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基于AADL的混合关键系统随机错误与突发错误安全性分析

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软件学报 2024年第9期35卷 4287-4309页

作者：魏晓敏董云卫孙聪李兴华马建峰西安电子科技大学网络与信息安全学院陕西西安710071 西北工业大学计算机学院陕西西安710072

许多复杂的嵌入式系统都是混合关键系统(mixed-criticality system,MCS).MCS通常需要在指定的关键性(criticality)等级状态下运行,但是它们可能会受到一些危害的影响,这些危害可能会导致随机错误和突发错误,进一步导致执行线程中止,甚... 详细信息

许多复杂的嵌入式系统都是混合关键系统(mixed-criticality system,MCS).MCS通常需要在指定的关键性(criticality)等级状态下运行,但是它们可能会受到一些危害的影响,这些危害可能会导致随机错误和突发错误,进一步导致执行线程中止,甚至导致系统故障.目前的研究仅集中于对MCS的可调度性分析,未能进一步分析系统安全性,未能考虑线程之间的依赖关系.以随机错误和突发错误为研究对象,提出一种集成故障传播分析的基于架构的MCS安全分析方法.使用架构分析和设计语言(architecture analysis and design language,AADL)刻画构件依赖关系.为了弥补AADL的不足,创建新的AADL属性(AADL突发错误属性),并提出新的线程状态机(突发错误行为线程状态机)语义来描述带有突发错误的线程执行过程.为了将概率模型检查应用于安全分析,提出模型转换规则和组装方法,从AADL模型推导出PRISM模型.建立了两个公式,分别获得定量安全属性以验证故障发生的概率,以及定性安全属性以生成相应的正例来求出故障传播路径来进行故障传播分析.最后,以动力艇自动驾驶仪(power boat autopilot,PBA)系统为例,验证了该方法的有效性.

关键词：混合关键系统突发错误模型转换安全性分析概率模型检验

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混合关键系统半划分调度算法研究

微电子学与计算机 2023年第3期40卷 75-84页

作者：李天森黄姝娟肖锋张文娟陈术山西安工业大学计算机科学与工程学院陕西西安710021 西安工业大学基础学院陕西西安710021

混合关键系统是现代嵌入式系统发展的主要趋势之一,其中高关键任务代表紧急度高或者重要程度高的实际任务,往往需要优先保证.为了保证高关键级别任务的执行,当前的混合关键任务调度算法中常常存在对低关键级别任务采用丢弃或者调度不及... 详细信息

混合关键系统是现代嵌入式系统发展的主要趋势之一,其中高关键任务代表紧急度高或者重要程度高的实际任务,往往需要优先保证.为了保证高关键级别任务的执行,当前的混合关键任务调度算法中常常存在对低关键级别任务采用丢弃或者调度不及时的现象,造成在关键级别转换时,任务丢失时限率较大且系统利用率较低.为此,本文在具有双重关键级别的混合关键系统中,对EDF-os半划分调度算法进行改进.首先,在划分阶段,将高关键级别的任务作为固定任务,低关键级别的任务按照利用率使用Worst-Fit策略进行划分.其次,在执行阶段,采用job边界迁移形式,并详细讨论了在不同系统关键级别之下,不同关键级别任务优先级确定的策略,根据优先级对任务进行调度执行.最后,模拟具有双关键级别的多处理器混合关键系统,随机产生任务集进行仿真实验,结果表明,该方法使得低关键级别任务的可执行比例平均提升了14.8%,任务丢失时限率降低了19.7%.

关键词：任务调度混合关键系统半划分算法优先级多处理器

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基于混合关键系统的容器调度架构设计

计算机科学 2023年第S01期50卷 901-905页

作者：邓广宏张棋恒武汉数字工程研究所武汉430205

针对实时容器和非实时容器混合的关键任务系统中的容器调度的实时性保障问题以及CPU资源的分配问题,提出了一种实时/非实时容器混合关键系统的容器调度架构,基于分层调度模型调度容器控制组的实时运行队列,并限制了非实时容器分配的系... 详细信息

