《清华大学实时系统》课件

清华大学实时系统导论欢迎来到清华大学实时系统导论课程本课程旨在全面介绍实时系统的基本概念、关键技术和广泛应用通过学习本课程，你将掌握实时系统的设计、开发和测试方法，为未来从事相关领域的研究和实践奠定坚实的基础课程概述与教学目标课程概述教学目标本课程涵盖实时系统的定义、特征、应用领域、基本概念、调度通过本课程的学习，学生应能够理解实时系统的基本概念和特征算法、实时操作系统、资源管理、通信系统、数据库系统、嵌入；掌握实时调度算法的原理和应用；熟悉实时操作系统的构成和式系统、开发工具、测试方法、性能评估与优化、案例分析等内功能；能够运用实时系统开发工具进行系统设计和实现；能够对容我们将深入探讨实时系统的核心原理和实践技术实时系统进行性能评估和优化；能够分析和解决实际应用中的实时系统问题实时系统的定义与特征定义特征重要性123实时系统是指其正确性不仅取决于计算的实时系统具有时间约束性、可预测性、可实时系统在许多领域都发挥着关键作用，逻辑结果，而且取决于结果产生的时间的靠性、并发性和反应性等特征时间约束例如工业自动化、航空航天、医疗设备和系统换句话说，实时系统必须在严格的性是指系统必须在规定的时间内完成任务通信系统这些系统必须能够可靠地、及时间限制内完成任务，否则系统可能会失；可预测性是指系统行为必须能够预测；时地响应外部事件，以确保安全和高效的效可靠性是指系统必须能够正常工作；并发运行如果实时系统出现故障，可能会导性是指系统能够同时处理多个任务；反应致严重的后果，包括经济损失、人员伤亡性是指系统能够及时响应外部事件和环境破坏实时系统的应用领域工业自动化航空航天医疗设备控制机器人、生产线监飞行控制、导航系统、监护仪、心脏起搏器、控、质量检测等卫星控制等输液泵等通信系统网络交换机、移动通信基站、语音识别等实时系统的基本概念任务实时系统中的一个独立执行单元，可以是程序、函数或进程任务具有时间约束，需要在规定的时间内完成调度确定任务执行顺序的过程实时调度算法旨在满足任务的时间约束，保证系统能够及时响应外部事件资源实时系统中的硬件或软件实体，例如、内存、设备等资源需要进行合理的分配CPU I/O和管理，以避免资源竞争和死锁时间实时系统中的关键因素系统需要精确地测量时间，并根据时间信息进行调度和控制硬实时与软实时系统的区别硬实时系统软实时系统必须严格满足所有时间约束，否则系统将发生灾难性故障例如可以容忍一定程度的时间约束违反，但会影响系统性能例如，，航空航天控制系统、核电站控制系统等视频播放器、游戏等实时系统的性能指标截止时间满足率满足截止时间的任务所占的比例平均响应时间任务从到达系统到完成执行的平均时间系统利用率被任务占用的时间所占的比例CPU抖动任务执行时间的不确定性实时任务的基本特征时间约束优先级12任务需要在规定的时间内完成任务的相对重要性资源需求同步需求34任务执行所需的资源任务之间的同步关系周期性任务与非周期性任务周期性任务非周期性任务以固定的时间间隔重复执行的任务，例如传感器数据采集、控制在不确定的时间到达的任务，例如用户请求、外部事件等算法等任务的时间参数到达时间1任务到达系统的时刻执行时间2任务执行所需的时间CPU截止时间3任务必须完成执行的时刻周期4周期性任务重复执行的时间间隔任务的优先级最高优先级1最紧急的任务高优先级2重要的任务中优先级3一般的任务低优先级4不太重要的任务最低优先级5最不紧急的任务任务的截止时间硬截止时间软截止时间如果任务未能在截止时间前完成，系统将发生灾难性故障如果任务未能在截止时间前完成，系统性能会受到影响，但不会发生灾难性故障实时调度的基本概念任务调度21任务就绪任务执行3调度算法的分类静态调度在系统运行前确定任务的调度顺序动态调度在系统运行时根据任务的到达时间动态调整调度顺序抢占式调度高优先级任务可以中断低优先