止时间前的后续时间中若存在多余的资源时也不会对这些资 源进行回收并返补偿给给高临界任务进行过补偿的低临界任务。因此该方法 可能会存在大量的低临界任务无效补偿，大大降低了低临界任务的性能。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于EDF-VD的灵活混合临界调度方法,以解决 上述的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的一种基于EDF-VD的灵活混合临界调度方 法的具体技术方案如下：
一种基于EDF-VD的灵活混合临界调度方法,包括如下步骤：
步骤1：建立FMCI任务模型：通过延长低临界任务的周期来实现动态调 整低临界任务的服务水平；
步骤2：提出FMCI-EDF-VD调度方法：在***任务调度运行过程中，低 临界任务的服务水平根据高临界任务的超支情况进行在线动态调整。
进一步地，所述步骤1包括如下具体步骤：
N个Γ＝{τ1,τ2,...,τn}非依赖的周期任务在单核处理器平台上混合临界调度的情况为Γ＝{τ1,τ2,...,τn}，其中任意任务τi的特征表示为
其 中Li表示任务的临界级别，双临界***的情况下Li＝{LO,HI}，Ti表示任务 的周期，截止时间等于其周期；
表示任务τi在高临界模式下的最差执 行时间(WCET)，
表示任务τi在低临界模式下的最差执行时间(WCET)， 低临界任务在低临界模式和高临界模式下的WCET相等，高临界任务则分 别拥有不同的两个WCET且满足
进一步地，所述步骤1中包括混合临界***任务集的利用率的计算，其 计算公式如下：
当任一高临界任务出现超支且需要低临界任务进行补偿时，低临界任务新 的***利用率更新如下：
k代表高临界任务进入高临界模式的任务数量，
代表在k个高临界任务 进入高临界模式的情况下低临界任务
的利用率。
进一步地，所述FMCI是通过延长低临界任务的周期或频率的手段来实现 的，其计算方法如下：
通过公式(6)保证FMCI高临界模式下任务的可调度性，计算出低临界任 务需要消耗多少利用率来补偿任一高临界任务超支的情况，当 
即意味着不需要通过减少低临界任务利用率为代 价对高临界任务超支情况进行补偿，高临界任务超支部分花销可由***剩 余的空闲资源进行补偿；当
在这种情况下低临界 任务则需要减少利用率来填补高临界任务超支部分的花销，通过公式(7)计算得到低临界任务所需要提供的总补偿，结合公式(1)(2)，即可计 算得到低临界任务需要延长至多长的周期。
进一步地，步骤2所述FMCI-EDF-VD调度方法包括离线计算和在线调度， 在调度前，首先计算高临界任务在低临界模式下的虚拟期限因子x，满足公 式(10)，
是低临界任务最小的总利用率；
在***任务调度运行过程中，低临界任务的服务水平根据高临界任务的超 支情况进行在线动态调整。
进一步地，所述FMCI-EDF-VD调度方法包括如下具体步骤：
步骤2.1：离线过程，根据公式(8)、(9)，首先计算虚拟期限因子x， 满足公式(10)，保证FMCI-EDF-VD的调度能力；
步骤2.2：在线调度的过程：所有任务的初始状态为低临界模式，也可称 为0级高临界模式，在低临界模式下，高临界任务根据其虚拟截止时间进 行调度，***从就绪任务队列中选择离截止时间最短的任务进行调度；一 旦任一高临界任务超过其在低临界模式下的执行时间，任务状态立即从低 临界模式切换到高临界模式，其他高临界任务保持当前模式不变，同时通 过公式(6)计算超额情况，更新低临界任务的服务水平以平衡资源需求；当就绪任务队列中没有任务时，即***检测到空闲，计算并更新所有低临 界任务的未完成情况，所有任务重置切换回低临界模式；
步骤2.3：调度结束后计算PFJ，PFJ表示在截止时间前成功完成低临界 任务的比例。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该 程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述方法的步骤。
本发明还公开了一种移动终端，包括移动终端本体和控制器，控制器包 括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处 理器执行程序时实现如权利要求1-6任一项所述方法的步骤。