针对实时容器和非实时容器混合的关键任务系统中的容器调度的实时性保障问题以及CPU资源的分配问题,提出了一种实时/非实时容器混合关键系统的容器调度架构,基于分层调度模型调度容器控制组的实时运行队列,并限制了非实时容器分配的系统资源,来确保每个实时容器的实时性;同时增加负载监控和均衡策略,在保证实时性的条件下对非实时容器占用的CPU资源进行合理分配。实验结果表明,该方法解决了实时容器和非实时容器混用情况下调度机制对实时容器造成的实时性降低问题。

关键词：混合关键系统实时容器 CPU调度 Docker Linux

面向混合关键系统的多核实时调度算法研究与实现

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面向混合关键系统的多核实时调度算法研究与实现

作者：胡璧涛电子科技大学

学位级别：硕士

随着计算机软硬技术的不断发展,多核嵌入式实时系统越来越广泛地应用在生产生活的方方面面。各领域出于对空间、功耗、重量的考虑,当前的主流趋势是将原本部署在独立子系统中的不同关键等级的众多任务集成到共享同一处理器资源的统一硬... 详细信息

随着计算机软硬技术的不断发展,多核嵌入式实时系统越来越广泛地应用在生产生活的方方面面。各领域出于对空间、功耗、重量的考虑,当前的主流趋势是将原本部署在独立子系统中的不同关键等级的众多任务集成到共享同一处理器资源的统一硬件平台上。这要求实时系统在同一平台上正确调度不同关键等级的任务,而传统实时任务调度器不能很好地满足这一要求。在现实需求的驱动下,混合关键系统日渐成为实时领域的研究热点。混合关键系统任务调度算法的重要目标是在保证高关键级任务时限约束的同时,尽量提高系统资源利用率。目前关于混合关键系统的研究主要集中在理论仿真的研究,面向工程应用领域的研究比较少。本文在电子科技大学自研的mginkgo微内核OS的基础上,深入分析实时系统、混合关键系统、多核处理器的关键技术,设计并实现一套面向混合关键系统的多核实时调度器。本文采用层次化架构进行调度器的设计,顶层是全局调度子系统,为任务合理分配CPU核心;底层是本地调度子系统,决策任务的执行次序。总体包含以下几部分功能模块:1.任务接受测试模块。该模块是本地调度子系统用于检测全局调度子系统分配到本核心的任务是否能够与本核心已接受的任务可行地调度。2.空闲挪用与时间隔离机制。该机制是本地调度子系统的核心机制,实现高关键级任务与低关键级任务之间以及同等关键级任务之间的时间隔离,从而确保高关键级任务不受低关键级任务干扰。3.任务划分模块。该模块是全局调度子系统的核心功能,重点考虑各任务关键等级,将任务分配到存在可行调度的CPU核心上,同时兼顾跨核消息开销优化以及负载均衡的需求。此外,本文对微内核原有的IPC通信机制进行优化,以满足混合关键系统的要求,主要从关键等级反转避免、控制流切换加速以及跨核消息优化这三个方面进行了改进。本文最后在ARM-v7a多核处理器平台上对系统从功能和性能这两个角度进行了测试,实验结果表明本文设计的调度器性能良好,达到设计预期。

关键词：混合关键系统实时系统任务调度算法多核处理器 IPC优化

混合关键系统助力工业智能系统蓬勃发展——“第五届国产嵌入式操作系统技术与产业发展论坛”圆满结束

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单片机与嵌入式系统应用 2023年第9期23卷 1-3页

作者：本刊编辑部不详

嵌入式人工智能快速发展,对于高性能计算需求越来越大。为了应对日益复杂和不确定的外部环境,国产嵌入式智能系统更离不开兼顾强实时和高算力的异构多核国产智能芯片和国产基础软件。工业智能系统对基于智能芯片上的混合关键系统的需求... 详细信息

嵌入式人工智能快速发展,对于高性能计算需求越来越大。为了应对日益复杂和不确定的外部环境,国产嵌入式智能系统更离不开兼顾强实时和高算力的异构多核国产智能芯片和国产基础软件。工业智能系统对基于智能芯片上的混合关键系统的需求尤为强劲。

