基于Forth虚拟机的嵌入式多核任务调度研究

由于传统多核任务调度系统对于突发事件的处理,都是基于CPU进行调度的,严重影响了操作系统中任务切换的实时性.于是提出一种基于Forth虚拟机架构的嵌入式多核任务调度系统.为了保证Forth操作系统兼容轮询调度,根据突发事件创建中断任务,并与相应的任务执行程序建立连接.依据中断、终端和后台三种任务间的关联构建循环链表.最后,当突发事件触发中断任务就绪后,Forth系统将调度中断任务去执行突发事件,当中断任务程序运行完毕后,系统继续执行当前任务,执行到原语pause时,当前任务的用户变量将寻找下一任务的TCB首地址,直到所有任务执行完毕.实验结果表明,改进后的Forth虚拟机操作系统响应速度良好,不受任务数量影响,且系统等待时间明显降低,说明所设计的Forth虚拟机操作系统具有良好的多核任务调度性能.     

嵌入式Forth虚拟机架构的多任务调度算法设计与实现

针对嵌入式应用领域对操作系统在重构、扩展、移植、交互、安全、高效等方面日趋苛刻的现实需求及Forth系统所固有的特性,采用Forth虚拟机技术,对基于Forth虚拟机架构的嵌入式操作系统关键技术进行探索,提出一种具有良好扩展和移植特性、高效精简的基于Forth虚拟机架构的嵌入式多任务操作系统调度算法。该算法采用了以Forth虚拟机指令同步的协同式多任务调度机制,缩短了任务切换时间,将上下文切换操作简化为只需保存数据堆栈指针。实验结果表明,基于Forth虚拟机架构的多任务调度算法发挥了Forth系统所固有的特性,针对特定应用,提高了效率,适合资源有限的嵌入式环境。     

基于堆栈处理器的实时多任务调度机制研究与实现

针对堆栈处理器特殊架构,为提高实时性,引入多任务堆栈技术,采用Forth自生成器技术,提出一种基于堆栈处理器的抢占式与时间片轮转调度方法,实现了在Forth堆栈处理器中实时多任务的运行,弥补了Forth堆栈处理器在实时多任务操作系统方面的的不足.实验表明,与当前基于寄存器处理器的嵌入式Forth实时系统相比,本文方法在最大关中断时间、任务上下文切换时间和任务响应时间三项重要的实时任务性能指标方面,实时性能有明显提升,从而保证了Forth系统应用的高效性和安全性,满足人们对Forth堆栈处理器实时多任务操作系统方面的应用需求.     

嵌入式Forth操作系统多任务空间复用算法

针对现有嵌入式Forth操作系统多任务空间无法复用且多任务管理仅支持任务创建的问题,提出一种基于Forth虚拟机架构的嵌入式操作系统多任务空间复用算法。将任务控制块作为空闲任务映像分区链表头结点,利用任务控制块中的链接地址变量维护系统删除的后台任务映像,且仅需修改一个用户变量指针即可实现任务映像空间的回收和重分配。实验结果表明,该算法在保证Forth系统稳定及其固有特性的同时,提高了Forth系统内存资源利用率,适用于资源有限的嵌入式环境。     

基于Forth虚拟机的嵌入式多任务操作系统体系架构研究

面对越来越复杂的嵌入式应用需求以及当今嵌入式操作系统研究领域亟待解决的重构、移植、维护、可信、多核、众核等诸多难题,采用Forth虚拟机技术,对基于Forth虚拟机架构的嵌入式操作系统关键技术进行探索,提出一种具有良好扩展和移植特性、高效精简的基于Forth虚拟机的嵌入式多任务操作系统体系架构。该架构采用分类存储映射、Forth向量定义和用户变量分离,实现了代码共享和多任务管理。实验结果表明,基于Forth虚拟机架构的嵌入式操作系统在发挥Forth系统固有特性的同时,减少了资源占用,提高了系统的灵活性及运行效率。     

