實時調度

一、實時系統：

• 指系統能夠在限定的響應時間內提供所需水平的服務。
• 指計算的正確性不僅取決於程序的邏輯正確性，也取決於結果產生的時間，如果系統的時間約束條件得不到滿足，將會發生系統出錯。

實時任務：具有明確時間約束的計算任務，有軟/硬，隨機/周期性之分。

• 硬實時任務：必須滿足任務對截止時間的要求
• 軟實時任務：聯系着一個截止時間，但不嚴格，可偶爾錯過，不會對系統造成大的影響。（實時系統的任務往往帶有某種程度的緊迫性，因而實時系統的調度有某些特殊要求。）

為此引入適合的實時調度算法。

 

二、實現實時調度的基本條件

1.提供必要的信息

為了實現實時調度，系統應向調度程序提供有關任務的下述信息：

• 就緒時間。該任務成為就緒狀態的時間。
• 開始截止時間、完成截止時間。開始截止時間：某個任務必須在某個時間之前開始執行。完成截止時間：某個任務必須在某個時間之前執行完成。
• 處理時間。從開始執行到完成所需時間。
• 資源要求。任務執行時所需的一組資源。
• 優先級。根據任務性質賦予不同優先級。

2.系統處理能力足夠強

處理能力不足可能會出現某些實時任務不能得到及時處理，導致難以預料的后果。
如：

• 系統中有M個周期性的硬實時任務，處理時間為Ci，周期時間表示為Pi,
  單機系統中必須滿足條件
  

3. 提高系統處理能力的方法：

• 增強單機系統的處理能力
• 采用多處理機系統（此情況下需滿足∑（ Ci / Pi ）≤N，N為處理機數）

 

三、實時調度算法的分類

根據實時任務的性質

• 硬實時調度算法
• 軟實時調度算法

根據調度時間不同

• 靜態調度算法
• 動態調度算法。

按調度方式

• 非搶占調度算法
• 搶占調度算法

多處理機環境下

• 集中式調度
• 分布式調度

1.非搶占調度算法

該算法較簡單，用於一些小型實時系統或要求不太嚴格的實時系統中，又可分為：

• 非搶占式輪轉調度算法。常用於工業生產的群控系統中，要求不太嚴格。
• 非搶占式優先調度算法。要求相對嚴格，根據任務的優先級安排等待位置。可用於有一定要求的實時控制系統中。（精心設置可獲得百ms級的響應時間）

較嚴格的實時系統中（t約為數十ms），選擇采用搶占式優先權調度算法。根據搶占發生時間可分為：

• 基於時鍾：某高優先級任務到達后並不立即搶占，而等下一個時鍾中斷時搶占。
• 立即搶占：一旦出現外部中斷，只要當前任務未處於臨界區，就立即搶占處理機。

 

四、常用的幾種實時調度算法

1.最早截止時間優先EDF（Earliest Deadline First）

根據任務的開始截止時間來確定任務的優先級。截止時間越早，其優先級越高。（開始截至時間為t：在t時刻之前該任務必須開始執行）

• 系統保持一個實時任務就緒隊列
• 隊列按各任務截止時間的早晚排序
• 調度程序總是選擇就緒隊列中的第一個任務，分配處理機使之投入運行。

新任務產生時，是否等當前程序執行完：

• 搶占式/非搶占式

可能會使作業錯過，但可適用於軟實時系統

EDF在非搶占式調度方式的應用

1.首先任務 1 先到達並且執行任務
2.在任務 1 執行的過程中，任務 2，3 到達。也就是任務 1 執行完時，有任務 2，3 等待被執行
3.比較任務 2，3 的截止時間，也就是最上面的開始截止時間，可得到，任務 3 先執行
4.同樣的分析方式，可以得出任務 4 先於任務 2 執行
所以執行順序是 1，3，4，2

EDF在搶占式調度方式的應用

我們通過一個例子來講解

 

 

 

首先，該圖的二，三行是為了說明常用的優先級調度不能適用於實時系統，這里不細說，可以不用管，我們直接觀察第一行和最后一行。

1.在 t = 0 時，A1 和 B1 同時到達。此時比較二者的截止時間（最后期限），可以看出 A1 的截止時間早，所以 A1 先運行。

2.A1 執行 10ms 后因為 A2 還沒有到，所以不存在比較，直接切換 B1 執行。

3.當 B1 執行了 10ms 后，A2 到達，比較二者的截止時間，A2 先於 B1。所以A2 搶占處理機，B1 中斷。

此后的調度方式按照上面的分析即可完成
EDF在搶占式和非搶占式的區別就是，搶占式就是，當新任務A來到的時候，如果A的截止時間比正在執行的任務B的截止時間提前，那么就中斷B，搶奪處理機控制權，轉而運行A。

2.最低松弛度優先LLF（Least Laxity First）

根據任務緊急（或松弛）的程度，來確定任務的優先級。任務的緊急程度越高（松弛度值越小），優先級就越高。
松弛度= 截止完成時間 – 還需執行時間 - 當前時間
可理解為當前時刻到開始截止時刻間的差距，隨着時間的推進，這個差值逐漸變小，任務越來越緊迫。

舉兩個例子。

例1.

