（计算机软件与理论专业论文）嵌入分布式实时系统及时调度机制的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着当今科技的不断进步，实时应用的复杂性达到了前所未有的水平，嵌入 分布式实时系统结合了分布式系统和嵌入实时系统的优点而具有广泛的应用前 景。实时系统要求任务必须在规定的时限内完成，因此需要对任务进行合理的调 度。经典的实时调度算法一般以任务的最坏执行时间来进行可调度性分析，然后 要么精确地执行任务，要么不能执行任务，这种分析保证了实时系统的可预测性。 但是，嵌入分布式实时系统经常处于复杂的动态变化的环境之中，一般来说，任 务的最坏执行时间很难预测，即使可以预测，也只有在极少数情况下，任务的执 行时间能够达到最坏执行时间。因此，如果将经典的实时调度算法应用到嵌入分 布式实时系统中，必然会大量增加系统的构建成本，也会使系统资源不能得到充 分利用。为解决这一问题，提出了基于非精确计算的及时调度机制。 本论文分析了c o r b a 、r t c o r b a 、m i n i m u mc o r b a 和j i n i 等分布式系统 体系结构标准，指出它们的特点和不足，然后提出了一种新的嵌入分布式实时系 统结构模型，并在该模型中，着重研究基于非精确计算的及时调度机制。论文的 研究内容如下： ( 1 ) 嵌入分布式实时系统结构模型。该模型基于实时通信机制和时间记账机 制，采用及时调度机制，提供透明的服务机制，为复杂的嵌入实时应用开发提供 简单有效的开发平台，缩短应用开发时间。 ( 2 ) 及时调度机制。及时调度机制采用非精确计算技术，即将任务划分为强 制执行部分和可选执行部分，强制执行部分必须在任务时限到来之前完成，产生 一个基本可接受结果，若在任务时限内处理器有空闲时间，则继续执行任务的可 选执行部分来提高计算结果的精度。实现及时调度机制的关键是在嵌入分布式实 时系统中采用了一个关键结点服务管理与调度中心，它接受系统中所有服务 和服务请求的注册，并将服务请求、实现服务的所有任务和任务间的先后关系约 束用可选执行路径任务图保存。服务管理与调度中心接收服务请求，然后根据已 注册的服务和相应的可选执行路径任务图，通过带时延约束的可执行路径选择算 法计算出一条回报较高的执行路径，生成调度控制消息，相关结点依据调度控制 消息内容采用基于非精确计算的调度算法调度任务的执行。由于带时延约束的执 行路径选择问题是一个n p 完全问题，本论文给出了一个启发式算法。及时调度 机制克服了经典实时调度算法的不足，可以降低嵌入分布式实时系统的构建成本。 关键词：嵌入分布式实时系统实时调度非精确计算及时调度 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , t h ec o m p l e x i t yo fr e a l - t i m es y s t e mh a s r e a c h e dan e wl e v e l b e c a u s ee m b e d d e dd i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e mc o m b i n e st h e a d v a n t a g e so fd i s t r i b u t e ds y s t e ma n de m b e d d e dr e a l t i m es y s t e m ，i tw i l lb em o r ea n d m o r ew i d e l ya p p l i e d i nr e a l t i m es y s t e mt a s k sm u s tb ef i n i s h e di ng i v e nd e a d l i n e s ，s o t a s k sw a i t i n gf o re x e c u t i o ns h o u l db es c h e d u l e dr e a s o n a b l y i no r d e rt og u a r a n t e et h e p r e d i c t a b i l i t yo fr e a l t i m es y s t e m ，t h ew o r s t c a s e e x e c u t i o n - t i m e ( w c e t ) i so f t e n u s e di ns c h e d u l i n ga n a l y s i sw h i c hd e t e r m i n e sw h e t h e rat a s ks h o u l db ee x e c u t e do rn o t t h i si se s s e n t i a lf o rt h o s ec r i t i c a lt a s k s h o w e v e r , t h ee m b e d d e dd i s t r i b u t e dr e a l t i m e s y s t e mo f t e ne x i s t si nv e r yc o m p l e xa n dd y n a