多核实时软件分析理论与技术研究

The core task of real-time system design is "precisely and efficiently analyzing the timing behaviors of the system at design time to guarantee they satisfy the required timing constraints at run time". With the increasing demands from applications, multicore processors are predicted to be widely used in future real-time embedded systems. In multicore systems, multiple real-time tasks execute in parallel and share system resources, which makes the timing behaviors of the system highly complex and hard to analyze. It is a grant challenge for all real-time system designers to establish reasonable system models and based on them develop techniques to precisely and efficiently analyze the timing behaviors of the system at both task level and system level. Given this background, we plan to conduct research on timing analysis theories and techinques of multicore real-time software in this project, and the main research themes include: (1) timed models for accurate modeling and efficient analysis; (2) Worst-Case Execution Time (WCET) analysis for multicores (task level); (3) multicore real-time scheduling and schedulability analysis (system level). Based on the theoretical results proposed, we also plan to develop a multicore real-time operating system prototype to validate the effectiveness of our design and analysis techniques in practical environments. This project will bring some breakthrough in the theories of timing analysis of multicore real-time software and promote the application of multicore platforms in real-time applications.

实时系统设计的核心任务是"在系统设计阶段，能够通过精确、高效的分析手段，判定系统的时间特性能否满足所规定的要求"。随着应用需求的不断提升，多核处理器应用于实时系统已经成为必然趋势。在多核系统中，多个实时任务并行执行，并共享系统资源，导致系统的时间行为异常复杂，难于分析。对多核系统进行合理的建模，并根据相应的系统模型在任务级和系统级层次上提出精确、高效的时间行为分析方法，是所有实时系统设计者所面临的巨大挑战。基于此背景，本项目研究多核实时软件时间分析理论与技术，主要内容包括：（1）支持精确建模和高效分析的多核系统时间模型；（2）多核系统最坏情况执行时间分析（任务级分析）；（3）多核实时调度与可调度性分析（系统级分析）。并基于上述理论成果，设计一个多核实时操作系统原型，在实际环境中验证所提出理论的有效性。该项目的研究，将为多核实时软件时间分析突破一些理论瓶颈，推动多核平台在实际系统中的应用。

多核处理器应用于实时系统已经成为必然趋势。对多核系统进行合理的建模，并根据相应的系统模型在任务级和系统级层次上提出精确、高效的时间行为分析方法，是所有实时系统设计者所面临的巨大挑战。针对这一问题与现状，本课题在多核实时软件分析方面开展了大量研究，主要研究内容与成果包括：（1）提出了三种全新的实时任务建模理论与技术，包括：基于实时演算的分布式实时系统时间分析模型，面向实时任务图的实时系统任务模型，基于OpenMP的多核实时任务模型；（2）研究了多核实时系统中的程序最坏情况执行时间分析技术，提出了面向FIFO与MRU替换策略的最坏情况执行时间分析技术，提出了面向Intel Ivy Bridge体系结构的Cache替换策略侦测技术；（3）研究了不同任务模型下的多核实时调度技术与可调度性分析技术，同时，将研究扩展到混合关键系统的实时调度方面以及混合内存系统的实时调度方面；（4）研发了一个多核实时操作系统，支持多核共享资源隔离与管理、支持多核实时调度；开发了一个多核实时任务建模与设计工具，可以针对OpenMP程序进行实时任务模型的抽取，并基于此开展时间分析。以上研究工作的开展，为多核处理器在实时系统中的应用突破了一些基本理论，提供了创新技术，能够推动航空航天、汽车电子、能源系统等相关应用领域的发展。