广东工业大学操作系统实验：实时系统调度策略


参考资源链接：[广东工业大学 操作系统四个实验（报告+代码）](https://wenku.csdn.net/doc/6412b6b0be7fbd1778d47a07?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 实时系统调度策略概述

实时系统调度策略是确保任务在规定的时间内完成的关键技术。在信息时代，从嵌入式系统到云计算平台，实时性对于保证系统稳定性和效率至关重要。本章将介绍实时系统调度策略的基础知识，从理论上概述其概念和分类，为后续章节深入分析各种调度算法和实现技术打下基础。

## 1.1 调度策略的重要性

在实时系统中，调度策略决定了任务的执行顺序和时间，直接影响系统的响应时间和吞吐量。例如，工业控制系统中，不合理的调度可能导致生产流程的中断，甚至安全事故的发生。

## 1.2 实时系统调度策略的分类

实时系统调度策略根据其决定任务执行顺序的方式大致可以分为静态调度和动态调度两类。静态调度在系统运行前就确定了任务的执行计划，而动态调度则根据系统当前的运行状况实时做出调度决策。

通过上述分类，我们可以看出，实时系统调度策略的优化和选择是提高系统性能的关键，而这也正是本文后续章节要深入探讨的内容。

# 2. 实时系统调度理论基础

## 2.1 实时系统调度的概念和分类

### 2.1.1 调度策略的目标和要求

实时系统调度策略的设计与实现，是为了满足一系列精确的时间约束。在实时系统中，调度策略的目标是确保任务在严格限定的时间内完成。要求实时系统调度器能够预估任务所需的时间，合理分配处理器资源，并处理好任务之间的优先级与依赖关系。为了达到这一目标，调度策略必须满足以下要求：

1. **可预测性（Predictability）**：调度算法应能提供可预测的结果，以便于分析和验证系统的实时性。
2. **确定性（Determinism）**：调度过程应该能够产生确定性的行为，即相同的输入总能产生相同的调度输出。
3. **资源利用率（Resource Utilization）**：调度策略需要高效地使用计算资源，比如CPU和内存，同时避免资源浪费。
4. **任务响应时间（Response Time）**：对于实时任务来说，完成任务的时间至关重要，因此调度策略需要确保最坏情况下的任务响应时间满足实时要求。
5. **优先级管理（Priority Management）**：调度策略需要支持动态或静态的优先级分配，并在必要时进行优先级调整。

### 2.1.2 实时调度算法的种类

实时调度算法可以根据任务的特性（静态或动态）、调度环境（非抢占式或抢占式）、以及调度策略（时间驱动或事件驱动）等进行分类。以下是一些常见的实时调度算法：

1. **速率单调调度（Rate Monotonic Scheduling, RMS）**：静态优先级调度算法，适用于周期性任务。优先级依据任务执行的速率来设定，执行速率越快的任务拥有越高的优先级。

2. **最早截止时间优先（Earliest Deadline First, EDF）**：动态优先级调度算法，适用于非周期性任务。任务的优先级由其截止时间决定，截止时间越近的任务拥有越高的优先级。

3. **最少裕量调度（Least Laxity First, LLF）**：这是一种基于任务剩余执行时间的调度策略，优先执行剩余时间最少的任务。

4. **固定优先级调度（Fixed Priority Scheduling, FPS）**：为任务分配固定优先级，当任务到达时，执行优先级最高的任务。

5. **抢占式任务调度（Preemptive Task Scheduling）**：允许系统中断当前正在执行的任务，转而执行更高优先级的任务。适用于严格实时系统。

6. **非抢占式任务调度（Non-preemptive Task Scheduling）**：任务一旦开始执行，在完成之前不会被中断。适用于软实时系统或资源受限的环境。

## 2.2 实时任务调度理论

### 2.2.1 任务模型和参数

为了设计和分析实时调度策略，需要定义和理解实时任务模型。以下是实时任务模型中常用的一些参数：

- **周期（Period）**：对于周期性任务，周期是任务重复执行的时间间隔。
- **截止时间（Deadline）**：任务必须完成的最晚时间点。
- **执行时间（Execution Time）**：任务执行所需的时间。
- **释放时间（Release Time）**：任务可以开始执行的时间。
- **资源需求（Resource Requirement）**：任务执行过程中所需的各种资源。
- **优先级（Priority）**：任务根据某种规则（如截止时间、执行时间等）分配的优先顺序。

### 2.2.2 调度准则和性能指标

实时任务调度的目标是确保系统可以满足所有实时任务的要求，因此调度准则和性能指标对于评估调度算法至关重要。主要的性能指标包括：

- **可调度性（Schedulability）**：任务是否能够在给定的约束条件下被调度成功。
- **截止时间错过率（Missed Deadline Ratio）**：在一定时间内，任务错过截止时间的次数与总任务数的比例。
- **平均响应时间（Average Response Time）**：所有任务的平均响应时间，即从任务到达时刻到任务完成时刻的时间长度。
- **平均等待时间（Average Waiting Time）**：所有任务在执行前平均等待的时间长度。

## 2.3 实时系统中的调度算法

### 2.3.1 静态调度算法

静态调度算法（Static Scheduling Algorithms）在系统运行之前就已经确定了任务的调度顺序和时间。由于任务的调度信息在运行时不需要改变，因此这类算法通常有更低的运行时开销。静态调度算法的一个典型代表是**顺序调度（Sequence Scheduling）**，它按照既定的顺序执行任务，不需要动态决策。

### 2.3.2 动态调度算法

动态调度算法（Dynamic Scheduling Algorithms）根据系统的当前状态和任务的实时信息来做出调度决策。这些算法能更好地适应运行时的变化，但可能带来更高的计算成本。动态调度的一个关键算法是**最早截止时间优先（Earliest Deadline First, EDF）**，它根据任务的截止时间动态地调整任务的执行顺序，以优化任务的响应时间。

在下一章中，我们将深入了解实时调度策略的实现技术，包括调度表的设计与实现，以及时间片分配和任务切换的策略。我们会分析这些技术如何影响实时系统的性能，并展示它们在实际应用中的实现。

# 3. 实时系统调度策略的实现与分析

## 3.1 实时调度策略的实现技术

### 3.1.1 调度表的设计和实现

实时系统调度策略的实现技术中，调度表的设计与实现是核心环节之一。调度表是一种数据结构，用于记录系统中各个任务的调度信息，如任务执行时间、周期、截止时间等。它确保了实时系统可以按照既定的规则高效地分配CPU时间，满足不同实时任务的时间约束。

设计调度表时，首先需要定义任务的优先级。在静态优先级调度中，任务的优先级可以在编译时确定；而在动态优先级调度中，任务的优先级可能根据其状态或外部事件动态调整。其次，需要考虑时间片的分配，即每个任务允许运行的时间长度。时间片的大小影响任务切换的频率和系统的响应性。

下面是一个简单的调度表设计的代码示例，其中使用了一个简单的优先级队列来管理实时任务：

// 任务结构体定义
typedef struct {
    int id;             // 任务ID
    int priority;       // 任务优先级
    int deadline;       // 截止时间
    int runtime;        // 运行时间
    int executionTime;  // 执行时间累计
} Task;

// 调度表实现，这里使用优先级队列
#include <queue>
#include <algorithm>