m i cs u r r o u n d i n g s ，i ti si m p o s s i b l et o p r e d i c tt h et a s k su p p e rb o u n do fe x e c u t i o nt i m e e v e n i ft h eu p p e rb o u n dc a l lb e p r e d i c t e d ，t h e r ea r eo n l yaf e wo c c a s i o n sw h e nt a s k sr u nt o t h eu p p e rb o u n do f e x e c u t i o nt i m e i fw es t i l lu s et h e p r e s e n ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m s i ne m b e d d e d d i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e m ，t h ec o s to fc o n s t r u c t i n gae m b e d d e dr e a l t i m es y s t e m w i l lb ev e r yh i g ha n ds y s t e mr e s o u r c ew i l ln o tb ef u l l ya p p l i e d a f t e ra n a l y z i n gt h ef e a t u r e sa n dd e f i c i e n c i e so ft h ed i s t r i b u t e ds y s t e ma r c h i t e c t u r e s t a n d a r d ss u c ha sc o r b a ，r t c o r b a ，m i n i m u mc o r b aa n dj i n i ，an e ws y s t e m m o d e lo fe m b e d d e dd i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e mh a sb e e np r o p o s e d b a s e do nt h i s m o d e la n di m p r e c i s ec o m p u t a t i o n ，t i m e l ys c h e d u l i n gi ss t u d i e d t h em a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w ( 1 ) m o d e lo fe m b e d d e dd i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e m a l ls e r v i c e si nm o d e la r e t r a n s p a r e n ta n de x t e n s i b l e ，a n ds i m p l ed e v e l o p i n gp l a t f o r mo fe m b e d d e dd i s t r i b u t e d r e a l t i m es y s t e mi sp r e s e n t e d p r o g r a m m e r sc a nd e v e l o pe m b e d d e dd i s t r i b u t e di na s i n g l ei m a g ep r o g r a m m i n gs y s t e mm o d e l ，w h i c hs a v e sal o to ft i m ei nd e v e l o p i n g c o m p l e xe m b e d d e dd i s t r i b u t e dr e a l t i m ea p p l i c a t i o n s ( 2 ) t i m e l ys c h e d u l i n gb a s e do np r e s e n t e dm o d e la n di m p r e c i s ec o m p u t a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p to fi m p r e c i s ec o m p u t a t i o n ，t a s k sa r ed i v i d e di n t ot w op o r t i o n s ： m a n d a t o r yp o r t i o na n do p t i o n a lp o r t i o n m a n d a t o r yp o r t i o nm u s tb ef i n i s h e dw i t h i n d e a d l i n ea n da c c e p t a b l er e s u l