Oxymon實(shí)時(shí)氧分析評(píng)估系統(tǒng)

早期的實(shí)時(shí)系統(tǒng)功能簡單，包括單板機(jī)、單片機(jī)，以及簡單的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)等，其調(diào)度過程相對(duì)簡單。隨著實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)復(fù)雜性不斷提高，實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有以下新特點(diǎn):

在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，不但包括周期任務(wù)、偶發(fā)任務(wù)、非周期任務(wù)，還包括非實(shí)時(shí)任務(wù)。實(shí)時(shí)任務(wù)要求要滿足時(shí)限，而非實(shí)時(shí)任務(wù)要求要使其響應(yīng)時(shí)間盡可能的短。多種類型任務(wù)的混合，使系統(tǒng)的可調(diào)度性分析更加困難。

任務(wù)的約束包括時(shí)間約束、資源約束、執(zhí)行順序約束和性能約束。時(shí)間約束是任何實(shí)時(shí)系統(tǒng)都固有的約束。資源約束是指多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)共享有限的資源時(shí)，必須按照一定的資源訪問控制協(xié)議進(jìn)行同步，以避免死鎖和高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被低優(yōu)先級(jí)任務(wù)堵塞的時(shí)間(即優(yōu)先級(jí)倒置時(shí)間)不可預(yù)測。執(zhí)行順序約束是指各任務(wù)的啟動(dòng)和執(zhí)行必須滿足一定的時(shí)間和順序約束。例如，在分布式端到端(end-to-end)實(shí)時(shí)系統(tǒng)很重，同一任務(wù)的各子任務(wù)之間存在前驅(qū)/后驅(qū)約束關(guān)系，需要執(zhí)行同步協(xié)議來管理子任務(wù)的啟動(dòng)和控制子任務(wù)的執(zhí)行，使它們滿足時(shí)間約束和系統(tǒng)可調(diào)度要求。性能約束是指必須滿足如可靠性、可用性、可預(yù)測性、服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)等性能指標(biāo)。

在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，即使一個(gè)功能設(shè)計(jì)合理、資源充足的系統(tǒng)也可能由于一下原因超載:

1)系統(tǒng)元件出現(xiàn)老化，外圍設(shè)備錯(cuò)誤或系統(tǒng)發(fā)生故障。隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增長，系統(tǒng)元件出現(xiàn)老化，系統(tǒng)部件可能發(fā)生故障，導(dǎo)致系統(tǒng)可用資源降低，不能滿足實(shí)時(shí)任務(wù)的時(shí)間約束要求。

2)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化。由于不能對(duì)未來的環(huán)境、系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行正確有效地預(yù)測，因此不能從整體角度上對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，可能導(dǎo)致系統(tǒng)超載。

3)應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大。原先滿足實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)限要求的系統(tǒng)，隨著應(yīng)用規(guī)模的增大，可能出現(xiàn)不能滿足任務(wù)時(shí)限要求的情況，而重新設(shè)計(jì)、重建系統(tǒng)在時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上又不允許。

為了精確管理"時(shí)間"資源，已達(dá)到實(shí)時(shí)性和與預(yù)測性要求，并能夠滿足是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的新要求，需用實(shí)時(shí)調(diào)度理論對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和可調(diào)度性分析。任務(wù)調(diào)度技術(shù)包括調(diào)度策略和可調(diào)度性分析方法，兩者是緊密結(jié)合的。任務(wù)調(diào)度技術(shù)研究的范圍包括任務(wù)使用系統(tǒng)資源(包括處理機(jī)、內(nèi)存、I/O、網(wǎng)絡(luò)等資源)的策略和機(jī)制，以及提供判斷系統(tǒng)性能是否可預(yù)測的方法和手段。例如，什么時(shí)候調(diào)度任務(wù)運(yùn)行、在哪運(yùn)行(當(dāng)系統(tǒng)為多處理機(jī)系統(tǒng)或分布式系統(tǒng)時(shí))、運(yùn)行多長時(shí)間等等;以及判斷分析用一定參數(shù)描述的實(shí)時(shí)任務(wù)能否被系統(tǒng)正確調(diào)度。

給定一組實(shí)時(shí)任務(wù)和系統(tǒng)資源，確定每個(gè)任務(wù)何時(shí)何地執(zhí)行的整個(gè)過程就是調(diào)度。在非實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，調(diào)度的主要目的是縮短系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)資源利用率，或優(yōu)化某一項(xiàng)指標(biāo);而實(shí)時(shí)系統(tǒng)中調(diào)度的目的則是要盡可能地保證每個(gè)任務(wù)滿足他們的時(shí)間約束，及時(shí)對(duì)外部請(qǐng)求做出響應(yīng)。實(shí)時(shí)調(diào)度技術(shù)通常有多種劃分方法，常用以下兩種。