比如此時時間軸為 0ms，任務 A 和 B 同時到達，需要確定先執行哪個任務。

任務 A 需要在 200ms 這個時刻（或之前）完成，而 A 本身要運行 100ms。所以 A 的松弛度就是 200 - 100 - 0 = 100ms。

此時還有一個任務 B ，必須在 400ms 時刻（或者之前）完成，本身需要運行 150ms，所以松弛度為 400 - 150 - 0 = 250

所以，松弛度低（任務越緊急）先執行。

例2.

假如一個實時系統中有兩個周期性實時任務 A 和 B，任務 A 每 20ms 運行一次，一次運行 10ms 。

任務 B 每 50ms 運行一次，一次運行 25ms。

通過觀察下圖，

可畫出 A 和 B 在 LLF 算法下的調度時間軸圖。

進程切換發生的時機：

• 進程執行完
• 進程I/O阻塞
• 新進程出現時可能的搶占
• 某進程松弛度為0時發生搶占
  有的時刻，其他並發的實時任務下一周期未到來，會出現只有一個任務的情況。

 

五、多處理機系統中的調度

提高計算機系統性能的途徑：

• 提高計算機元器件速度
• 改進計算機系統體系結構
  20世紀70年代出現多處理器系統MPS（MultiProcessor System）。90年代中后期，功能較強的主機或服務器都采用了MPS。

1.多處理器系統的類型

不同角度分類

（1）緊密耦合MPS和松弛耦合MPS

• 緊密耦合（Tightly Coupted）
  高速總線或高速交叉開關來實現多個處理器之間的互連。
  共享主存儲器系統和I/O設備。系統中所有進程和資源由OS統一控制管理。
• 松散耦合（Loosely Coupted）
  通過通道或通信線路來實現多台計算機之間互連。
  每台計算機都有自己的存儲器和I/O設備，可以獨立工作。

（2）對稱MPS和非對稱MPS

• 對稱多處理系統SMPS（Symmetric MultiProcessor System）平等型：在系統中所包含的各處理器單元在功能上和結構上都相同。當前的絕大多數MPS屬於此類。
• 非對稱多處理器系統。主從型：系統中有多種類型的處理單元，它們的功能和結構各不相同，其中只有一個主處理器，其余為從處理器。

2.進程分配方式

在多處理器系統中，進程的調度與系統結構有關。

• 同構性系統中，所有處理器都相同，可將進程分配到任一處理器上運行；
• 非對稱MPS，對任一進程而言，都只能將其分配到某一適合於其運行的處理機上去執行。下面分別介紹對稱MPS和非對稱MPS中的進程分配方式。

（1）對稱MPS中的進程分配方式

①靜態分配（Static Assignment）方式：

• 進程從開始至完成被固定分配到一個處理器上。
• 優點是進程調度開銷小，缺點是各處理器可能出現忙閑不均。

②動態分配（Dynamic Assignment）方式：

• 系統中僅設置一個公共的就緒隊列，分配進程總是給空閑處理器。某一進程的執行可能曾在不同的處理器上。
• 優點是消除忙閑不均現象。但松散耦合系統增大調度開銷。

（1）非對稱MPS中的進程分配方式

OS的核心部分駐留在一台主機上，而從機上只是用戶程序，進程調度只由主機執行。主機中保持有一個就緒隊列。
每當從機空閑時向主機發一索求進程信號，然后等待主機分配進程。
優點是系統處理比較簡單，缺點是處理靠一台主機導致不可靠。（克服缺點的方法是利用多台而非一台管理系統）

3.進程（線程）調度方式

MPS已廣為流行多年，存在着多種調度方式，許多都是以線程作為基本調度單位的，比較有代表的如下：

• 自調度（Self-Scheduling）方式
• 成組調度（Gang Scheduling）方式
• 專用處理器（Dedicated Processor Assignment）分配方式

（1）自調度（Self-Scheduling）方式

• 最簡單的一種調度方式。
• 系統中設置一個公共的進程或線程就緒隊列，所有的處理器空閑時，都可自己到該隊列中取得一進程（線程）來運行。
• 調度算法：可采用FCFS、FPF和搶占式最高優先權優先調度算法等。經實驗證明FCFS算法在多處理器環境下簡單開銷小，目前成為較好的調度算法。

特點：

• 優點：
  1）易將單機環境下的調度機制移植到MPS中；
  2）不會發生處理器忙閑不均的現象，有利於提高處理器的利用率。
• 缺點：
  1）瓶頸問題。多處理器互斥訪問唯一就緒隊列。
  2）低效性。高速緩存的使用效率很低。
  3）線程切換頻繁。相關的其他線程未必會同時獲得處理器導致切換頻繁。

（2）成組調度（Gang Scheduling）方式

為解決自調度方式中線程頻繁切換的問題
將進程的一組線程分配到一組處理器上去執行。分配處理器時間的方式：

• 面向所有應用程序平均分配處理器時間
• 面向所有線程平均分配處理器時間

優點：

• 相互合作的進程或線程能並行執行，可有效的減少阻塞，減少切換使系統性能得到改善；
• 每次調度都可以解決一組線程的處理器分配問題，故可顯著減少調度頻率，減少了調度開銷。

（3）專用處理器（Dedicated Processor Assignment）方式

在一個應用程序的執行期間，專為該應用程序分配一組處理器，每一個線程一個處理器。
這種方式很浪費。但仍有利用市場，適用於並發程度相當高的多處理機環境：

• 對系統的性能和效率來講，單個處理器的利用率已不太重要。
• “專用”完全避免了切換，從而大大加速了程序運行。
• 同時加工的應用程序，線程總和不應超過系統處理機的數目。