t sc a l lb eg a i n e d a f t e rf i n i s h i n gm a n d a t o r yp o r t i o n , o p t i o n a lp o r t i o nc a ne x e c u t et or e f i n et h er e s u l t si fp r o c e s s o ri si d l e i no u rp r e s e n t e d s y s t e mm o d e lt h e r ei sc e n t r a ln o d eu s e dt oi m p l e m e n tt i m e l ys c h e d u l i n ga n dc a l l e d s e r v i c em a n a g e m e n ta n ds c h e d u l i n gn o d e i t sm a j o rw o r ki st or e g i s t e ra l ls e r v i c e sa n d n 重鏖盔兰堡主堂垡丝塞 墨奎塑矍 c o r r e s p o n d i n gr e q u e s tm e s s a g e sw h i c ha r ea l ls a v e di n t oa l lo p t i o n a le x e c u t i o np a t ht a s k g r a p h t h es e r v i c em a n a g e m e n ta n ds c h e d u l i n gn o d e c a l lr e c e i v er e q u e s tm e s s a g e sf r o m c l i e n t s t h e n ，a c c o r d i n gt oo p t i o n a lt a s ke x e c u t i o np a t hg r a p h ，i t t r i e st oc a l c u l a t ea h i g h e s tr e w a r de x e c u t i o np a t ht h r o u g ht h et i m e - c o n s t r a i n e de x e c u t i o n p a t hs e l e c t i n g a l g o r i t h ma n dp r o d u c e sas c h e d u l i n gc o n t r o lm e s s a g ei n c l u d i n ge x e c u t i o nt i m eo f a l l t a s k si nt h ec a l c u l a t e de x e c u t i o np a t h t h es c h e d u l i n gc o n t r o lm e s s a g eg u i d e sr e l a t e d p r o c e s s o r st o d i s t r i b u t ee n o u g ht i m et ot a s k si n a l ln o d e sb e l o n g i n gt ot h ec a l c u l a t e d e x e c u t i o np a t h b e c a u s et h et i m e c o n s t r a i n e de x e c u t i o np a t hs e l e c t i n gp r o b l e mi s n p c o m p l e t e ，ah e u r i s t i ca l g o r i t h m i sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s ，t i m e l ys c h e d u l i n g m e c h a n i s mo v e r c o m e st h ed r a w b a c k so f 仃a d i t i o n a ls c h e d u l i n ga l g o r i t h m si nm a n y r e a l t i m es y s t e m s ，s oi tc a nr e d u c et h ec o s to fc o n s t r u c t i n gt h ee m b e d d e dd i s t r i b u t e d r e a l t i m es y s t e m k e y w o r d s ：e m b e d d e dd i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e m ，r e a l t i m es c h e d u l i n g , i m p r e c i s e c o m p u t a t i o nm o d e l ，t i m e l ys c h e d u l i n g 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：；尹孕 签字日期： 细7 年4 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆盘堂可以将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、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、力。