實時系統(tǒng)

早期的實時系統(tǒng)功能簡單，包括單板機、單片機，以及簡單的嵌入式實時系統(tǒng)等，其調度過程相對簡單。隨著實時系統(tǒng)應用范圍的不斷擴大，系統(tǒng)復雜性不斷提高，實時系統(tǒng)具有以下新特點:

在實時系統(tǒng)中，不但包括周期任務、偶發(fā)任務、非周期任務，還包括非實時任務。實時任務要求要滿足時限，而非實時任務要求要使其響應時間盡可能的短。多種類型任務的混合，使系統(tǒng)的可調度性分析更加困難。

任務的約束包括時間約束、資源約束、執(zhí)行順序約束和性能約束。時間約束是任何實時系統(tǒng)都固有的約束。資源約束是指多個實時任務共享有限的資源時，必須按照一定的資源訪問控制協(xié)議進行同步，以避免死鎖和高優(yōu)先級任務被低優(yōu)先級任務堵塞的時間(即優(yōu)先級倒置時間)不可預測。執(zhí)行順序約束是指各任務的啟動和執(zhí)行必須滿足一定的時間和順序約束。例如，在分布式端到端(end-to-end)實時系統(tǒng)很重，同一任務的各子任務之間存在前驅/后驅約束關系，需要執(zhí)行同步協(xié)議來管理子任務的啟動和控制子任務的執(zhí)行，使它們滿足時間約束和系統(tǒng)可調度要求。性能約束是指必須滿足如可靠性、可用性、可預測性、服務質量(Quality of Service,QoS)等性能指標。

在實時系統(tǒng)中，即使一個功能設計合理、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，外圍設備錯誤或系統(tǒng)發(fā)生故障。隨著系統(tǒng)運行時間的增長，系統(tǒng)元件出現(xiàn)老化，系統(tǒng)部件可能發(fā)生故障，導致系統(tǒng)可用資源降低，不能滿足實時任務的時間約束要求。

2)環(huán)境的動態(tài)變化。由于不能對未來的環(huán)境、系統(tǒng)狀態(tài)進行正確有效地預測，因此不能從整體角度上對任務進行調度，可能導致系統(tǒng)超載。

3)應用規(guī)模的擴大。原先滿足實時任務時限要求的系統(tǒng)，隨著應用規(guī)模的增大，可能出現(xiàn)不能滿足任務時限要求的情況，而重新設計、重建系統(tǒng)在時間和經(jīng)濟上又不允許。

為了精確管理"時間"資源，已達到實時性和與預測性要求，并能夠滿足是實時系統(tǒng)的新要求，需用實時調度理論對任務進行調度和可調度性分析。任務調度技術包括調度策略和可調度性分析方法，兩者是緊密結合的。任務調度技術研究的范圍包括任務使用系統(tǒng)資源(包括處理機、內存、I/O、網(wǎng)絡等資源)的策略和機制，以及提供判斷系統(tǒng)性能是否可預測的方法和手段。例如，什么時候調度任務運行、在哪運行(當系統(tǒng)為多處理機系統(tǒng)或分布式系統(tǒng)時)、運行多長時間等等;以及判斷分析用一定參數(shù)描述的實時任務能否被系統(tǒng)正確調度。

給定一組實時任務和系統(tǒng)資源，確定每個任務何時何地執(zhí)行的整個過程就是調度。在非實時系統(tǒng)中，調度的主要目的是縮短系統(tǒng)平均響應時間，提高系統(tǒng)資源利用率，或優(yōu)化某一項指標;而實時系統(tǒng)中調度的目的則是要盡可能地保證每個任務滿足他們的時間約束，及時對外部請求做出響應。實時調度技術通常有多種劃分方法，常用以下兩種。

搶占式調度通常是優(yōu)先級驅動的調度。每個任務都有優(yōu)先級，任何時候具有最高優(yōu)先級且已啟動的任務先執(zhí)行。一個正在執(zhí)行的任務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)先級任務啟動，該高優(yōu)先級任務將搶占其執(zhí)行。除了共享資源的臨界段之外，高優(yōu)先級任務一旦準備就緒，可在任何時候搶占低優(yōu)先級任務的執(zhí)行。搶占式調度的優(yōu)點是實時性好、反應快，調度算法相對簡單，可優(yōu)先保證高優(yōu)先級任務的時間約束，其缺點是上下文切換多。而非搶占式調度是指不允許任務在執(zhí)行期間被中斷，任務一旦占用處理器就必須執(zhí)行完畢或自愿放棄。其優(yōu)點是上下文切換少;缺點是在一般情況下，處理器有效資源利用率低，可調度性不好。

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

優(yōu)先級驅動策略指按照任務優(yōu)先級的高低確定任務的高低確定任務的執(zhí)行順序。優(yōu)先級驅動策略又分為靜態(tài)優(yōu)先級調度策略。靜態(tài)優(yōu)先級調度是指任務的優(yōu)先級分配好之后，在任務的運行過程中，優(yōu)先級不會發(fā)生改變。靜態(tài)優(yōu)先級調度又稱為固態(tài)優(yōu)先級調度。動態(tài)優(yōu)先級調度是指任務的優(yōu)先級可以隨著時間或系統(tǒng)狀態(tài)的變化而發(fā)生變化。

實時系統(tǒng)的任務具有一定的時間約束(截止時間)。根據(jù)截止時間，實時系統(tǒng)的實時性分為"硬實時"和"軟實時"。硬實時是指應用的時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)等一些關鍵領域中的應用。軟實時是指某些應用雖然提出時間需求，但實時任務偶爾違反這種需求對系統(tǒng)運行及環(huán)境不會造成嚴重影響，如監(jiān)控系統(tǒng)等和信息采集系統(tǒng)等。

可預測性是指系統(tǒng)能夠對實時任務的執(zhí)行時間進行判斷，確定是否能夠滿足任務的時限要求。由于實時系統(tǒng)對時間約束要求的嚴格性，使可預測性成為實時系統(tǒng)的一項重要性能要求。除了要求硬件延遲的可預測性以外，還要求軟件系統(tǒng)的可預測性，包括應用程序的響應時間是可預測的，即在有限的時間內完成必須的工作;以及操作系統(tǒng)的可預測性，即實時原語、調度函數(shù)等運行開銷應是有界的，以保證應用程序執(zhí)行時間的有界性。

大多數(shù)實時系統(tǒng)要求有較高的可靠性。在一些重要的實時應用中，任何不可靠因素和計算機的一個微小故障，或某些特定強實時任務(又叫關鍵任務)超過時限，都可能引起難以預測的嚴重后果。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?？煽啃砸殉蔀楹饬繉崟r系統(tǒng)性能不可缺少的重要指標。

實時系統(tǒng)通常運行在一定的環(huán)境下，外部環(huán)境是實時系統(tǒng)不可缺少的一個組成部分。計算機子系統(tǒng)一般是控制系統(tǒng)，它必須在規(guī)定的時間內對外部請求做出反應。外部物理環(huán)境往往是被控子系統(tǒng)，兩者互相作用構成完整的實時系統(tǒng)。大多數(shù)控制子系統(tǒng)必須連續(xù)運轉以保證子系統(tǒng)的正常工作或準備對任何異常行為采取行動。