本发明的一种基于EDF-VD的灵活混合临界调度方法具有以下优点：本发 明针对柔性混合临界(FMC)模型中补偿方式的缺陷，对低临界任务的服务水 平降低方法进行了改进，从原来通过减少低临界任务执行时间到延长低临界 任务周期，实现低临界任务服务水平的动态降低。同时提出了相应的 FMCI-EDF-VD调度方法。FMCI-EDF-VD调度方法能够更好的管理松弛时间，在 不损失低临界任务执行时间下同时在其截止时间前也完成了调度。本发明的 方法能够更明智的管理低临界任务服务水平的降低，减少低关键性任务的无 效补偿，与现有的FMC相比，柔性混合临界改进(FMCI)模型可以保证高临 界任务的完成，同时调度更多的低临界任务,在支持低临界任务执行方面具有 更大的优势。
附图说明
图1为FMC-EDF-VD调度结果示意图；
图2为本发明的FMCI-EDF-VD调度结果示意图；
图3为本发明的实验结果曲线图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明 一种基于EDF-VD的灵活混合临界调度方法做进一步详细的描述。
建立FMCI任务模型：本发明考虑N个Γ＝{τ1,τ2,...,τn}非依赖的周期任务在 单核处理器平台上混合临界调度的情况Γ＝{τ1,τ2,...,τn}，其中任意任务τi的特 征可被表示为
其中Li表示任务的临界级别，本发明考虑双 临界***的情况，即Li＝{LO,HI}。Ti表示任务的周期，在本发明中，截止时间 等于其周期。
表示任务τi在高临界模式下的最差执行时间(WCET)。
表 示任务τi在低临界模式下的最差执行时间(WCET)。低临界任务在低临界模 式和高临界模式下的WCET相等，高临界任务则分别拥有不同的两个WCET且 满足
混合临界***任务集的利用率可由以下公式计算
当任一高临界任务出现超支且需要低临界任务进行补偿时，低临界任务 新的***利用率更新如下：
k代表高临界任务进入高临界模式的任务数量，
代表在k个高临界任 务进入高临界模式的情况下低临界任务
的利用率。
具体来说，本发明提出的FMCI与FMC模型的主要区别在于改进了补偿策 略中降低基于利用率的低临界任务服务水平的方法。FMC模型中是通过减少 其执行时间手段来实现动态调整低临界任务的服务水平，而本发明提出的 FMCI是通过延长低临界任务的周期(频率)的手段来实现。计算方法如下：
由于FMCI中的***行为与FMC相同，因此我们可以通过公式(6)保证 FMCI高临界模式下任务的可调度性，可以计算出低临界任务需要消耗多少利 用率来补偿任一高临界任务超支的情况。当
即意味着 不需要通过减少低临界任务利用率为代价对高临界任务超支情况进行补偿， 高临界任务超支部分花销可由***剩余的空闲资源进行补偿。当
在这种情况下低临界任务则需要减少利用率来填补 高临界任务超支部分的花销。因此通过公式(7)可以计算得到低临界任务所需要提供的总补偿，进一步结合公式(1)(2)，即可计算得到低临界任务 需要延长至多长的周期。
FMCI-EDF-VD调度方法：本发明提出的FMCI-EDF-VD调度方法是基于了 传统EDF-VD方法的应用，适用于本发明所提出的FMCI模型。整个调度方法 分成两大部分：离线计算和在线调度。在调度前，我们需要计算高临界任务 在低临界模式下的虚拟期限因子x。为了确保FMCI-EDF-VD的可行性，我们 还需要满足公式(10)，
是低临界任务最小的总利用率。
在***任务调度运行过程中，低临界任务的服务水平根据高临界任务的 超支情况进行在线动态调整，FMCI-EDF-VD具体流程和方法框架见表2。
表2：FMCI-EDF-VD调度方法框架：