快速低切换开销的堆栈处理器架构研究与实现

为解决当前Forth堆栈处理器架构不支持多任务并发和事件实时响应等问题,提出一种快速低切换开销的Forth堆栈处理器架构。在现有Forth堆栈处理器架构的基础上,引入新的指令、定时器、中断机制以及采用多任务堆栈技术,使得该架构支持实时多任务的运行。实验结果表明,基于堆栈处理器架构的Forth实时多任务调度支持多任务运行,与当前基于寄存器处理器的Forth实时多任务调度相比,实时任务响应、任务上下文切换和最大关中断等时间均明显缩短。     

CMX RTOS在嵌入式系统设计中的应用

介绍了一种嵌入式实时多任务操作系统----CMX RTOS的结构及工作原理,特别是它的调度管理、中断管理、任务与任务间的通信管理及常用的API函数。以基于CMX API函数设计的程序代码为例,给出了CMX RTOS在嵌入式系统中程序设计的过程与思路。     

实时虚拟化环境中的负载均衡与准入控制算法

虚拟化技术在实时嵌入式系统中的应用日趋广泛,但是目前虚拟化环境中常见的调度与负载均衡算法并不适用于硬实时系统中。为满足多核平台上虚拟化环境中对实时任务的支持,通过对Xen虚拟化环境中的SEDF调度算法进行改进,提供了一种在多核硬件平台下虚拟化环境中的准入控制与负载均衡算法。该算法能够保证每个处理器核上的工作量不会超载,并保证每个虚拟机中任务的实时性及其服务质量。算法实现较为简单、运行时开销较小。     

资源预留调度算法在虚拟化环境中的设计与实现

虚拟化技术在服务器领域已经得到广泛应用,可以在一台服务器或服务器集群上同时运行几个不同的操作系统,诸多优点包括:故障隔离、高效利用资源、负载均衡、安全性等.常用的虚拟化系统如VMware、Virtual PC等采用全虚拟化技术,比较消耗资源,因此不适用于嵌入式领域的应用.而Xen采用半虚拟化技术,性能方面得到了很大提升,为虚拟化技术在嵌入式领域的应用创造了条件.由于嵌入式设备有着数据实时采集、现场控制、高危环境等特殊应用背景,嵌入式系统对实时性都有一定的要求.目前的虚拟化技术没有很好的方法来保障系统的实时性.本文在XEN虚拟化环境中设计并实现基于资源预留的实时调度算法,即在虚拟机监视器(Virtual Machine Monitor,VMM)层面实现常量带宽服务器(Constant Bandwidth Server,CBS)调度算法,用于有效调度实时和非实时的虚拟机子系统,并保障不同子系统之间的性能隔离.     

seL4微内核架构的嵌入式虚拟化技术研究

随着嵌入式硬件技术水平的提升以及嵌入式应用的普及,用户对嵌入式系统可以提供的服务能力与质量水平提出了更高的要求.出于对成本和可靠性方面的考虑,开发者希望可以在同一硬件平台上同时运行多个互不影响的执行环境.本文提出了一种基于seL4微内核架构的嵌入式虚拟化技术,以Chcore微内核为基础,充分利用ARM硬件辅助虚拟化支持,设计并实现了基于能力调用机制的嵌入式虚拟机管理器.测试结果表明,该虚拟机管理器在处理器利用率、虚拟机调度、中断异常处理等方面性能良好,可以满足用户的常用应用需求.     

嵌入式操作系统混合任务调度技术与策略研究

针对当前嵌入式系统中时间触发与事件触发混合任务的特点,以μC/OS-II操作系统架构为基础,设计了一种能够同时支持时间触发与事件触发的混合操作系统内核架构。该架构符合OSEK/VDX标准,具有良好的可移植性。针对混合任务调度问题,提出了一种静态周期性可抢占式混合任务调度策略,该策略同时支持中断级与任务级的任务切换,并采用EDF（最早截止时间优先）算法对被抢占的时间触发任务进行恢复,相比OSEKtime OS只能在中断级进行任务切换以及FIFO（先进先出）恢复算法,能够提高系统资源利用率,并最大限度保证任务实时性。实验分析结果表明,所设计的混合操作系统架构移植方便,所提出的混合任务调度策略可行有效,调度过程具有良好的可预测性。     