级任务的执行非抢占式调度任务一旦开始执行，直到完成或主动放弃，才能被其他任务中断CPU静态调度与动态调度静态调度动态调度适用于任务集和时间参数固定的情况优点是可预测性高，缺点适用于任务集和时间参数不确定的情况优点是灵活性高，缺点是灵活性差是可预测性较差抢占式调度与非抢占式调度抢占式调度非抢占式调度适用于高优先级任务需要及时响应的情况优点是响应速度快，适用于任务执行时间较短的情况优点是上下文切换开销小，缺缺点是上下文切换开销大点是响应速度慢线性调度算法线性调度算法是一种简单的静态调度算法，它按照任务的优先级顺序依次执行任务线性调度算法的优点是实现简单，缺点是不能保证所有任务都能满足截止时间速率单调调度算法（）RMS是一种常用的静态优先级调度算法，它根据任务的周期来分配优先级周期越短的任务，优先级越高算法的优点是实现简单RMS RMS，可预测性高，缺点是系统利用率较低的优先级分配RMS在算法中，任务的优先级与其周期成反比周期越短的任务，优先级越高RMS例如，如果任务的周期为，任务的周期为，那么任务的优A10ms B20ms A先级高于任务B的可调度性分析RMS可以使用可调度性分析公式来判断算法是否能够保证所有任务都能满足截RMS止时间如果任务集的利用率低于某个阈值，那么算法就可以保证所有任RMS务都能满足截止时间最早截止时间优先算法（）EDF是一种常用的动态优先级调度算法，它根据任务的截止时间来分配优先级EDF截止时间越早的任务，优先级越高算法的优点是系统利用率高，缺点EDF是实现复杂，可预测性较差的调度原理EDF在算法中，任务的优先级与其截止时间成反比截止时间越早的任务，优EDF先级越高例如，如果任务的截止时间为，任务的截止时间为A10ms B20ms，那么任务的优先级高于任务A B的可调度性分析EDF可以使用可调度性分析公式来判断算法是否能够保证所有任务都能满足截EDF止时间如果任务集的利用率低于，那么算法就可以保证所有任务100%EDF都能满足截止时间最低松弛时间优先算法（）LLF是一种动态优先级调度算法，它根据任务的松弛时间来分配优先级松弛LLF时间是指任务的截止时间与当前时间之差减去任务的剩余执行时间松弛时间越短的任务，优先级越高实时操作系统概述实时操作系统（）是一种专门用于实时应用的操作系统具有时间RTOS RTOS可预测性、高可靠性和高效率等特点，能够满足实时应用对时间约束的严格要求实时操作系统的特点时间可预测性1能够保证任务在规定的时间内完成RTOS高可靠性2能够保证系统在恶劣环境下正常工作RTOS高效率3能够有效地利用系统资源RTOS可裁剪性4可以根据应用需求进行裁剪RTOS实时内核的构成任务调度器负责任务的调度和执行中断处理程序负责处理中断事件内存管理器负责内存的分配和管理设备驱动程序负责与硬件设备进行交互中断处理机制中断处理机制是的重要组成部分，它能够及时响应外部事件中断处理RTOS程序需要快速执行，以避免影响系统的实时性任务管理与切换任务管理包括任务的创建、删除、挂起、恢复等操作任务切换是指将的控制权从一个任务转移到另一个任务任务切换需要快速CPU执行，以避免影响系统的实时性进程间通信进程间通信（）是指多个进程之间进行数据交换和信息传递常用的机IPC IPC制包括消息队列、信号量、共享内存等实时系统的同步机制同步机制用于协调多个任务之间的执行顺序，避免资源竞争和数据不一致常用的同步机制包括信号量、互斥锁、条件变量等信号量与互斥锁信号量互斥锁用于控制对共享资源的访问，允许多个任务同时访问资源用于控制对共享资源的独占访问，只允许一个任务访问资源优先级反转问题优先级反转是指高优先级任务被低优先级任务阻塞，导致高优先级任务无法及时执行优先级反转会严重影响系统的实时性优先级继承协议优先级继承协议是一种解决优先级反转问题的方案当高优先级任务被低优先级任务阻塞时，低优先级任务会继承高优先级任务的优先级，从而避免优先级反转优先级天花板协议优先级天花板协议是另一种解决优先级反转问题的方案每个资源都有一个优先级天花板，当任务访问资源时，任务的优先级会被提升到资源的天花板优先级，从而避免优先级反转实时资源管理实时资源管理是指对、内存、设备等资源进行合理的分配和管理，以CPU