第1-2行是离线过程，根据公式(8)、(9)，我们首先计算虚拟期限 因子x，同时需要满足公式(10)，保证FMCI-EDF-VD的调度能力。第3-12 行是在线调度的过程。所有任务的初始状态为低临界模式(也可称为0级高 临界模式)。在低临界模式下，高临界任务根据其虚拟截止时间进行调度。 ***从就绪任务队列中选择离截止时间最短的任务进行调度(第5行)。一 旦任一高临界任务超过其在低临界模式下的执行时间，任务状态立即从低临 界模式切换到高临界模式，其他高临界任务保持当前模式不变，同时通过公 式(6)计算超额情况，更新低临界任务的服务水平以平衡资源需求(第8 行)。当就绪任务队列中没有任务时(即***检测到空闲)，计算并更新所 有低临界任务的未完成情况，所有任务重置切换回低临界模式(第12行)。 调度结束后计算PFJ(第13行)。PFJ表示在截止时间前成功完成低临界任 务的比例。
下面是基于本发明举的调度例子。在本调度样例中，一共有六个任务， 其中τ2～τ4为高临界任务，其余均为低临界任务。Di是任务的截止时间，Di'是 Di乘上虚拟时间因子x得到的虚拟截止时间，Di'仅适用于高临界任务处于低 临界模式的情况下。具体的任务参数值见表1所示。用改进前后两种方法进 行调度的具体过程可见图1图2所示。
表1：调度样例任务参数值：
假设τ4，1会出现超支，进入高临界模式。图1为在FMC模型下的调度情况， 在时刻3，τ4，1进入高临界模式，通过公式(6)计算τ4，1进入高临界模式的超 额情况,由于能够给予其支配的slack不足以补偿其超额情况，因此其超额部 分还需由低临界任务τ5通过减少其执行时间进行补偿，补偿后τ5的新执行时 间为7.48。然而由图1可见，在τ5，1截止时间(即时刻137)前，仍有多个富 余的松弛时间块。实际上，不减少τ5的执行时间也可以完成任务的调度。
图2为在改进了其低临界任务动态降低其服务水平方法下的调度情况。 在时刻3，τ4，1进入高临界模式，同样通过公式(6)计算τ4，1进入高临界模式 的超额情况，其区别在于τ4，1超额部分是通过延长低临界任务τ5的周期进行补 偿，补偿后τ5的新周期为311，其执行时间仍为17。由图2可知，通过该方 式能够更好的管理松弛时间，在不损失低临界任务τ5执行时间下同时在其截 止时间前也完成了调度。
实验：本发明实验参数设置如下：
·每个任务τi的周期Ti是在[20,150]均匀随机抽取的整数。
·每个任务τi的低临界利用率
是在[0.05,015]随机抽取的实数。
·高临界任务的高临界利用率与低临界利用率比值
是在 [2,3]均匀随机抽取的整数。
·任务是高临界任务的概率pCri为0.5
·低临界任务最小的总利用率
为0.3
由此可得低临界任务的WCET为
高临界任务的WCET为
和
为了确保混合临界***的调度，我们给出了一个利用率的界限uB，一次 生成一个任务，直到满足如下两个条件，若不满足则重新生成。
(1)
(2)生成至少3个高临界任务
利用生成的同一套测试任务集去分别评估本专利提出的FMCI和FMC的 PFJ(即在截止时间前成功完成低临界任务的百分比)。
由于实验是基于随机生成的MC任务集，因此为了得到更为可靠的结果。 数据重复了10次取平均的结果，每套测试任务集调度时间为200000个时间 单位。实验参数有高临界任务出现超支的概率p，p∈{0.1,0.3,0.5,0.7,0.9}以及 任务集利用率uB，uB∈{0.7,0.75,0.8,0.85,0.9}，这两个参数不同组合情况下分别 用FMCI和FMC进行调度结果见图3。横轴表示任务集利用率，纵轴表示低临 界任务的完成程度(PFJ值)。
可以观察到以下结论：(1)在相同条件下，对于PFJ，FMCI总是优于FMC。(2)在相同条件下，FMCI的波动性较小。这意味着，当高临界任务进 入高临界模式概率较高或者调度的任务集较为拥挤时，对低临界任务执行效 果影响较小。(3)随着高临界任务进入高临界模式概率的增加，FMCI在PFJ 上的性能优势会更加明显。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉 的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行 各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例 进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此， 本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范 围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (8)
