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基于嵌入式实时系统的提高构件化嵌入式操作系
发布时间:2019-06-24 16:41 作者:皇冠娱乐

  奈何将构件技能胜利地运用到嵌入式操作体系开采中取得越来越众的珍视。现有的职业大个别着重于从构造的角度分崩溃系成若干构件,并重用构件。现实嵌入式及时体系的管制器资源和内存资源是有限的,同时体系另有及时性需求。其它,方今成熟的及时更动算法都是基于工作模子解析体系的可更动性。是以,正在嵌入式及时体系中运用构件技能时,还需求探求奈何从时代(运转)的角度将构件映照成工作,以及为底层构件化嵌入式及时操作体系采选适应的更动算法。

  本文开始解析了现有构件化嵌入式操作体系的特征,着重解析了TinyOS[1]的更动内核。通过仿切试验比拟了抢占阈值(简称PT)更动算法[2]、非抢占式(简称NP)更动算法和FIFO更动办法的功能,声理解当工作之间无共享资源时,抢占阈值更动算法适合行为构件化嵌入式操作体系的及时更动算法。之后,本文阐述了嵌入式及时体系对构件模子的需求,提出了一种构件模子。通过解析比拟现有的映照办法,提出了一个将构件映照成工作的办法和一种打算设施。

  开始界说单管制器静态优先级及时体系的工作模子,界说G={t1,t2,…,tn}为一个蕴涵n个互相独立的周期性或者偶发性(sporadic)工作的鸠合,鸠合中的工作用TI=(TI,Ci,Di)(i=1,2,…n)呈现,个中,TI呈现TI的周期(看待偶发性工作即是最小达到间隔),Ci呈现ti的最坏状况施行时代,Di呈现ti的相对截止期。咱们假定大的数值呈现高的优先级,看待鸠合G,最小的优先级是1,最大的优先级是n。周期工作的一次施行,称作工作的一个实例。工作实例从进入体系到中断施行所用的时代称作实例的响适时代(responsetime)。正在一个人系的全体运转经过中,工作的最坏状况响适时代等于其通盘实例中最大的响适时代。

  方今的构件化嵌入式操作体系要紧有TinyOS和Echidna[5]两种。TinyOS是为无线传感器收集(WirelessSensorNetwork,简称WSN)开采的构件化嵌入式操作体系,合用于内存资源和管制才能有限,电池供电的嵌入式体系。其内核援救两级更动,工作服从FIFO的办法施行,目标是省略对内存的行使量,但变成体系及时性差。Echidna与TinyOS相似行使FIFO的办法更动工作,以是存正在类似的差错。

  V.Subramonian等人正在文献[6]中探求了FIFO更动办法对TinyOS体系功能的影响。正在行使TinyOS的体系中,当需求管制的数据量较大时,即使横跨其算计才能,则会崭露过载(overload)形势。管制过载的较好办法普通是包管枢纽工作的施行,放弃非枢纽工作。而FIFO更动办法不行做到这一点,由于这种办法无法划分枢纽工作和非枢纽工作。下面通过解析TinyOS对通讯数据包的管制来申明其差错。

  发送数据包由运用层发生并转达给底层发送构件,当胜利发送后,后者会触发一个工作实例来合照运用层发送完毕。运用层正在收到这一变乱之前将继续守候,不行一直发送数据。即,唯有合照工作实例取得施行,运用层才干一直发送数据。即使TinyOS方今需求管制的数据量较大,有较众的工作实例需求施行,则合照工作实例会排正在FIFO部队的结果,比及前面的工作实例施行完才得以施行。如此就延缓了发送数据的经过,低浸了通讯数据包的含糊量。正在非常状况下,其它工作实例会将全体FIFO部队占满,合照工作实例达到时会被更动内核放弃,变成运用层发送数据的终止。从无线信道采纳数据时同样会崭露这种状况。

  文献[6]中提出了一种改正设施,给工作分派优先级,将更动内核升级为优先级驱动的非抢占式更动。如此与FIFO更动办法比拟,能升高工作鸠合的可更动性,但仍会崭露工作鸠合不行更动的状况。

