基于抢占阈值的多核混合关键性系统的调度模型及栈内存优化研究

With the increasingly stringent requirements on SWaP (Size, Weight, and Power) of Cyber-Physical Systems, there is a growing trend, in avionics and automotive domains, of integration and consolidation of multiple tasks with different criticality levels on a shared hardware platform to form Mixed-Criticality Systems (MCS). This project addresses resource-constrained MCS on multi-core processors, and plans to study techniques for real-time scheduling with preemption thresholds and stack size minimization. Topics include: develop preemption threshold scheduling algorithms for MCS, considering partitioned, global and semi-partitioned scheduling models on multicore processors, based on either Fixed-Priority or Earliest Deadline First scheduling; develop corresponding schedulability tests for real-time performance analysis; develop techniques for schedulability test, improving QoS for Low-criticality tasks, and stack size minimization, in order to provide performance metrics for multicore task mapping and optimization of task scheduling parameters; explore the heterogeneity of tasksets and hardware processing elements to develop safety certification-aware task mapping and scheduling algorithms; optimize system stack size by setting task scheduling parameters and preemption thresholds while meeting safety-certification requirements. The research result will provide new ideas for real-time scheduling and optimization for multicore MCS.

随着信息物理融合系统在体积、重量和功耗等方面要求越来越高，航空与汽车等实时嵌入式系统领域正日益将不同关键性的任务集成到单一硬件平台中从而形成混合关键性系统。本项目以资源受限的多核混合关键性系统为研究对象，研究基于抢占阈值机制的调度模型及栈内存优化的关键技术。本研究包括分别基于固定优先级和最早截止期优先的混合关键性任务模型，建立抢占阈值机制在分区、全局、半分区多核模式下的混合关键性调度模型，提出相应的可调度性分析方法，为系统性能评估建立模型基础；设计评估系统可调度性、低关键性任务的服务质量和栈内存消耗等性能的计算方法，为多核任务映射、任务调度参数优化提供性能衡量指标；探究任务和处理器的异构特性，建立安全认证性感知的任务分配和调度机制；并在满足系统安全认证的前提下，通过设置任务调度参数和抢占阈值，优化任务的服务质量和系统的栈内存空间。本项目的研究成果将为多核混合关键性系统的调度优化提供新思路。

多核混合关键性系统的资源调度优化是复杂实时嵌入式系统领域的研究热点。现有的多核混合关键性调度优化方法往往只考虑了完全可抢占调度方法，同时大多忽视了栈内存资源空间的优化以及任务和多核处理器的异构特性对混合关键性系统的影响。但在真实系统中，栈内存资源是受限制的，包括异构多处理器实时嵌入式系统。针对上述问题，本研究基于抢占阈值的调度机制，对多核混合关键性系统的调度模型及栈内存优化问题进行深入的研究，并且利用异构多处理器特性对混合关键性任务的映射和调度参数进一步进行优化设计。 首先提出了一种整合了抢占阈值机制和半透视技术的混合关键度系统模型及其可调度性分析，有效提高系统可调度性，并减少系统栈空间使用。其次，针对多核处理器上部署混合关键度系统的问题，本文基于抢占阈值调度的自适应混合关键度多核分区调度模型，提出了四种任务分配算法，在保证系统调度性的前提下，优化系统栈空间使用。此外还提出了一种高效的针对抢占阈值调度模型的混合关键性系统的任务优先级和抢占阈值的设置方法。最后提出了一种基于ARM TrustZone技术（即PSpSys）的混合关键度系统架构，可应用于机器人和自主系统等安全关键机电系统。本研究成果可以显著提高多核混合关键性系统的不同关键性任务的服务质量，并降低系统的栈内存空间，为多核混合关键性系统更广泛的应用奠定理论研究基础。