武奎俊多核实时系统资源预留映射与仿真研究硕士学位论文.docx

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武奎俊多核实时系统资源预留映射与仿真研究硕士学位论文

硕士学位论文

武奎俊多核实时系统资源预留映射与仿真研究

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

随着实时系统越来越多的被应用在多核处理器环境下，人们也越来越重视对多核处理器上实时任务调度问题的研究[1]。

当前问题研究的重点是如何保证任务的可调度性、系统的实时性、系统的效率以及如何节省处理器核资源和减少处理器能耗。

本文将重点研究任务调度算法来提高系统的效率。

资源预留是实时系统中一种实现任务间时间隔离的方法[2]。

实时程序在多核处理器上以资源预留的方式运行，可将其划分为多个任务，并将各个任务部署到处理器核上。

为了节省计算资源占用和减少处理器能耗，在部署时应该使用尽量少的处理器核，本文将该问题映射为装箱问题（BinPacking）[2]。

为了解决此问题，本文提出了基于随机种群更换的遗传算法（I_GA）实现对基本鱼群算法（GeneticAlgorithm，下面简称GA）的改进和基于鱼群入侵模式的鱼群算法（I_AFSA）实现对鱼群算法（ArtificialFishSwarmAlgorithm，下面简称AFSA）的改进。

文章最后利用Matlab软件实现了一个实时调度集成仿真平台。

论文主要工作为：

（1）第一章主要介绍了实时系统的应用背景，接着介绍了当前实时系统的国内外发展与研究现状，最后对论文的主要内容及其组织结构安排进行了归纳。

（2）第二章主要介绍了实时系统的相关理论知识，包括实时系统的相关知识、实时调度、实时系统模型等知识.

（3）第三章对多核实时系统中任务映射问题进行了分析与研究。

将任务分配到处理器核集上且要求占用最少的处理器核这个问题映射为一维装箱问题。

同时提出了任务调度的模型以及对实时任务调度算法进行了一些研究。

（4）第四章利用基于随机种群更换的遗传算法（I_GA）解决实时任务调度问题。

本章在遗传算法（GA）的基础上提出了基于随机种群更换的优化算子的改进算法（I_GA）。

然后从多个方面对比GA算法和I_GA算法的性能。

实验结果显示，I_GA算法在节省处理器核资源、提高算法性能和收敛速度等方面优于GA算法。

（5）第五章提出了基于鱼群入侵模式改进的人工鱼群算法（I_AFSA）解决多核处理器系统的实时任务调度算法。

本章在人工鱼群算法（AFSA）的基础上提出了基于鱼群入侵模改进的人工鱼群算法（I_AFSA）。

然后从多个方面对比了AFSA算法和I_AFSA算法。

实验结果表明，I_AFSA算法在节省处理器核资源、提高算法效率和收敛速度等方面优于AFSA。

（6）第六章设计了一个实时任务调度集成仿真平台。

该仿真平台目前集成了GA算法、I_GA算法、AFSA算法和I_AFSA算法，暂时还未集成其他的任务调度算法。

通过此集成仿真平台，可以得到迭代次数与适应值/优化值的关系，还可以得到算法占用的处理器核数量和算法优化所用的时间。

为了验证I_GA算法、I_AFSA算法的性能，本文在MATLABR2012b软件中从算法的效率、节省处理器资源以及初始参数的选择对算法结果影响等角度对比了这两种改进的算法与同类型算法。

最后通过实验结果表明，本文提出I_GA算法、I_AFSA算法能够有效解决此问题且使用更少的处理器核资源。

关键词：

多核处理器;实时任务调度;遗传算法;鱼群算法;集成仿真平台

ABSTRACT

Withreal-timesystemmoreandmorebeenusedinthemulti-coreprocessor,thereisgrowingemphasisonthestudyofreal-timetaskschedulingproblem.Thecurrentstudyfocusesontheproblemofhowtoensurethetaskschedulingcanbe,real-timesystems,theefficiencyofthesystemandhowtosaveresourcesandreducetheenergyconsumptionoftheprocessor.Therefore,thispaperwillfocusonthetaskschedulingalgorithmstoimprovetheefficiencyofthesystem.