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名： 尹辛 签字日期：) 司年月多日 导师签名： 一飙哆幻6 日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出 嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪、适 应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统1 1 。 实时系统是可以对外部事件做出及时响应的系统，这种响应必须有时问保证。外 部事件有同步或异步的特性，但无论是同步或异步事件，都必须在给定的时间约 束内将事件识别出来并做出处理。并且，在很多情况下还要及时输出处理结果， 以便进入实时处理的下一个环节。因此，实时系统有两个基本的特征【2 】：1 逻辑 和功能的正确性( l o g i c a lo rf u n c t i o n a lc o r r e c t n e s s ) ，即处理结果的正确性；2 时 间正确性( t i m i n gc o r r e c t n e s s ) ，即处理必须在预定的时限( d e a d l i n e ) 内完成。 两种正确性是同等重要的。 随着当今科技的不断进步，实时应用在复杂性方面达到了前所未有的水平， 单个或少量的处理器已经无法胜任复杂计算处理和及时准确的自动控制。同时， 网络技术的飞速发展使大量的处理器通过网络连接在一起进行分布式计算和控制 成为可能。当前的许多嵌入式应用的实现中往往包含若干个嵌入式处理器，它们 之间通过网络通信协同工作，进行分布式实时处理，为嵌入式实时系统带来了的 广泛的使用前景，这是因为：( 1 ) 可将任务分解为几个阶段( 子任务) 放在不同的 c p u 处理，容易实现数据就近处理，减少大量的数据传输，从而更容易了保证满 足时限要求；( 2 ) 更容易使处理器与设备更靠近，实现数据的就近处理分析然后传 递结果；( 3 ) 通过标准的软硬件接口，很容易实现各种实时功能的即插即用；( 4 ) 使 整个嵌入式系统具有容错性，容易实现系统升级、故障隔离、故障避免，保证实 时软件可靠地运行。( 5 ) 降低整个系统的建造和维护成本开销。因此，将分布式处 理和嵌入式实时处理结合起来的嵌入分布式实时系统具有诸多的优点，随着时问 的推移，它必将成为很多嵌入式实时应用的系统平台。为了叙述方便，本论文将 具有分布式处理特征的嵌入式实时应用称为嵌入分布式实时应用。 嵌入分布式实时应用通常是为复杂的实时应用而设计，因此它经常处于高度 动态变化的环境中，它所要完成的计算处理和控制操作是不可预测的，计算时间 长短也是不可确定的。因此，嵌入分布式实时系统在某些情况下不可能保证所有 任务的完全精确执行，在这样特殊情况下，有些任务只要能够及时地计算出可接 受的结果就可以了。这样的实例很多，l e a n d r ob 等人【3 】给出了这类嵌入分布式实 时应用的一个典型例子嵌入分布式机器人团队控制系统：通过机器人之间相 互协作来完成特定任务的控制系统。机器人处在一个可变环境中，它们所要完成 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的任务是不可预知的、动态变化的，因而它们能够完成的任务的精确程度就不可 能存在确定性，但机器人所要完成的任务是受时间限制的，如果一些任务特别是 重要的任务超出了时限，计算的结果就没有意义，因此需要在机器人有限的处理 资源的基础上实现有效合理的调度，使任务及时调度完成。 由此可知，将分布式处理和嵌入式实时系统结合在一起后，将带来一系列有 待研究的问题： 首先，当前实时系统的调度大多都是基于经典的实时调度算法来设计的，而 这些调度算法一般都是具有立即特征的调度算法，所谓立即特征，就是任务按调 度算法确定的优先级排序后立即执行或等待执行，任务若不能在时限内完成，则 执行失败，为了保证所有任务执行不超过时限，需要用任务的最坏的执行时间进 行可调度分析。例如经典的实时调度算法，无论是基于固定优先级的静态调度算 法( 如单调速率调度算法r m ) 还是基于动态优先级的动态调度算法( 如最早时限 优先调度算法e d f ) 【4 】，这些算法为了保证在最坏的执行情况下时限也能满足，它 们总是假设系统工作在最大负荷的情况之下。在复杂的环境动态变化的实时应用 中，任务的执行时间长短是不确定的，按最坏执行时间设计系统在很多情况下是 不合理的，有时甚至是不可能的，因为需要预留很多处理资源和通信带宽以保证 任务在最坏的情况下也能正确地执行，提高了嵌入分布式实时系统的构建成本。 在实际中的很多情况下，任务的执行并不需要精确的地完成，只要得到一个可以 接受的结果即可，经典的实时调度算法不具有这种处理能力，因它们不能用于复 杂的环境动态变化实时应用中。 