  愚弄抢占阈值举办工作更动时,不光给鸠合G中的工作ti分派工作优先级piÎ[1,2,…,n],还分派抢占阈值gi,而且pi£gi,即,giÎ[pi,…,n]。如此就杀青了一个双优先级体系。个中的pi用于抢占其它的工作,而gi是工作运转中的有用优先级。即使方今正正在运转的工作是ti,那么看待停当工作tj,务必有pj》gi,tj才干抢占ti。看待周期工作ti,每次入手下手施行后,其优先级将从pi擢升为gi,施行完后,优先级再从gi降落为pi。

  当工作的抢占阈值等于其工作优先级时,即是抢占式更动;当工作的抢占阈值是体系最高优先级时,就辱骂抢占式更动。是以抢占更动和非抢占更动是行使抢占阈值更动模子的两个特例。现实中,抢占阈值更动能同时愚弄抢占式更动和非抢占式更动的长处,通过治疗工作抢占阈值,省略不须要的工作抢占,升高全体工作鸠合的可更动性。能运转抢占和非抢占式更动算法都不行更动的工作鸠合[2]。正在文献[3]形容的仿真情况下,抢占阈值更动算法与抢占式更动算法比拟,管制器愚弄率升高15%-20%。抢占阈值更动模子中,工作鸠合被分裂成数目很少的非抢占组(Non-PreemptiveGroup,简称NPG)。组内工作之间辱骂抢占的,能共享一个栈空间,省略了工作鸠合对内存资源的打发。正在文献[4]的仿真情况下,当工作最大周期为100时,均匀100个工作被分裂成14.3个NPG。

  正在构件化嵌入式操作体系的运用情况中,生气能正在升高工作鸠合可更动性的同时,行使尽可以少的内存资源。凭据这一央浼,本文提出了正在及时更动内核中行使抢占阈值更动算法。为了申明该算法较其它更动算法更适于构件化嵌入式操作体系,提出了如下的目标,以比拟各式算法的功能:非抢占式更动中,通盘工作共享一个线程栈空间,减省了内存资源。看待抢占阈值更动,即使工作鸠合天生一个非抢占组,则会行使与非抢占式更动类似的内存资源。为此,正在每个测试点,针对类似一组随机发生的工作鸠合,比拟抢占阈值更动天生一个非抢占组的次数除以全体发生的工作鸠合个数(用NAT呈现)取得的百分率,与非抢占式更动以及FIFO更动办法下可更动工作鸠合个数除以NAT取得的百分率,称作单线程比率(OneThreadRate,简称OTR)。来申明差异算法正在包管工作鸠合可更动的条件下,只行使一个线程的才能。

  行使随机发生的工作鸠合。天生工作时,工作个数totalTasks从2入手下手,以2为步长递增到50;工作鸠合的最大周期maxPeriod取为1000。工作个数和最大周期的取值组成一个测试点。正在每个测试点,工作鸠合按如下原则发生:(1)正在[1,maxPeriod]之间匀称、随机地采选工作周期Ti。(2)正在[0.1/totoalTasks,2.0/totalTask]之间匀称、随机地采选工作愚弄率Ui,工作施行时代Ci=Ui*Ti。用工作个数来调治取值,免得发生过众的不行更动工作鸠合。(3)工作截至期Di=Ti。

  正在每个测试点,从100次独立仿切试验中获取各更动算法的功能目标值,以举办功能比拟。

  图1给出了针对类似一组工作鸠合,抢占阈值、非抢占式和FIFO等3种更动算法下发生的单线程比率。能够看出,FIFO更动办法的功能最差。正在大个别测试点,抢占阈值更动下发生的行使一个线程的工作鸠合个数等于非抢占更动下天生的可更动工作鸠合个数。只正在少数几个测试点,前者发生的OTR值略低于后者。是以,正在此目标下,抢占阈值更动具有与非抢占式更动迫近的功能。但抢占阈值更动能升高工作鸠合的可更动性。总之,抢占阈值更动能正在升高工作鸠合可更动性的同时,行使较少的内存资源。与其它两种更动算法比拟,更适合行为构件化嵌入式操作体系的及时更动算法