关键词：嵌入式操作系统高性能计算人工智能智能系统国产基础软件混合关键系统智能芯片工业智能

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基于异构多核系统的混合关键任务调度算法

计算机工程 2018年第2期44卷 51-55页

作者：赵瑞姣朱怡安李联西北工业大学计算机学院西安710072 西北工业大学软件与微电子学院西安710072

针对目前混合关键系统任务调度过程中处理器利用率不高、对非关键任务消极处理、不允许关键任务核间迁移等问题,提出一种适用于异构多核系统的混合关键任务调度算法。在处理器映射阶段优先将关键任务分配到强核上,并以处理器最大剩余带... 详细信息

针对目前混合关键系统任务调度过程中处理器利用率不高、对非关键任务消极处理、不允许关键任务核间迁移等问题,提出一种适用于异构多核系统的混合关键任务调度算法。在处理器映射阶段优先将关键任务分配到强核上,并以处理器最大剩余带宽为指标进行任务分配,在系统模式切换时考虑关键任务的核间迁移,引入回收队列对被丢弃非关键任务进行回收再分配。仿真结果表明,该算法能最大限度保证关键任务在截止期前完成,同时提高非关键级任务的执行率和系统的任务接受能力。

关键词：异构系统多核处理器混合关键系统任务回收调度算法

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多核系统中混合关键任务调度方法研究

多核系统中混合关键任务调度方法研究

作者：李天森西安工业大学

学位级别：硕士

随着多核处理器的出现,计算机的处理性能得到大幅度提升,人们对嵌入式系统提出了更高的要求。为节省嵌入式系统的体积、成本、功耗和计算资源,将多个具有不同关键等级的功能或子系统集成在同一硬件平台上,形成了混合关键系统。在该系统... 详细信息

随着多核处理器的出现,计算机的处理性能得到大幅度提升,人们对嵌入式系统提出了更高的要求。为节省嵌入式系统的体积、成本、功耗和计算资源,将多个具有不同关键等级的功能或子系统集成在同一硬件平台上,形成了混合关键系统。在该系统中,会存在多种关键级别的实时周期任务同时被执行。由于一些高关键级别任务的执行失败可能会带来灾难性的后果,而低关键级别任务的执行失败只会降低用户的体验,因此目前大部分混合关键任务调度算法研究中,为保证高关键级别任务的执行需求,往往会延迟或者直接挂起一部分低关键级别任务。这样的处理方式过于保守,使得系统资源利用率较低,因此如何对任务进行有效的划分以充分利用多核处理器的性能是混合关键系统中研究的重点。针对上述问题,研究在混合关键系统中如何保障高关键级别任务执行的同时,改进对低关键级别任务的消极处理,从而改善各个处理器的利用率,提高系统整体效率。本文主要研究内容如下:(1)针对混合关键系统中对低关键级别任务的消极处理,提出一种基于综合影响因子的混合关键任务全局调度方法。通过考虑各个任务的不同属性间的关系,对影响任务优先级判定的几个因素进行定义,进而提出一种新的任务优先级确定的方式,并通过理论推导证明该方法的正确性。实验表明,与现有经典调度算法相比,该算法在低关键级别任务的可调度性上提高了10%,在任务迁移和抢占开销上降低了17.9%。(2)针对混合关键任务全局调度算法中任务迁移开销较大的问题,在已有传统的半划分调度算法EDF-os(Earliest Deadline First Based Optimal Semi-partitioned)的基础上,提出了一种适用于混合关键系统的半划分调度算法——MC-EDF-os(Mixed-Criticalit y Earliest Deadline First Based Optimal Semi-partitioned)。即在任务执行期间,当系统关键级发生变化时,允许一小部分低关键级别任务迁移至负载较轻的处理器上继续执行。实验表明,与EDF-VD(Earliest Deadline First Virtual Deadline)算法相比,该算法在迁移开销方面降低了38%,低关键级别任务的可调度性上提高了14.8%,同时使得各个处理器的利用率处于较为均衡的状态。(3)当前大部分混合关键任务调度算法在验证阶段均选择仿真实验,并没有在真实的操作系统中验证算法的有效性和正确性。本文在多核实时验证平台——LITMUS上对基于综合影响因子的混合关键任务调度算法和其对比算法进行实现,以插件的形式添加至平台内核中,最后通过实例进行验证。结果表明,本文算法在实际验证平台中同样优于CAPA(Criticality as Priority Assignment)算法和FBTWP-CFP(Forward and Backward Time Window Partition Criticality Factor Prior)算法,证明了其有效性和正确性。