搶占式調(diào)度通常是優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)的調(diào)度。每個(gè)任務(wù)都有優(yōu)先級(jí)，任何時(shí)候具有最高優(yōu)先級(jí)且已啟動(dòng)的任務(wù)先執(zhí)行。一個(gè)正在執(zhí)行的任務(wù)放棄處理器的條件為:自愿放棄處理器(等待資源或執(zhí)行完畢);有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)啟動(dòng)，該高優(yōu)先級(jí)任務(wù)將搶占其執(zhí)行。除了共享資源的臨界段之外，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)一旦準(zhǔn)備就緒，可在任何時(shí)候搶占低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行。搶占式調(diào)度的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、反應(yīng)快，調(diào)度算法相對(duì)簡單，可優(yōu)先保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的時(shí)間約束，其缺點(diǎn)是上下文切換多。而非搶占式調(diào)度是指不允許任務(wù)在執(zhí)行期間被中斷，任務(wù)一旦占用處理器就必須執(zhí)行完畢或自愿放棄。其優(yōu)點(diǎn)是上下文切換少;缺點(diǎn)是在一般情況下，處理器有效資源利用率低，可調(diào)度性不好。

靜態(tài)表驅(qū)動(dòng)策略(Static Table-Driven Scheduling)是一種離線調(diào)度策略，指在系統(tǒng)運(yùn)行前根據(jù)各任務(wù)的時(shí)間約束及關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用某種搜索策略生成一張運(yùn)行時(shí)刻表。這張運(yùn)行時(shí)刻表與列車運(yùn)行時(shí)刻表類似，指明了各任務(wù)的起始運(yùn)行時(shí)刻及運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行時(shí)刻表一旦生成就不再發(fā)生變化了。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)度器只需根據(jù)這張時(shí)刻表啟動(dòng)相應(yīng)的任務(wù)即可。由于所有調(diào)度策略在離線情況下指定，因此調(diào)度器的功能被弱化，只具有分派器(Dispatcher)的功能。

優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)策略指按照任務(wù)優(yōu)先級(jí)的高低確定任務(wù)的高低確定任務(wù)的執(zhí)行順序。優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)策略又分為靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略。靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度是指任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配好之后，在任務(wù)的運(yùn)行過程中，優(yōu)先級(jí)不會(huì)發(fā)生改變。靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度又稱為固態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度是指任務(wù)的優(yōu)先級(jí)可以隨著時(shí)間或系統(tǒng)狀態(tài)的變化而發(fā)生變化。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)的任務(wù)具有一定的時(shí)間約束(截止時(shí)間)。根據(jù)截止時(shí)間，實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性分為"硬實(shí)時(shí)"和"軟實(shí)時(shí)"。硬實(shí)時(shí)是指應(yīng)用的時(shí)間需求能夠得到完全滿足，否則就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命財(cái)產(chǎn)損失和生態(tài)破壞，如在航空航天、軍事、核工業(yè)等一些關(guān)鍵領(lǐng)域中的應(yīng)用。軟實(shí)時(shí)是指某些應(yīng)用雖然提出時(shí)間需求，但實(shí)時(shí)任務(wù)偶爾違反這種需求對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行及環(huán)境不會(huì)造成嚴(yán)重影響，如監(jiān)控系統(tǒng)等和信息采集系統(tǒng)等。

可預(yù)測性是指系統(tǒng)能夠?qū)?shí)時(shí)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行判斷，確定是否能夠滿足任務(wù)的時(shí)限要求。由于實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間約束要求的嚴(yán)格性，使可預(yù)測性成為實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要性能要求。除了要求硬件延遲的可預(yù)測性以外，還要求軟件系統(tǒng)的可預(yù)測性，包括應(yīng)用程序的響應(yīng)時(shí)間是可預(yù)測的，即在有限的時(shí)間內(nèi)完成必須的工作;以及操作系統(tǒng)的可預(yù)測性，即實(shí)時(shí)原語、調(diào)度函數(shù)等運(yùn)行開銷應(yīng)是有界的，以保證應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)間的有界性。

大多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求有較高的可靠性。在一些重要的實(shí)時(shí)應(yīng)用中，任何不可靠因素和計(jì)算機(jī)的一個(gè)微小故障，或某些特定強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)(又叫關(guān)鍵任務(wù))超過時(shí)限，都可能引起難以預(yù)測的嚴(yán)重后果。為此，系統(tǒng)需要采用靜態(tài)分析和保留資源的方法及冗余配置，使系統(tǒng)在最壞情況下都能正常工作或避免損失?？煽啃砸殉蔀楹饬繉?shí)時(shí)系統(tǒng)性能不可缺少的重要指標(biāo)。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常運(yùn)行在一定的環(huán)境下，外部環(huán)境是實(shí)時(shí)系統(tǒng)不可缺少的一個(gè)組成部分。計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)一般是控制系統(tǒng)，它必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)外部請(qǐng)求做出反應(yīng)。外部物理環(huán)境往往是被控子系統(tǒng)，兩者互相作用構(gòu)成完整的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。大多數(shù)控制子系統(tǒng)必須連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)以保證子系統(tǒng)的正常工作或準(zhǔn)備對(duì)任何異常行為采取行動(dòng)。