分布式实时系统中非周期任务端到端利用率控制
End-to-End Utilization Control for Aperiodic Tasks in Distributed Real-Time Systems
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摘要: 近来,一种具有端到端任务模型的分布式实时系统DRTS (Distributed Real-Time Systems)应用日趋广泛,比如下一代的军用航空电子系统、舰载电子系统以及具有多层结构的WEB服务和数据库服务。在这样的系统中,每一个任务由多个子任务组成,子任务之间有着前驱/后继关系,形成一个执行链(Chain),并分阶段依次运行于不同的CPU上,比如:一个监控任务需要经过以下3个子任务的处理:传感器采样、数据传输、本地数据显示,而每个子任务分别运行在不同处理机上。在这之中,一部分系统常常运行于动态与不确定环境,比如:在一个自动监控系统中,被监控目标数的动态变化使得系统中任务的到达与离开呈现出非周期性;此外,任务的执行时间也随着系统任务数、目标距控制中心距离的变化而变化。因此,开发此类系统的一个重要挑战是:如何在系统任务数目和载荷不确定的环境下确保非周期任务端到端的服务质量(QoS)。具体而言,要做到确保每个CPU的利用率不过载以满足父任务端到端的截止时间。如果父任务的QoS得不到满足,将会导致系统失效或可靠性大大降低。为此,本文在国家“十五”预研项目(No.41315040106) 和国家863项目(No. 2003AA1Z2210)的资助下,研究提出了针对非周期实时任务端到端利用率控制的体系结构以及IC-EAT (Integration Control for End-to-End Aperiodic Tasks)算法。IC-EAT构造了一个能确保多个CPU利用率的分布式多输入多输出控制环,它集成了非周期任务调度的许可控制机制与回馈控制机制,动态调整任务的QoS。然后,本文建立了具有线性二次型指标函数的最优控制模型LQOCM (Linear Quadratic Optimal Control Model)实现对系统端到端的利用率控制。最后,实验结果证明: 对于控制矩阵G处于稳定区的端到端分布式实时系统,IC-EAT是收敛、稳定的,并为非周期任务提供更好的QoS确保,此外,IC-EAT还能提供系统吞吐率。本文的主要贡献是:提出了针对分布式实时系统DRTS中非周期任务的端到端利用率控制模型及算法IC-EAT。设计了一种新的回馈控制体系结构,不仅可以让每个CPU的利用率保持在设定值附近,而且使系统保持稳定。集成了两种控制机制:基于非周期任务可调度上限的许可控制和基于控制论的回馈控制,这种方式将系统实测利用率和瞬态利用率相结合,向系统提供更好的QoS确保,并提高系统吞吐量。Abstract: An increasing number of DRTS (Distributed Real-Time Systems) areemploying an end-to-end aperiodic task model. The key challenges of suchDRTS are guaranteeing utilization on multiple processors toachieve overload protection, and meeting the end-to-end deadlines ofaperiodic tasks. This paper proposes an end-to-end utilization controlarchitecture and an IC-EAT (Integration Control for End-to-EndAperiodic Tasks) algorithm, which features a distributed feedback loopthat dynamically enforces the desired utilization bound on multipleprocessors. IC-EAT integrates admission control with feedbackcontrol, which is able to dynamically determine the QoS (Quality ofService) of incoming tasks and guarantee the end-to-end deadlines ofadmitted tasks. Then an LQOCM (Linear Quadratic Optimal Control Model) ispresented. Finally, experiments demonstrate that, for the end-to-endDRTS whose control matrix \pmb G falls into the stable region, theIC-EAT is convergent and stable. Moreover, it is capable of providingbetter QoS guarantees for end-to-end aperiodic tasks and improving thesystem throughput.
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