其次，与一般的嵌入式实时应用开发相比，嵌入分布式实时应用的开发复杂 性大大增加，若继续采用传统的面向具体应用方式进行应用开发，缺乏有效的实 时功能的支持，缺乏标准的软硬件的统一接口，缺乏对任务计算精确程度的保证 机制，缺乏简单有效的开发平台，过分依赖于专有的通信协议和网络技术，将导 致高额的应用开发成本和难于想象的开发工作量，必将阻碍嵌入分布式实时应用 的广泛使用。 为解决上述问题，本课题提出一种构建嵌入分布式实时系统模型，系统中采 用基于非精确计算的及时调度机制取代经典的具有立即特征的实时调度算法，同 时为嵌入分布实时应用编程人员提供统一的编程接口，可以大大降低构建和开发 嵌入分布式实时应用系统的成本。本论文着重研究及时调度机制的实现。 本课题在嵌入分布式实时系统理论的研究中和在航空、航天、核能、交通、 电力、军工、工业控制、工业自动化等一些具有高复杂性、强实时性应用需求的 领域，有一定的学术和应用价值。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 研究现状 2 0 世纪7 0 年代以来，分布式系统就伴随着单机系统发展而发展，并取得很 多理论和实际成果，如c o r b a 规范【5 】、分布式组件对象模型d c o m e 6 l 和远程过程 调用r p c i 7 1 等。近些年来，分布式系统和实时系统的研究结合在一起，形成了一 个新的热门研究领域：分布式实时系统，主要的研究方向有两个【8 】：( 1 ) 在标准的 分布式计算技术的基础上扩展实时服务，如对c o r b a 、d c o m 、r p c 等标准进 行实时服务的扩充；( 直接设计分布式实时系统。这两个方向近年来的一些相关 的研究成果如下： 文献【9 】中的t a o 通过补充标准c o r b a 的事件服务来支持分布式实时事件 服务。t a o 基于分布式对象计算技术，除了提供标准c o r b a 的事件服务外，实 现了实时事件调度、事件过滤、事件关联以及实时输入输出等服务，为分布式实 时应用开发提供了方便的框架。 文献u 0 e e 的a r m a d a 定义了一套通信及中间件服务用以支持分布式实时 应用的q o s 要求，并采用微内核技术提供了一套实时通信服务，作为更高层实 时中间件服务的基础。 文献【8 】采用事件总线来实现透明的实时信息交换环境，事件总线服务基本实 现了与t a o 相似的实时事件调度、事件过滤、事件关联服务，并且提供了实时事 件日志及事件脚本服务，以便实现基于事件驱动的重演和预演。实时事件调度机 制可以根据应用给定的实时q o s 参数和应用特性，自动选择适当的调度策略如时 间静态表调度或优先级驱动的抢先调度。此文还提出了开放的实时调度框架，它 可以在不影响已有调度策略的基础上增加新的调度算法。 虽然在分布实时系统领域中已经取得不少研究成果，但都存在一些不足，并 且各种研究成果的应用范围也有所不同。因此，当前国外仍有许多研究围绕实时 分布系统及相关软件进行。例如，美国国防部的d a p a r 正在开展针对分布建模、 自适应、鲁棒性和混合控制的分布实时软件技术进行研究，并应用于空中运载工 具控制。美国国家标准和技术研究所智能系统部正在开发的实时控制系统软件用 于复杂分层和分布控制系统的设计和实现。s w i s sf e d e r a li n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ( e t h ) ，u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a , b e k e l e y , u s a ，g e o r g i ai n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y , a t l a n t a , u s a 三个大学正在做d a p a r 资助的s e c 项目，开发用于控制领域专门 的高级编程语言，能自动将算法模型编译为分布异构控制网络平台中指定行为的 实时代码u l l 。 嵌入式系统长期以来在工业、电信、航空及军事领域中取得了广泛的应用。 在早期的嵌入式应用中，c p u 性能比较低，任务比较简单，c p u 管理比较容易。 后来，嵌入式处理器的性能大大提高，为了开发出高效、可靠的应用系统，推出 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 了嵌入式实时系统，如v x w o r k s ，“c ，o s 等。随着高性能网络技术的实用化( 如 c a n 总线等) ，以及网络成本的迅速降低，从硬件成本的角度看，将分布式计算广 泛应用于嵌入实时系统已成为可能。因此，将分布式处理引入嵌入式实时系统的 研究日益受到了人们的重视。目前，成功实现应用的嵌入分布式系统标准有 m i n m u m c o r b a f ”】和j i n i 【l 叫等。为了使c o r b a 适应嵌入系统领域，o m g 组织对 c o r b a 做出了面向嵌入式的改进，形成了m i n i m u m c o r b a ，具有可移植性强、 体积和节省资源等优点，但是也有很多不足之处，因为它不是微内核的，要占用 较多内存和c p u 资源。