CN1877534A - 一种嵌入式实时文件***任务调度的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及嵌入式文件***技术领域，旨在提供一种嵌入式实时文件***任务调度的实现方法。该方法包括定义嵌入式实时文件***结构、任务排序、任务的纳入控制和任务调度。该方法通过分割机制和宽松度指标保证了高优先级任务的可抢占性和对低优先级任务调度的公平性，这种机制不仅提高了文件服务的灵活性，而且其实现机制简单清晰，具有较高的可行性。

Description

一种嵌入式实时文件***任务调度的实现方法

技术领域

本发明涉及嵌入式文件***技术领域，特别是涉及一种嵌入式实时文件***任务调度的实现方法。

背景技术

早期计算机***中没有文件管理机构，用户自行管理辅助存储器上的信息，按照物理地址安排信息，组织数据的输入输出，还要记住信息在存储介质上的分布情况，繁琐复杂、易于出错、可靠性差。大容量直接存取存储器的问世为建立文件***提供了良好的物质基础。多道程序、分时***的出现，多个用户以及***都要共享大容量辅助存储器。因而，现代操作***中都配备了文件***，以适应***管理和用户使用软件资源的需要。对计算机***中软件资源的管理形成了操作***的文件***。

文件是在逻辑上具有完整意义的信息的集合，它有一个名字以供识别。文件名是字母或数字组成的字母数字串，它的格式和长度因***而异。

组成文件的信息可以是各式各样的：一个源程序、一批数据、各类语言的编译程序可以各自组成一个文件。文件名可以按各种方法进行分类：如按用途可人成：***文件、库文件和用户文件；按保护级别可分成：只读文件、读写文件和不保护文件；按信息流向可分成：输入文件、输出文件和输入输出文件；按存放时限可分成：临时文件、永久文件、档案文件；按设备类型可分成：磁盘文件、磁带文件、软盘文件。此钱同学可以按文件的逻辑结构或物理结构进行分类。

操作***提供文件***后，首先，用户使用方便，使用者无需记住信息存放在辅助存储器中的物理位置，也无需考虑如何将信息存放在存储介质上，只要知道文件名，给出有关操作要求便可存取信息，实现了“按名存取”。特别，当文件存放作了改变，甚至更换了文件的存储设备，对文件的使用者也没有丝毫影响。其次，文件安全可靠，由于用户通过文件***才能实现对文件的访问，而文件***能提供各种安全、保密和保护措施，故可防止对文件信息的有意或无意的破坏或窃用。此外，在文件使用过程中可能出现硬件故障，这时文件***可组织重执，硬件失效而可能造成文件信息破坏痢，可组织转储以提高文件的可靠性。最后，文件***还能提供文件的共享功能，如不同的用户可以使用同名或异名的同一文件。这样，既省了文件存放空间，又减少了传递文件的交换时间，进一步提高了文件和文件空间，又减少了传送文件的交换时间，进一步提高了文件和文件空间的利用率。把数据组织成文件形式加以管理和控制是计算机数据管理的重大发展。

实时操作***(RTOS)已在众多领域得到了应用并发挥着重要作用，在其发展初期，多数的RTOS产品都没有涉及对磁盘的应用，其能够管理的数据量也随之变得非常有限。

这主要是因为磁盘读写相对于CPU而言具有较低的速度并且其引入的时廷具有不确定性。然而，现代实时应用中越来越多的应用***都需要使用磁盘来存取实时数据，其中主要有军用C3I***、实时数据库***以及实时数据采集***(例如核电站监控***)等。在这类***中，将所有要管理的数据都置于内存之中已失去了成本效益。即使对提供了文件***服务功能的实时操作***而言，其实时性能仍有待提高。以RT-Mach为例进行研究，会发现由于RT-Mach中对磁盘存取命令的响应不是基于优先级或者截止期的，因此其非实时的磁盘调度并不能满足实时的磁盘存取要求。

对于文件***，必须满足如下要求方能成为实时文件***：

1)对同一文件的物理磁盘块采取连续分配策略，减少寻址消耗；

2)对多个文件存取请求能够按照优先级排序，确定合理响应序列；

3)文件存取服务具有可抢占性，保证优先级最高的请求能够及时得到响应。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种嵌入式实时文件***任务调度的实现方法。本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：

