[论文解读] Real-Time scheduling: from hard to soft real-time systems

Giuseppe Lipari, Luigi Palopoli|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2015

Real-Time Systems Scheduling参考文献 6被引用 4

一句话总结

本文通过倡导采用资源预留框架——特别是恒定带宽服务器（CBS）——来弥合硬实时与软实时系统之间的差距，以在混合关键性环境中提供时间隔离和鲁棒性。它展示了CBS如何通过分配执行预算，在过载情况下仍能保证截止时间的遵守，从而确保硬实时可调度性并提升系统性能，并展示了CBS通过SCHED_DEADLINE成功集成到Linux中的实现。

ABSTRACT

Real-time systems are traditionally classified into hard real-time and soft real-time: in the first category we have safety critical real-time systems where missing a deadline can have catastrophic consequences, whereas in the second class we find systems or which we need to optimise the Quality of service provided to the user. However, the frontier between these two classes is thinner than one may think, and many systems that were considered as hard real-time in the past should now be reconsidered under a different light. In this paper we shall first recall the fundamental notion of time-predictability and criticality, in order to understand where the real-time deadlines that we use in our theoretical models come from. We shall then introduce the model of a soft real-time system and present one popular method for scheduling hard and soft real-time tasks, the resource reservation framework. Finally, we shall show how resource reservation techniques can be successfully applied to the design of classical control systems, thus adding robustness to the system and increasing resource utilisation and performance.

研究动机与目标

• 分析硬实时与软实时系统之间界限模糊的问题，并主张重新评估传统分类方法。
• 解决安全关键系统中截止时间错过带来的风险，并提出维持系统一致性与鲁棒性的机制。
• 展示资源预留技术（尤其是恒定带宽服务器，CBS）如何提供时间隔离并提升资源利用率。
• 展示CBS在经典控制系统中的实际适用性，以及其通过SCHED_DEADLINE集成到主流Linux系统中的实现。

提出的方法

• 本文引入时间可预测性和关键性概念，将实时截止时间模型建立在物理和系统级约束的基础之上。
• 提出资源预留框架：每个任务被分配一个具有固定执行预算Q和周期P的调度服务器。
• 详细描述恒定带宽服务器（CBS）算法：预算定期重置，执行期间逐步减少；若预算耗尽，则任务被延迟或挂起。
• 当Q大于或等于任务的最坏情况执行时间（WCET）且P不大于任务周期时，该方法可确保硬实时可调度性。
• 通过一个包含三个任务的案例研究说明该方法，展示CBS如何将高优先级任务与低优先级任务隔离。
• 强调Linux中SCHED_DEADLINE的使用，其原生支持CBS，允许为每个线程分配预算和周期。

实验结果

研究问题

• RQ1 当截止时间被错过时，实时系统如何在安全关键应用中保持鲁棒性和一致性？
• RQ2 像CBS这样的资源预留技术在混合关键性系统中在多大程度上能实现任务间的时间隔离？
• RQ3 不同的服务器周期配置（如P = T/k）对任务执行行为和系统开销有何影响？
• RQ4 如何将CBS模型有效集成到主流操作系统（如Linux）中以支持实时工作负载？
• RQ5 资源预留能否同时提升经典控制系统的可调度性和性能？

主要发现

• 当分配的预算Q大于或等于任务的最坏情况执行时间（WCET）时，恒定带宽服务器（CBS）可保证硬实时可调度性。
• 资源预留提供时间隔离：任务的截止时间遵守仅取决于其自身的预算和周期，而不受其他任务行为的影响。
• 在Linux中使用SCHED_DEADLINE可使开发人员为每个线程分配预算和周期，从而使CBS在生产系统中可用。
• 选择服务器周期P = T/k可对任务执行时间进行细粒度控制，k值越小，输出时间越可预测。
• 通过CBS，即使在过载情况下，高优先级任务也能免受低优先级任务的干扰，实现一种形式的时间隔离。
• 本文表明，即使像τ₁这样的任务因预算不足而错过截止时间，其他任务如τ₂和τ₃仍不受影响，体现了系统的鲁棒性。