  普通基于构件的软件开采中,行使已天生并被声明是牢靠的构件来”筑制”全体体系软件。这需求一个界说构件的设施,即,构件模子。探乞降实行声明,构件模子务必有新闻隐匿的才能和清楚界说的接口。前者使构件能正在差异的体系中替代和重用,然后者是构件与情况交互的通道。外界只可通过接口拜望构件,这也是对新闻隐匿的辅助援救。看待及时体系来说,构架模子还应蕴涵时代属性,比方:构件施行时代、最终截止期和周期等,从而能正在构制完体系后,举办可更动性解析。平常的及时软件开采中,工作是构制体系的基础单位,以是模子还应界说将构件映照成工作的办法。与桌面/企业级运用差异,开采嵌入式体系适适用源代码级构件。由于:(1)开采者能够拜望构件源码(不是改正构件),通过”白盒”测试来发觉过错。而行使二进制代码构件举办”黑盒”测试,将削弱开采者对体系手脚的独揽才能。(2)嵌入式体系是正在资源有限的节点上运转杂乱牢靠的独揽运用,不需动态设备,只需正在一组静态设备的形式间切换。所认为了更好地援救体系的可解析性、可测试性和省略内存打发,应当正在运转前(编译时)设备构件的手脚和互相之间的连合。这也需求行使源代码级构件。

  由于管道和过滤模子[7]适于独揽运用,而大个别嵌入式体系是独揽体系。是以,咱们基于管道和过滤模子为构件化嵌入式操作体系的运用层界说一种及时构件模子。该构件模子是源代码级的,每个构件搜罗:(1)名称,行为构件的身份标识。(2)一组输入和输出端口,前者用于采纳数据,后者用于发生数据,端口不会缓存数据,构件之间通过端口通讯。(3)一组构件属性,存储构件的元数据新闻,搜罗构件所用内存巨细、施行时代、最终截至期、开释时代和周期等。(4)一个手脚体,杀青构件性能,被输入端口数据(变乱)触发,凭据方今操作形式管制数据,并发生触发下一构件的输出数据(变乱)。通讯数据正在构件之间转达,由底层更动内核通过敌手脚体的逻辑移用来劝导。

  方今存正在将众个构件映照成一个工作[8]和将一个构件映照成众个工作[9]的办法,咱们探求这些映照办法的目标都是生气能正在简化构造解析和省略运转时体系开销之间获取一个适宜的折中。将一个构件映照成一个工作能简化构造解析,但可以变成体系运转时工作较众,即使底层及时操作体系采用抢占式更动算法,则会加添工作之间互相抢占的次数,从而加添现场切换等体系开销,低浸管制器的愚弄率,影响工作鸠合的可更动性。其它,还会加添对体系内存的打发。是以咱们提出了一种打算设施:构件是被动的,不蕴涵本人的线程,装置时才将构件分派到线程,每个构件映照成一个工作,这使体系构造明确,并能简化解析经过;而体系运转时崭露的上述题目,通过为底层构件化嵌入式及时操作体系采选适应的更动模子来处分,比方采选非抢占式更动算法能省略内存打发,而采选抢占阈值更动算法既能升高工作鸠合的可更动性,又能省略对体系内存的行使。

  映照落成后,构件属性就成为工作的属性。施行功夫,体系包管输入端口上的数据不会转换,以避免数据的不类似。看待互相连合的构件,愚弄编译措施创筑体系工作,以落成构件之间的数据通讯,并凭据互连构件的特质指定这些工作的开释时代、周期、施行时代和最终截止期等参数。图2给出了构件模子的示例图。图2的右侧呈现了工作(构件)施行体蕴涵的措施构造。

  嵌入式体系开采行使构件技能时,不光要从构造的角度将体系分析成若干构件;还要从运转的角度将构件映照成工作,为底层内核采选适宜的及时更动算法,凭据算法给工作分派优先级,并剖断工作鸠合的可更动性。方今对后者探求较少。针对这一题目,本文开始通过比拟3种更动算法,得出抢占阈值更动更适合构件化嵌入式操作体系的结论。仿切试验声理解这一主见。然后凭据已有工程实行,提出一种适合于嵌入式及时体系的软件构件模子以及将构件映照成工作的办法。本文阐述的模子和算法组成了一个较完好的计划,对构件化嵌入式及时体系的开采有肯定参考价钱。

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