Resourcereservationisamethodofimplementationtimeisolationbetweentasksinreal-timesystems.Real-timeapplicationsonmulti-coreprocessorsbywayoftheoperationofresourcereservation,whichcanbedividedintomultipletasksandeachtasktodeploytotheprocessorcore.Inordertosavecomputingresourceusageandreduceenergyconsumptionofprocessors,theprocessorcoreshouldbeuselessasfaraspossiblewhenthedeployment,thispaperwillmaptheproblemforthePackingproblem（BinPacking）.Inordertosolvethisproblem,thispaperputsforwardtheimprovedgeneticalgorithmbasedonrandompopulationreplacementoptimizationoperator（I_GA）andimprovedbasedonthepatternofinvasionfishfishalgorithm（I_AFSA）.Finally,usingtheMatlabsoftwaredevelopsasimplemulti-coreprocessorscheduling.Themainworkofthisthesisis:

（1）InchapterIII,thispaperanalyzesandstudiestheproblemoftaskmappinginmulticorerealtimesystem.Assigntaskstotheprocessorcoresetandrequiresaminimumofprocessorcoresoccupythisissueismappedtoaone-dimensionalpackingproblem.Alsoitproposestaskschedulingmodelanddonesomeresearchaboutschedulingalgorithmsforreal-timetasks.

（2）InchapterIV,thispaperusesstochasticoptimizationbasedonpopulationreplacementOperatorimprovedgeneticalgorithm（I_GA）tosolvereal-timetaskschedulingproblems.Inthischapter,thispaperproposeanimprovedalgorithm（I_GA）basedongeneticalgorithm（GA）,whichisbasedonrandompopulationreplacement.ThentheperformanceofGAalgorithmandI_GAalgorithmarecomparedfromseveralaspects.TheexperimentalresultsshowthattheI_GAalgorithmisbetterthantheGAalgorithmintermsofsavingprocessorcoreresources,improvingtheperformanceandconvergencespeedofthealgorithm.

（3）InchapterV,thepaperproposesareal-timetaskschedulingalgorithmbasedontheimprovedartificialfishswarmalgorithm（I_AFSA）forthefishintrusionmodel.Inthischapter,thepaperproposeanimprovedartificialfishswarmalgorithm（I_AFSA）basedonartificialfishswarmalgorithm（AFSA）.Then,theAFSAalgorithmandI_AFSAalgorithmarecomparedfromseveralaspects.TheexperimentalresultsshowthattheI_AFSAalgorithmisbetterthanAFSAintermsofsavingprocessorcoreresources,improvingtheefficiencyofthealgorithmandconvergencerate.

（4）InchapterVI,thepaperdesignsasimplemulti-coreverifywhentheemulator,tosimulatetheprocessorscheduling.TheemulatoremulatestheGAalgorithm,I_GAalgorithm,AFSAalgorithm,I_AFSAalgorithm.Finally,fromthepointofviewoftheexperimentaldatagivetheoccasionoftheuseofGAandAFSA.

InordertoverifytheperformanceofI_GAalgorithmandI_AFSAalgorithm,thispapercomparesthetwoimprovedalgorithmswiththesametypeintheR2012bMATLABsoftware,whichisbasedontheefficiencyofthealgorithm,theprocessorresourceandtheselectionoftheinitialparameters.Finally,theexperimentalresultsshowthattheproposedI_GAalgorithm,I_AFSAalgorithmcaneffectivelysolvethisproblemanduselessprocessorcoreresources.