j i n i 是一种构建分布式系统的技术，具有动态的、自形成 的和自管理的特性，它是一种基于服务的分布式体系结构，提高了分布式系统编 程的抽象级别，简化了分布式系统的开发，为分布式嵌入式系统开发降低了难度， 因而取得了较为广泛的应用，但是它缺乏实时性约束机制以及对内存占用仍然较 大f 1 4 】，限制了其在嵌入分布式实时领域的应用。因此，有很国内外很多学者仍在 从事嵌入分布式实时系统方面的研究。 1 3 论文的主要研究工作 包括以下两个主要方面： 首先，提出嵌入分布式实时系统模型。该模型基于实时通信机制和时间记账 机制，并且采用及时调度机制保证任务执行在时限内完成，同时研究了如何实现 各种系统服务的透明性可扩展性，使嵌入分布式实时系统可提供透明的实时服务。 应用开发人员在以模型为基础建立的系统平台上进行复杂的嵌入分布式实时应用 开发时好像在一个单一的映像系统下进行，节约开发时间和开发成本。 其次，研究及时调度机制的实现，降低构建嵌入分布式实时系统的构建成本。 及时调度机制与具有立即特征的实时调度机制不同，它将非精确计算引入到分布 实时调度过程中。它按照应用的设计要求、服务请求内容和服务请求时限，执行 调度算法选取一组任务，在能满足服务请求时限前提下让全部任务精确执行，在 不能满足服务请求时限的前提下让部分或全部任务进行非精确计算，并使这些任 务执行总回报尽可能大，从而使服务效果尽可能好。由于可以在服务请求产生后 临时分析参与执行的任务和任务时限，而不是在设计时考虑所有情况并按最坏的 情况来设计系统的任务调度，这样可以大大降低嵌入分布式实时应用的构建与开 发成本。本论文将重点研究及时调度机制和相关算法的实现。 1 4 论文的结构 本文分为五章，组织结构为： 第一章：绪论。首先说明了课题的来源，并确定了本课题研究目的；其次阐 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 述了相关问题的国内外研究现状和研究成果，并对各种研究结果进行总结分析后 指明了本论文的研究重点和研究方向；最后指出了本论文的主要研究工作。 第二章：分布式实时系统体系结构概述与分析。阐述了c o r b a 、实时c o r b a 、 j i n i 和其他一些分布式实时系统体系结构标准的技术特点和调度机制。分析了它 们所存在的不足。 第三章：实时调度理论基础。描述实时系统的基本特征，介绍了实时调度和 任务的基本概念，对实时调度算法进行分类，并分析了它们的特点。举例几种经 典的实时调度算法说明了具有立即特征的调度算法的特点并指出它们存在的不足 之处。最后介绍了部分分布式实时调度的实现策略。 第四章：非精确计算和基于非精确计算的调度算法。首先阐述了在嵌入分布 式实时系统中引入非精确计算的重要性，接下来给出了非精确计算原理及实现方 法。由于任务计算是非精确的，调度算法的好坏需要从两个方面来评价：一方面 要确保所有任务的强制部分在时限内完成；另一方面要使任务的可选执行部分尽 可能多地执行，使由非精确计算带来的计算偏差尽可能地的小。因此，引入错误 或回报两个标准去评价调度算法的好坏。本章最后给出了一些基于非精确计算的 调度算法，第五章直接应用这些算法。 第五章：嵌入分布式实时系统模型和及时调度机制。提出了嵌入分布式实时 系统模型，研究了及时调度机制的实现，重点指出实现及时调度机制的关键是在 系统采用了一个中心结点：服务管理与调度中心。给出了实现及时调度机制的关 键算法，证明了算法的正确性，并分析算法的执行时间复杂度。 5 重庆大学硕士学位论文2 分布式系统体系结构概述与分析 2 分布式系统体系结构概述与分析 2 1c o r b a 2 1 1 概述 公共对象请求代理体系结构c o r b a t 5 】( c o m m o no b j e c tr e q u e s to b j e c t a r c h i t e c t u r e ) 是由o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 组织制定的一个工业规范。 o m g 组织的中心任务是基于实用的对象技术，建立一个体系结构和一组规范， 在分布式环境下实现应用的集成，使得基于对象的软件成员在分布式异构环境中 可重用、可移植和可互操作。c o r b a 是一个面向对象的分布式计算平台，它允 许不同的应用程序之间可以透明地进行互操作，而不关心对方位于何地、由谁来 设计、运行于何种软硬件平台以及用何种语言实现。实质上c o r b a 是远程过程 调用( r e m o t ep r o c e d u r ec a l l ) 和面向对象技术的有机结合。对象请求代理 o r b ( o b j e e tr e q u e s tb r o k e r ) 作为中间件，使客户端程序按照访问本地对象的方式 透明的访问远程对象的操作，并与实现远程对象的语言无关。图4 1 展示了 c o r b a 的基本体系结构，从逻辑上来看，对象客户向分布式对象发出方法调用， 对象客户与客户代理s t u b 交互，而对象实现与服务器端代理s k e l e t o n 交互。