关键词：混合关键系统调度算法多核处理器可调度性

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一种保障实时系统时间约束的处理器指令扩展

北京大学学报（自然科学版） 2023年第2期59卷 179-188页

作者：赵秀嘉李雷刘先华北京大学计算机学院北京100871 北京大学微处理器及系统教育部工程研究中心北京100871 北京智芯微电子科技有限公司北京100192

采用软硬件协同技术,通过必要的硬件语义实现资源隔离,基于高效的任务调度保障不同关键级别任务满足时间约束,是当前混合关键系统设计的有效方法之一。本研究基于时序可预测的细粒度多线程处理器FlexPRET,扩展设计实现时序指令,并分别... 详细信息

采用软硬件协同技术,通过必要的硬件语义实现资源隔离,基于高效的任务调度保障不同关键级别任务满足时间约束,是当前混合关键系统设计的有效方法之一。本研究基于时序可预测的细粒度多线程处理器FlexPRET,扩展设计实现时序指令,并分别在硬件和编译器中添加对扩展指令的支持,使得程序在代码中对最大执行时间进行时序约束语义描述。实验评测表明,所实现的扩展指令可为用户提供更精细的时序控制。

关键词：指令扩展实时系统混合关键系统最坏执行时间

一种面向TTE网络的综合模块化航电系统建模方法的研究

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一种面向TTE网络的综合模块化航电系统建模方法的研究

作者：李姣洁西安电子科技大学

学位级别：硕士

综合模块化航空电子系统(IMA)由于其灵活的模块化架构被广泛应用于航电系统,其模块间通过分区进行隔离,分区间应用互不干扰,每个模块上的所有应用共享模块的计算资源、存储资源和I/0资源,各个模块之间通过高速总线进行联接。时间触发以... 详细信息

综合模块化航空电子系统(IMA)由于其灵活的模块化架构被广泛应用于航电系统,其模块间通过分区进行隔离,分区间应用互不干扰,每个模块上的所有应用共享模块的计算资源、存储资源和I/0资源,各个模块之间通过高速总线进行联接。时间触发以太网(TTE)在标准以太网的基础上增加了时间触发机制,通过各节点本地时钟之间的同步机制实现了时间同步,其中时间触发流量能够在确定的时间内传输,具有较高的实时性和可用性,受到混合关键性航电系统通信的广泛应用。集成的模块化航空电子架构与新兴的SAE TTEthernet标准相结合,为满足严格的安全性,可靠性和性能要求的混合关键航空电子应用的部署提供了强大的基础架构。时间触发以太网TTE满足混合安全关键性航电系统中的不同的实时性需求,但是国内外鲜少有人研究关于该领域的建模方法,因此本文研究面向TTEthernet的综合模块化航电系统建模方法,旨在提供一种航电系统的实时性网络建模方法,并为分析系统网络时延及其它非功能属性提供一个模型基础。本文提出一种基于模型的方法以支持对部署在基于TTEthernet的IMA架构上的混合关键性航电应用的建模。为了实现该方法,首先根据AS6802、ARINC664-P7和AADL标准,进行集成相关建模特征提取,形成AADL-Network的需求模型,需求模型包含TTE领域建模需求和集成IMA架构的TTE数据流传输需求。其次,基于EMF框架设计包含TTEthernet领域和IMA架构相关概念和约束的系统网络元模型,涵盖同步元模型,调度元模型,帧元模型和IMA元模型。然后,使用形式化语言巴克斯范式BNF定义该元模型的具体文本语法,其中包含建模语言AADL-Network的词法及语法规范。最后,基于Xtext框架实现该领域特定建模语言及其解析器,该解析器包含词法分析,语法分析,交叉引用和语义分析四个功能,并将该解析器与AADL编译器进行集成。文中最后对空压机控制系统使用上述建模方法及工具进行建模,展示了工具及方法的应用范围及场景。根据所设计的建模方法及工具,能够对面向时间触发以太网的综合模块化航电系统建模,支持系统早期开发阶段的分析与验证,解决了现有建模语言在时间触发以太网络建模方面的不足。基于模型的方法,提高了嵌入式软件开发效率,节省了人力成本,丰富了模型驱动开发。

关键词：时间触发以太网 IMA架构混合关键系统建模