本发明提供了一种嵌入式实时文件***任务调度的实现方法，包括以下步骤：

1)定义嵌入式实时文件***结构

采用分割机制，通过将文件***在功能结构上划分为两个层次来实现，将不能抢占的文件读写请求分割成多个磁盘I/O操作，这些子操作将通过相应的功能函数陆续地送至磁盘驱动程序；

顶层文件***UFS将来自***进程、用户进程的对文件***的调用请求转换为对一组连续物理地址的操作，底层文件***LFS将其分割成多个磁盘FO子操作，并根据其各自的优先级和截止期进行排序，从其中选出最紧迫的任务进行操作；

2)任务排序

文件***的排序将通过LFS维护的任务队列TQ实现，从UFS送至LFS的操作请求如果能够参与调度将作为新元素***到队列TQ中；

队列TQ的元素记录了每个任务两个方面的内容：文件调用服务信息和任务调度信息；

3)任务的纳入控制

任务纳入控制是在UFS将新任务送至LFS时，由LFS对该任务是否能够加入任务队列的一个评判过程，包括以下两个方面：

(1)控制竞争任务数量：通过为任务队列分配固定的成员数，防止过多的任务参与竞争，以免任务调度对***性能的影响；

(2)考察任务参数：通过分析新任务中有关任务调度方面的参数，对***的时间资源分配情况进行简易的分析；

4)任务调度

队列TQ按照任务元素的优先级高低顺序以及其在文件***的初始状态，LFS将选择运行队列中优先级最高的任务，每当完成单位大小的数据传输后，LFS除了修改当前任务记录中的现场信息外，还将遍历队列中所有元素的宽松度域，对其进行减一操作，若出现下列两种情况中的任一种，LFs将保存当前任务的调用现场，并选择运行相应的任务：

(1)存在j，T_j∈TQ andP_j＞P_i(即有比当前任务更高优先级的任务到达，则任务T_j抢占)；

(2)存在j，T_j∈IQ and R_j＝0(即出现宽松度为零的任务，则该任务T_j抢占)；

若上述情况均未出现，则将继续当前任务的下一次单位大小的数据传送。

作为本发明的一种改进，步骤(1)所述的文件服务信息用于记录调用本身的参数以及现场信息，包括数据传输方向、需传输字节数、相对于文件的当前变址和位于用户空间的当前变址。

作为本发明的一种改进，步骤(1)所述的任务调度信息用于记录LFS任务调度需要使用的信息，对于TQ中的任一任务，其这部分信息由优先级哺宽松度R组成，其中宽松度Relaxation是对指定任务在获得足够操作时间前可以等待的时间长短的一个量度；队列TQ按照任务元素的优先级高低顺序进行排列。

作为本发明的一种改进，步骤(3)所述考察任务参数时，对时间资源分配情况的考察规则基于对任务队列中的所有任务均会在截止期之前获得足够的时问进行数据传输的假设：

设***全局时钟为t_global，当前任务队列TQ＝{T₁，T₂，T₃，...，T_n}，满足纳入控制条件，可以成功地进行调度，为进行纳入控制，LFS需维护两个变量：D_MAX，R_SUM，分别记录了当前任务队列各元素中最大的截止期和各元素宽松度的总和，其定义如下：

D_MAX＝max{D₁，...，D_n，D’}

E_SUM＝∑R_i(i∈N，i从1到n)

对新到达任务T’有：优先级为P’，数据传输量为L’，截止期D’，可计算宽松度为R’。

若满足R_SUM+R’＜D_MAX-tglobal的条件，则任务T’允许纳入。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：

通过分割机制和宽松度指标保证了高优先级任务的可抢占性和对低优先级任务调度的公平性，这种机制不仅提高了文件服务的灵活性，而且其实现机制简单清晰，具有较高的可行性。

附图说明

图1是本发明过程的示意图；

图2是嵌入式实时文件***分层结构的示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

一种嵌入式实时文件***任务调度的实现方法，附图1是本发明实施过程的整体示意图，其具体实施方法如下：

1)定义嵌入式实时文件***结构

采用分割机制，通过将文件***在功能结构上划分为两个层次来实现，将不能抢占的文件读写请求分割成多个磁盘I/O操作，这些子操作将通过相应的功能函数陆续地送至磁盘驱动程序，分层结构如图2；