1.一种基于EDF-VD的灵活混合临界调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：建立FMCI任务模型：通过延长低临界任务的周期来实现动态调整低临界任务的服务水平；
步骤2：提出FMCI-EDF-VD调度方法：在***任务调度运行过程中，低临界任务的服务水平根据高临界任务的超支情况进行在线动态调整。
2.根据权利要求1所述的基于EDF-VD的灵活混合临界调度方法,其特征在于，所述步骤1包括如下具体步骤：
N个Γ＝{τ1,τ2,...,τn}非依赖的周期任务在单核处理器平台上混合临界调度的情况为Γ＝{τ1,τ2,...,τn}，其中任意任务τi的特征表示为
其中Li表示任务的临界级别，双临界***的情况下Li＝{LO,HI}，Ti表示任务的周期，截止时间等于其周期；
表示任务τi在高临界模式下的最差执行时间(WCET)，
表示任务τi在低临界模式下的最差执行时间(WCET)，低临界任务在低临界模式和高临界模式下的WCET相等，高临界任务则分别拥有不同的两个WCET且满足
3.根据权利要求2所述的基于EDF-VD的灵活混合临界调度方法,其特征在于，所述步骤1中包括混合临界***任务集的利用率的计算，其计算公式如下：
当任一高临界任务出现超支且需要低临界任务进行补偿时，低临界任务新的***利用率更新如下：
k代表高临界任务进入高临界模式的任务数量，
代表在k个高临界任务进入高临界模式的情况下低临界任务
的利用率。
4.根据权利要求3所述的基于EDF-VD的灵活混合临界调度方法,其特征在于，所述FMCI是通过延长低临界任务的周期或频率的手段来实现的，其计算方法如下：
通过公式(6)保证FMCI高临界模式下任务的可调度性，计算出低临界任务需要消耗多少利用率来补偿任一高临界任务超支的情况，当
即意味着不需要通过减少低临界任务利用率为代价对高临界任务超支情况进行补偿，高临界任务超支部分花销可由***剩余的空闲资源进行补偿；当
在这种情况下低临界任务则需要减少利用率来填补高临界任务超支部分的花销，通过公式(7)计算得到低临界任务所需要提供的总补偿，结合公式(1)(2)，即可计算得到低临界任务需要延长至多长的周期。
5.根据权利要求1所述的基于EDF-VD的灵活混合临界调度方法,其特征在于，步骤2所述FMCI-EDF-VD调度方法包括离线计算和在线调度，在调度前，首先计算高临界任务在低临界模式下的虚拟期限因子x，满足公式(10)，
是低临界任务最小的总利用率；
在***任务调度运行过程中，低临界任务的服务水平根据高临界任务的超支情况进行在线动态调整。
6.根据权利要求5所述的基于EDF-VD的灵活混合临界调度方法,其特征在于，所述FMCI-EDF-VD调度方法包括如下具体步骤：
步骤2.1：离线过程，根据公式(8)、(9)，首先计算虚拟期限因子x，满足公式(10)，保证FMCI-EDF-VD的调度能力；
步骤2.2：在线调度的过程：所有任务的初始状态为低临界模式，也可称为0级高临界模式，在低临界模式下，高临界任务根据其虚拟截止时间进行调度，***从就绪任务队列中选择离截止时间最短的任务进行调度；一旦任一高临界任务超过其在低临界模式下的执行时间，任务状态立即从低临界模式切换到高临界模式，其他高临界任务保持当前模式不变，同时通过公式(6)计算超额情况，更新低临界任务的服务水平以平衡资源需求；当就绪任务队列中没有任务时，即***检测到空闲，计算并更新所有低临界任务的未完成情况，所有任务重置切换回低临界模式；
步骤2.3：调度结束后计算PFJ，PFJ表示在截止时间前成功完成低临界任务的比例。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述方法的步骤。
8.一种移动终端，包括移动终端本体和控制器，其特征在于，控制器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如权利要求1-6任一项所述方法的步骤。
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