s t u b 或s k e l e t o n 就是对象请求代理中间件o r b 。在客户端，o r b 充当s t u b 与客户系 统的网络及操作系统软件之间的中介。在服务端，o r b 充当s k e l e t o n 与服务器系 统的网络及操作系统软件之间的中介。通过公共协议，双方的o r b 层能够解析 对象编程语言及两台主机平台之间的区别，从而协助双方的数据通信，客户使用 名字服务来定位对象。 1 名字服务 l + - 对象客户 对象实现 s t u b s k e l e t o n ： 卜逻辑数据流o r bo r b ： 物理数据流网络 网络 ： 操作系统操作系统； l 一一一一 图2 1 基本的c o r b a 体系结构 f i 9 2 1t h ea r c h i t e c t u r eo f b a s i cc o r b a 2 1 2 实时c o r b a 于1 9 9 9 年3 月，o m g 发布了实时c o r b a l 0 规范，实时c o r b a l 0 规范 建立在c o r b a 2 2 规范以c o s s 规范的基础上，它本身是对c o r b a 规范的一个 6 重庆大学硕士学位论文2 分布式系统体系结构概述与分析 扩展，如图2 2 所示。按实时c o r b a i 0 规范，建立的c o r b a 应用，提供对实 时c o r b a 应用中对象调用操作端到端时延的可预测性实c o r b a 规范定义了 一组标准的接口以及策略供用户来控制和配置系统的处理器资源、内存资源和通 信资源。线程是实时c o r b a 系统进行调度的实体，规范中对线程提供了更加丰 富的控制和配置方式以支持实时应用；定义了c o r b a 优先级，用于确定c o r b a 对象调用被处理的先后顺序，并定义了优先级映射接h ( p r i o r i t ym a p p i n g ) ，用于 c o r b a 优先级和本地优先级之间的映射；定义了2 种设置c o r b a 优先级的模 式：客户传递模式以及服务器指定模式；定义了互斥接口m u t e x 以协调对系统共 享资源的竞争；定义了全局调度服务，应用可以向该调度服务对象指定各种有关 参数，例如，周期和执行时间等。 图2 2 实时c o r b a 系统体系结构 f i g2 2t h ea r c h i t e c t u r eo f r t c o r b a 口c o r b a 实体 国眦o r b a 实体 实时c o r b a 系统也是基于网络通信的分布计算系统，因此它有着区别于一 般实时系统的特点，以及由此产生的新的问题。实时c o r b a 系统往往有多个站 点组成，这些站点分布在不同的物理位置上，相互之间通过网络信道进行通信。 一个实时c o r b a 请求由客户方提出后，首先要在本地站点经过优先级调度控 制，通过网络向服务器方传送，到达服务器后，需要在服务器方根据当地的优先 级调度控制执行服务实现，然后把执行结果通过网络传递给客户。因此，实时 c o r b a 系统中的实时调度不是单处理器调度，而是分布多处理器调度；c o r b a 要实现端到端实时任务调度，不仅要调度管理处理器资源，而且要调度管理网络 通信资源；由于一个请求调用要涉及多个站点，而每个站点上需要进行调度的任 务集不同，因此端到端实时调度更为复杂。 7 重庆大学硕士学位论文 2 分布式系统体系结构概述与分析 对实时c o r b a 进行研究，并取得代表性研究成果的应用系统是w a s h i n g t o n 大学计算机系分布对象计算研究组的t a o ( t h e a c eo r b ) 系统和r o d ei s l a n d 大 学计算机系的n r a d 舢r i c o r b a 系统。 t a o 系统p 】的研究集中在实时c o r b a 系统的体系结构和c o r b a 系统的性 能优化策略，并在此基础上实现了高性能的实时c o r b a 系统，对于t a o 系统而 言，用户以服务对象的操作为单位来指定时间需求的信息，其中包括操作的周期、 最坏执行时间、重要性级别以及对其他操作的依赖信息等。用户所提供的这些信 息被t a o 系统的调度服务使用，在服务器中对不同的实时操作请求分配适当的优 先级进行处理以保证时间限制需求。t a o 系统的调度服务主要是针对周期性任务 组成的硬实时系统，采用静态调度方法实现的。t a o 系统的调度服务中的离线调 度器对所有实时操作的可调度性迸行分析：而对象适配器在服务器中调度实时操 作的请求时，根据在线调度器中记录的优先级进行调度。目前，t a o 系统的调度 服务已经进行扩展，能够支持静态调度、动态调度和混合调度这几种不同的调度 策略。 n r a d u r i c o r b a 系统的目的则是为了支持c o r b a 系统动态的端到端时间 限制需求。与t a o 系统不同，n r a d u r i c o r b a 系统是通过扩展i o n a 公司的 c o r b a 产品o r b i x 系统实现的，因此，它对通用c o r b a 系统的修改相对较少。 n r a d u r i c o r b a 系统的主要组成部件包括：实时参数描述方法、全局时钟服务 和全局优先级服务等。 