顶层文件***UFS将来自***进程、用户进程的对文件***的调用请求转换为对一组连续物理地址的操作，底层文件***LFS将其分割成多个磁盘FO子操作，并根据其各自的优先级和截止期进行排序，从其中选出最紧迫的任务进行操作；

每当一个磁盘I/O子操作完成以后，LFS均要检查任务队列中是否出现更紧迫的操作请求，若出现这种情况且当前任务还未完成，LFS将负责保存当前任务的工作现场，使其进入阻塞状态，并将最紧迫的操作请求激活；否则，将会继续当前任务的下一个单位I/O子操作。

在采用了分割机制和分层结构以后，文件***调用将通过I~1LFS分解为一组磁盘I/O子操作循环序列得以完成。显然，分割后的子操作数目会随着单位磁盘I/O子操作所涉及的磁盘地址范围大小不同而变化，LFS在任务队列维护与调度方面所引入的性能消耗也会随之变化。

文件将以16kB为基本单位进行资源分配。为满足不同的实时应用，将文件按大小分为8I：0～7，每一级的大小为2‘×16kB。在文件最初创建时，需指定文件的级数，操作***将在现有存储资源足够的条件下，为文件分配物理地址连续的、相应大小的磁盘块组，其效能如下表所示。

单位操作/地址范围(kB)	吞吐率/(Mps)
		0.5	125
2.0	2.52
		4.0	3.00
8.0	3.48
		16	3.95
32	3.95
		64	3.95
96	3.95

2)任务排序

文件***的排序将通过LFS维护的任务队列TQ实现，从UFS送至LFS的操作请求如果能够参与调度将作为新元素***到队列TQ中；

队列TQ的元素记录了每个任务两个方面的内容：文件调用服务信息和任务调度信息。

文件服务信息用于记录调用本身的参数以及现场信息，主要有数据传输方向(读/写)、需传输字节数、相对于文件的当前变址、位于用户空间的当前变址等。

任务调度信息用于记录LFS任务调度需要使用的信息，对于TQ中的任一任务，其这部分信息由优先级哺宽松度R组成，其中宽松度Relaxation是对指定任务在获得足够操作时间前可以等待的时间长短的一个量度；

队列TQ按照任务元素的优先级高低顺序进行排列；

3)任务的纳入控制

任务纳入控制是在UFS将新任务送至LFS时，由LFS对该任务是否能够加入任务队列的一个评判过程，作为进行任务调度之前的预分析，它的目的是要保证加入新任务以后形成的任务队列仍然能够成功地进行调度。从以下两个方面可以进行判断：

(1)控制竞争任务数量。通过为任务队列分配固定的成员数，防止过多的任务参与竞争，以免任务调度对***性能的影响；

(2)考察任务参数。通过分析新任务中有关任务调度方面的参数，对***的时间资源分配情况进行简易的分析；

时间资源分配情况的考察规则是基于这样的假设：任务队列中的所有任务均会在截止期之前获得足够的时问进行数据传输；

设***全局时钟为t_global，当前任务队列TQ＝{T₁，T₂，T₃，...，T_n}，满足纳入控制条件，可以成功地进行调度，为进行纳入控制，LFS需维护两个变量：D_MAX，R_SUM，分别记录了当前任务队列各元素中最大的截止期和各元素宽松度的总和，其定义如下：

D_MAX＝max{D₁，...，D_n，D’}

R_SUM＝∑R_i(i∈N，i从1到n)

对新到达任务T’有：优先级为P’，数据传输量为L’，截止期D’，可计算宽松度为R’。

若满足以下条件，则任务T’允许纳入：

R_SUM+R’＜D_MAX-t_global

4)任务调度

队列TQ按照任务元素的优先级高低顺序以及其在文件***的初始状态，LFS将选择运行队列中优先级最高的任务，每当完成单位大小的数据传输后，LFS除了修改当前任务记录中的现场信息(需传输字节数、相对于文件的当前变址、位于用户空间的当前变址)外，还将遍历队列中所有元素的宽松度域，对其进行减一操作，若出现下列两种情况中的任一种，LFs将保存当前任务的调用现场，并选择运行相应的任务：