嵌入式虚拟化技术

计算机系统虚拟化技术是IT领域近几年的热点技术。虚拟化技术的下一步发展方向是嵌入式系统。嵌入式系统进行虚拟化是在嵌入式硬件平台和操作系统之间加入一层叫做虚拟机管理器的软件,由后者构造出可运行多种操作系统的虚拟机。国外多家公司和大学已对嵌入式虚拟化技术展开研究。嵌入式虚拟化的好处包括减少嵌入式系统开发成本、缩短产品上市周期、利于整合功能、减少功耗、软件资产保值和增强安全性与可靠性。嵌入式虚拟化技术面临的问题包括实时调度问题、嵌入式硬件平台多样性问题、电源管理问题以及跨虚拟机通信问题。嵌入式虚拟化技术将给嵌入式领域带来重大变化,值得关注。     

一种基于资源预分配的虚拟机软实时调度方法

虚拟机技术作为云计算的重要技术之一,近年来得到广泛关注,但是由于虚拟机管理层的存在,导致语义鸿沟,使得实时应用程序、并发程序等在虚拟机上的运行性能受到影响。分析和研究了Xen虚拟机管理器的Credit调度算法,针对其在并发调度和软实时调度方面存在的不足,提出了改进调度算法,实现了算法的调度器原型。新的调度算法对软实时虚拟机进行Credit比例预分配,采用动态调度时间片机制,以non-work-conserving方式实现软实时任务周期调度,保障调度周期满足运行周期要求。通过区分并发和非并发软实时虚拟机,采取不同的调度策略,在满足资源利用率的基础上,确保实时任务的顺利运行。测试结果表明,该调度算法在对并发和非并发软实时任务调度上,具有良好的表现,较好满足了软实时应用调度需求。     

基于半虚拟技术的嵌入式分区系统设计与实现

针对嵌入式系统的高可靠性和高安全性要求,设计了基于半虚拟技术的分区系统.在RTEMS实时操作系统中,使用半虚拟技术实现虚拟机监视器,给分区操作系统PLINUX创造虚拟环境.通过地址映射机制和分区调度,把分区系统在空间和时间上隔离开,可有效阻止分区的错误传播,提高系统的容错能力.时系统可靠性、调度效率等方面进行试验和分析,实验结果表明,该分区系统的可靠性明显提高,而且继承了RTEMS的实时性和设计的简洁性.     

面向长作业环境中的云调度策略

随着云计算的普及,大量的数据处理选择云服务来完成。现有算法较少考虑异构型系统中虚拟机计算能力的不同,导致某些任务等待时间过长。提出了虚拟机负载大小实时调整的算法。对云计算中资源虚拟化特征,给出一种评估虚拟机计算能力的方法。根据虚拟机能力和运行过程中的状态变化,自适应进行任务量大小调整,满足实时要求。通过任务调度,协调任务完成时间,保持各虚拟机负载的动态均衡,缩短长作业的总执行时间,提高了系统的吞吐量和整体服务能力,提升了效益。实验结果表明,本文算法能自适应地调整任务量大小,进行调度,以维持虚拟机负载均衡。     

Xen虚拟机Credit调度算法的实时性能分析

为了降低开销以及增加灵活性,通过虚拟化技术将多个系统运行在一个通用计算平台上已成为复杂实时嵌入式系统的趋势。Xen是近年来应用最广泛的虚拟化技术,对其默认使用的Credit调度算法进行实时性能分析,使得能够直接对运行在Xen上的实时系统进行可调度性测试,并且可以通过形式化的资源界限函数对Credit的实时性进行直观的评估。首先分析了Credit调度算法的基本实现,提出并且证明了一种配置VCPU参数的方法使得Credit的实时性得到提升,在此基础上,通过证明得到了Credit算法的基本性质,并得出其在最坏情况下为VCPU分配的资源函数曲线。     

基于混合架构的嵌入式实时操作系统设计

在嵌入式实时操作系统中,单独使用合作式调度或抢占式调度难以同时完全满足时间触发任务和事件触发任务调度的性能要求。针对该问题,结合不同调度方式和触发方式的优点,设计一个基于混合架构的嵌入式实时操作系统SinewOS。该系统支持时间/事件触发、合作式/抢占式的混合调度以及同等优先级任务的调度。实验结果证明,该系统具有良好的可预测性和时间确定性,事件响应速度快,代码空间要求低,适用范围广。