I/O保证系统能够及时响应外部事件实时内存管理实时内存管理需要避免内存碎片，并提供快速的内存分配和释放机制常用的实时内存管理算法包括固定大小分区、伙伴系统等实时文件系统实时文件系统需要提供快速的文件访问速度，并保证数据的一致性常用的实时文件系统包括日志文件系统、嵌入式文件系统等实时系统的时间管理时间管理是实时系统的核心功能，它需要提供精确的时间测量和定时器服务时间管理需要考虑时钟精度、时钟漂移等因素时钟中断与定时器时钟中断是周期性产生的中断事件，它可以用于驱动实时任务的执行定时器可以用于在指定的时间触发事件，例如延时、超时等实时系统的可靠性可靠性是指系统能够持续正常工作的时间实时系统需要具有高可靠性，以保证系统的安全和高效运行容错机制设计容错机制是指系统在发生故障时能够继续正常工作的能力常用的容错机制包括冗余、故障检测、故障恢复等冗余技术冗余是指在系统中增加额外的资源，以提高系统的可靠性常用的冗余技术包括硬件冗余、软件冗余、信息冗余等故障检测与恢复故障检测是指检测系统是否发生故障故障恢复是指在发生故障后，将系统恢复到正常状态常用的故障检测与恢复技术包括自检、监控、重启等实时通信系统实时通信系统是指能够保证数据在规定的时间内传输的通信系统实时通信系统需要考虑延迟、抖动、丢包率等因素实时网络协议实时网络协议是指能够保证数据在规定的时间内传输的网络协议常用的实时网络协议包括总线、工业以太网等CAN总线技术CAN总线是一种常用的实时通信协议，它具有高可靠性、高实时性和低成本等CAN特点，广泛应用于汽车电子、工业自动化等领域工业以太网工业以太网是一种基于以太网的实时通信协议，它具有高带宽、高灵活性和易于集成等特点，广泛应用于工业自动化等领域分布式实时系统分布式实时系统是指由多个节点组成的实时系统，节点之间通过网络进行通信分布式实时系统需要考虑时间同步、数据一致性等问题时间同步技术时间同步是指将多个节点的时间同步到同一个时间基准常用的时间同步技术包括、等NTP PTP实时数据库系统实时数据库系统是指能够保证数据在规定的时间内访问的数据库系统实时数据库系统需要考虑事务的截止时间、查询的优化等问题实时事务处理实时事务处理是指在规定的时间内完成数据库事务的处理实时事务处理需要考虑事务的截止时间、并发控制等问题实时查询优化实时查询优化是指在规定的时间内完成数据库查询的优化实时查询优化需要考虑查询的复杂度、索引的使用等问题嵌入式实时系统嵌入式实时系统是指运行在嵌入式设备上的实时系统嵌入式实时系统具有资源受限、功耗敏感等特点嵌入式系统设计方法嵌入式系统设计方法包括硬件设计、软件设计、系统集成等嵌入式系统设计需要考虑资源受限、功耗敏感等因素的选择与应用RTOS的选择需要考虑应用的需求、硬件的平台、开发的成本等因素常用的RTOS包括、等RTOS FreeRTOSμC/OS-III实时系统开发工具实时系统开发工具包括编译器、调试器、仿真器等常用的实时系统开发工具包括、等Eclipse KeilMDK实时系统测试方法实时系统测试方法包括单元测试、集成测试、系统测试等实时系统测试需要考虑时间约束、可靠性等因素性能评估与优化性能评估是指对系统的性能进行测量和分析性能优化是指通过改进系统的设计或实现，提高系统的性能常用的性能评估工具包括性能分析器、仿真器等实时系统案例分析通过对实际应用中的实时系统案例进行分析，可以更好地理解实时系统的设计和实现例如，可以分析工业自动化控制系统、航空航天控制系统等。