Keywords:

multi-coreprocessor,taskscheduling,geneticalgorithm,fishswarmalgorithm,multi-corereal-timeschedulingsimulator

目录

摘要1

ABSTRACT3

第一章绪论7

1.1研究背景、目的与意义7

1.1.1实时系统应用背景7

1.1.2研究目的与意义8

1.2国内外发展与研究现状8

1.2.1国外研究现状与最新进展8

1.2.2国内研究现状9

1.3论文主要内容及其组织结构安排9

1.4本章小结11

第二章实时系统中任务调度相关理论11

2.1实时系统11

2.1.1实时系统的特征11

2.1.2实时系统的分类12

2.1.3实时任务12

2.2实时调度13

2.2.1实时调度分类13

2.2.2实时调度方法14

2.3实时系统模型15

2.3.1基本概念15

2.3.2模型调度15

2.3.3基本假设16

2.4本章小结16

第三章多核实时系统中映射与调度问题的分析16

3.1多核实时系统中映射问题分析16

3.2多核系统中实时任务调度算法的研究17

3.2.1多核处理器系统的实时任务调度过程17

3.2.2多核处理器系统的实时任务调度算法18

3.3多核处理器实时任务调度模型19

3.4本章小结19

第四章基于随机种群更换的遗传算法（I_GA）解决多核处理器任务调度问题20

4.1遗传算法的概述及其应用20

4.1.1遗传算法的基本思想20

4.1.2遗传操作20

4.1.3遗传算法的基本流程及其分析22

4.2基于随机种群更换的遗传算法（I_GA）解决多核处理器调度问题26

4.2.1引言26

4.2.2基于随机种群更换的优化算法改进策略26

4.3实验结果及算法对比29

4.4本章小结33

第五章基于鱼群入侵模式的鱼群算法（I_AFSA）解决多核处理器任务调度问题33

5.1人工鱼群算法的概述及其应用33

5.1.1人工鱼的一些定义34

5.1.2人工鱼基本行为描述34

5.1.3算法全局收敛的基础37

5.1.4算法的描述及其流程图37

5.2基于鱼群入侵模式的鱼群算法（I_AFSA）解决多核处理器任务调度问题39

5.2.1引言39

5.2.2基于鱼群入侵模式的改进策略40

5.3.3基于鱼群聚群和追尾行为的改进策略41

5.3实验结果及算法对比42

5.4本章小结46

第六章实时调度集成仿真平台的设计与实现47

6.1概述47

6.2实时调度集成仿真平台的需求48

6.3实时任务调度仿真与分析49

6.4本章小结54

第七章总结和期望54

7.1研究总结55

7.2研究展望55

致谢57

参考文献58

附录62

第一章绪论

随着信息技术的不断发展，实时系统越来越多的应用到人们的日常生活中。

在交通行驶方面，实时系统可以控制机动车的车载设备，实时地控制机动车的交通信号灯，实时地调节道路车流量；在工业生产领域，实时系统可以实时控制流水线上的自动化生产，调节生产进度，提高了工业生产的效率，推动了社会的发展；在航空航天方面，实时系统可以实时监控、保持与地面监控站的联系，维持其航线，保障安全航行[3-9]。

由于实时系统广泛的应用性，实时系统已经对社会和生活产生了重要的影响，所以对实时系统进行深入的研究与应用具有非常高的应用价值。

实时系统必须要考虑的问题的是可调度性和实时性。

要满足实时系统的实时性和可调度性的要求，必须要合理的调度和安排运行在处理器核上的任务集合。

为了研究系统调度的实时性和可调度性，我们必须对实时调度理论以及相关实时调度算法作进一步的研究。

1.1研究背景、目的与意义

1.1.1实时系统应用背景

与非实时系统相比，实时系统的一个主要特征就是不仅要确保时间满足预先设定好的时间还要确保逻辑结果的正确性[10]。

在实时系统计算中，如果结果没有在规定的时间内完成则计算结果是不正确的[11]。

同样如果产生的结果与逻辑结果不一样，实时计算同样也是不正确的。

因此实时计算正确是指在预先设定好的时间内产生正确的逻辑结果。

在一些关键领域，如果实时系统计算不正确将会带来无法估计的后果，因此必须要确保实时系统计算的正确性。

因实时系统的重要性和广泛性，该系统已经在很多领域发挥了作用，包括航空航天、工业生产、导弹发射、交通控制等，且在这些系统中实时控制扮演着举足轻重的角色。

其他领域的典型应用还包括：

（1