(1)存在j，T_j∈TQ andP_j＞P_i(即有比当前任务更高优先级的任务到达，则任务T_j抢占)；

(2)存在j，T_j∈IQ and R_j＝0(即出现宽松度为零的任务，则该任务T_j抢占)；

若上述情况均未出现，则将继续当前任务的下一次单位大小的数据传送。

Claims (4)

1、一种嵌入式实时文件***任务调度的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)定义嵌入式实时文件***结构

采用分割机制，通过将文件***在功能结构上划分为两个层次来实现，将不能抢占的文件读写请求分割成多个磁盘I/O操作，这些子操作将通过相应的功能函数陆续地送至磁盘驱动程序；

顶层文件***UFS将来自***进程、用户进程的对文件***的调用请求转换为对一组连续物理地址的操作，底层文件***LFS将其分割成多个磁盘FO子操作，并根据其各自的优先级和截止期进行排序，从其中选出最紧迫的任务进行操作；

2)任务排序

文件***的排序将通过LFS维护的任务队列TQ实现，从UFS送至LFS的操作请求如果能够参与调度将作为新元素***到队列TQ中；

队列TQ的元素记录了每个任务两个方面的内容：文件调用服务信息和任务调度信息；

3)任务的纳入控制

任务纳入控制是在UFS将新任务送至LFS时，由LFS对该任务是否能够加入任务队列的一个评判过程，包括以下两个方面：

(1)控制竞争任务数量：通过为任务队列分配固定的成员数，防止过多的任务参与竞争，以免任务调度对***性能的影响；

(2)考察任务参数：通过分析新任务中有关任务调度方面的参数，对***的时间资源分配情况进行简易的分析；

4)任务调度

队列TQ按照任务元素的优先级高低顺序以及其在文件***的初始状态，LFS将选择运行队列中优先级最高的任务，每当完成单位大小的数据传输后，LFS除了修改当前任务记录中的现场信息外，还将遍历队列中所有元素的宽松度域，对其进行减一操作，若出现下列两种情况中的任一种，LFs将保存当前任务的调用现场，并选择运行相应的任务：

(1)存在j，T_j∈TQ andP_j＞P_i(即有比当前任务更高优先级的任务到达，则任务T_j抢占)；

(2)存在j，T_j∈IQ and R_j=0(即出现宽松度为零的任务，则该任务T_j抢占)；若上述情况均未出现，则将继续当前任务的下一次单位大小的数据传送。

2、根据权利要求1所述的嵌入式实时文件***任务调度的实现方法，其特征在于，步骤(1)所述的文件服务信息用于记录调用本身的参数以及现场信息，包括数据传输方向、需传输字节数、相对于文件的当前变址和位于用户空间的当前变址。

3、根据权利要求1所述的嵌入式实时文件***任务调度的实现方法，其特征在于，步骤(1)所述的任务调度信息用于记录LFS任务调度需要使用的信息，对于TQ中的任一任务，其这部分信息由优先级哺宽松度R组成，其中宽松度Relaxation是对指定任务在获得足够操作时间前可以等待的时间长短的一个量度；队列TQ按照任务元素的优先级高低顺序进行排列。

4、根据权利要求1所述的嵌入式实时文件***任务调度的实现方法，其特征在于，步骤(3)所述考察任务参数时，对时间资源分配情况的考察规则基于对任务队列中的所有任务均会在截止期之前获得足够的时问进行数据传输的假设：

设***全局时钟为t_global，当前任务队列TQ＝{T₁，T₂，T₃，...，T_n}，满足纳入控制条件，可以成功地进行调度，为进行纳入控制，LFS需维护两个变量：D_MAX，R_SUM，分别记录了当前任务队列各元素中最大的截止期和各元素宽松度的总和，其定义如下：

D_MAX＝max{D₁，...，D_n，D’}

R_SUM＝∑R_i(i∈N，i从1到n)

对新到达任务T’有：优先级为P’，数据传输量为L’，截止期D’，可计算宽松度为R’。

若满足R_SUM+R’＜D_MAX-t_global的条件，则任务T’允许纳入。