2 1 。3m i n i m u mc o r b a 为满足日益增长的嵌入式系统之间以及嵌入式系统与普通桌面系统之间的协 同工作的需求，o m g 针对嵌入式系统资源有限的特点，在保证应用的可移植性、 o r b 问的互操作性以及对i d l 完全支持的前提下，对完整的c o r b a 规范进行 了裁减，形成了面向嵌入式系统的m i n i m u mc o r b a 规范。2 0 0 0 年下半年它正 式成为c o r b a 2 4 规范的一部分，并在此后推出c o r b a 3 0 规范时将其单独列 出。 m i n i m u mc o r b a 特点【j 4 】：( 1 ) 互操作性、兼容性及可移植性强。由于它支 持所有的o m gi d l ，使得它与c o r b a 之间存在最大的适应性。( 2 ) 体积小、节 省资源。在m i n i m mc o r b a 中删去了部分的c o r b a 特性，这些c o r b a 特性 在主流c o r b a 应用中是有价值的，但在资源方面耗费太多。删去这些特性使得 m i n i m u mc o r b a 对于节省有限的资源来说更为有效。 2 1 4c o r b a 体系在构建嵌入分布实时系统的不足 c o r b a r 是面向对象的分布式计算公用平台，它实现不同在异构系统上的应 用程序之间透明地进行互操作，因此它的结构是非常复杂的，它的运行会给系统 8 重庆大学硕士学位论文 2 分布式系统体系结构概述与分析 带来很大的开销，要占用很多的内存和c p u 资源，因此，c o r b a 系统可以在通 用计算广泛使用，但却不适用于面向应用的资源有限的嵌入式系统中。 随着m i n i m u mc o r b a 推出，对c o r b a 技术进行了面向嵌入式的改进，取 得了一定的适用范围。但是，它仍然有许多不足之处：( 1 ) m i n i m u mc o r b a 没有 建立在“微内核”基础上，它的运行要占用较多内存和c p u 资源，即使对嵌入式系 统等有限资源系统进行了裁剪，但并没有完全将运行时所必须的关键部分剥离出 来，在嵌入式环境显得很臃肿。( 2 ) m i n i m u mc o r b a 同样是为实现异构系统上程 序之间的透明地进行操作而设计，而很多强实时应用为了使任务的执行在时限完 成，系统一般不设计成异构的，在这种系统中使用m i n i m u mc o r b a 造成不必要 的资源浪费，也不能很好保证任务在时限内执行完成。( 3 ) m i n i m u mc o r b a 缺乏 实时约束机制，只适用于弱实时应的分布式实时应用。 2 2j i n i 2 2 1 概述 j i n i 由s u n 公司发布的是一种构建分布式系统的技术【”】，具有动态的、自形 成的和自管理的特征，它是一种基于服务的分布式体系结构。基于j a v a 的j i n i 技 术提高了分布式系统编程的抽象级别，简化了分布式系统的开发。在构建分布嵌 入系统的过程中利用j i n i 互联技术，可降低开发难度，实现嵌入式环境中基于服 务级的操作，也可以提高整个系统的灵活性和可靠性。从内容和功能上讲，j i n i 不是网络操作系统，而是用来建立由各种j a v a 虚拟机联合体的网络基础结构。 基于j i n i 技术的分布式网络结构如图2 3 所示。每个拥有j a v a 虚拟机的设备构成 一台j i n i 设备，在各j i n i 设备的j a v a 虚拟机上运行一套j a v a 类库，并为各种网 络硬件和操作系统声明相应的a p i ，不同的软硬件设备和不同的任务使用不同的 a p i ，并由j i n i 统一进行解释，以实现跨平台连接。j a v a s p a c e 在由基于j a v a 的 网络资源组成的联合体内提供一种相互通讯、协调工作的机制。 l j a v a s p a c e ii o t h e rs e r v i c e s i 玉匠 玉匠 困 臣巫困 j 互 臣困 j 三 匾画口 卫 图2 3j i n i 技术的分布式网络结构 f i 2 _ 3t h en e t w o r ks t r u c t u r eo f i n i 9 重庆大学硕士学位论文2 分布式系统体系结构概述与分析 2 2 2j i n i 体系结构 j i n i 体系的目的是联合硬件设备和软件，组成个具有访问简单、易于管理 等特点的单一的、动态的分布式系统，在保证接入设备灵活性、独立性的前提下， 为其提供各种服务。j i l l i 系统是针对工作组设计的，工作组内各成员问遵循相同 的信任、管理和策略机制共同组成一个协调工作的整体。j i n i 的体系结构如表2 1 所示。j i n i 系统的软件模型主要由基础结构、编程模型两部分组成，其中基础结 构用于定义连接提供分布式系统中的服务联合，完成软硬件设备的加入或脱离； 编程模型为系统提供可靠的分布式服务。服务是j i n i 系统引入的一个极为重要的 概念在j i n i 系统中，网络中的一切，包括软件、硬件设备和用户都可以看作是一 种服务，不需要复杂的安装与设置就能简单地连入网络，做到即插即用各服务之 间是完全对