操作系统-课堂笔记-实时调度（南航）

实时调度（续CPU调度）

什么是实时？

首先讲一下实时的定义和要求：

• 实时系统指系统的计算正确性不仅仅取决于计算的逻辑正确性，还却决于产生结果的时间。如果未满足系统的时间约束，则认为系统失效，也可认为没有得到正确的计算结果。

以Win10为例：

• 我们笔记本现在的CPU已经很强大了，为什么这么说呢？因为CPU利用率经常很低，最起码日常在10%以下，后台运行网易云音乐+TIM：
  
• 我们在日常使用win10的时候，误以为win10也是实时操作系统，但是如果这种情况呢？ 某一天你在玩大型游戏（超大型的那种，笔者不玩电脑端游戏，举不出例子来），然后有人用QQ给你开视频，你就alt+tab切到QQ，这时候你会发现由于后台运行着游戏，所以用个QQ都极其卡顿。
• 你的朋友说要一个文件，你就打开文件管理器去找文件，然后发现文件管理器无响应，等了30s，只能强行关闭了。
• 以上场景有可能发生，那么你现在还认为Win10是实时操作系统吗？

再举个例子-汽车安全气囊：

• 中高档汽车中有安全气囊
• 当报告车辆碰撞的传感器中断CPU后，操作系统应该快速展开气囊
• 此时操作系统不管有多重要的任务，也比不上展开安全气囊重要，晚一秒钟展开气囊可能就会出现生命危险
• 这就是一个典型的必须使用实时的系统

实时系统的分类：硬实时系统、软实时系统

硬实时系统，上述安全气囊就是硬实时系统：

• 硬实时系统指要有确保的最坏情况下的服务时间（最坏在碰撞0.1s后展开安全气囊），即对于事件的响应时间的截止期限无论如何都必须得到满足（硬性的，必须得在一定时间内展开安全气囊）
• “硬”一字可以理解成死板的意思，硬性规定必须在截止期限内搞定
• 其实还有很多例子，硬实时在航空航天领域很常见（笔者猜测）

软实时系统：

• 软实时系统像是硬实时系统的阉割版本，要求不那么高
• 举例：数字电视机顶盒，其需要处理视频流，如果丢失视频帧显然会造成视频品质变差，但是如果做下简单的抖动处理，那么丢失几个视频帧也能接受。
• 事实上我们在用机顶盒看电视的时候，有时候会出现丢帧情况的（一卡一卡，一跳一跳的）
• 软实时系统指：从统计的角度看，一个任务如果能够得到有确保的处理时间，那么也能在截止期限到来之前得到处理（硬实时的一面），但是违反截止期限并不会带来致命的错误（硬实时被阉割的一面）

参考博客

实时系统可调度

举个例子：
加入系统中有6个硬实时任务，他们的周期时间都是50ms（即每隔50ms必须被执行一次，否则就认为系统是失效的或系统不可调度），而每次处理时间为10ms。

• 以单核系统来说
• 很显然，该系统是不可调度的，6个硬实时任务，每个执行10ms，就已经60ms了，60ms/50ms>1，显然单核是不可调度的。

根据上述例子引出实时系统可调度的定义：

实时调度算法

实时系统的关键还是要看调度算法。

实时调度算法的分类：

• 按任务性质分类：硬实时调度算法、软实时调度算法
• 按调度方式分类：非抢占式调度、抢占式调度
• 按调度时间分类：静态调度算法、动态调度算法

非抢占式调度算法

所谓非抢占式就是等待当前任务完成再执行需要运行的程序。

下面举例说明：

在执行进程1的时候收到要求：实时进程想要执行，进程1说：不好意思，领导要求（OS）我们（进程1-n）必须执行完才行，一直执行完进程n，实时进程才得到执行。

这个算法比上面高级一点，当前进程执行的时候收到要求：实时进程想要执行。当前进程说：不好意思，领导要求我执行完才行。实时进程说：好的好的，我插个队，直接在你后面（优先级高）。

抢占式算法

所谓抢占式就是即使当前任务没有完成，我也要将当前任务强行终止来执行需要调度的程序。

CPU调度博客中讲到了轮转调度，其中时间片抢占是当前操作系统所采用的方式。

当前进程执行中收到通知：实时进程要执行。当前进程说：稍等，领导说我可以给你让位置，但是必须把当前10ms执行完毕才行。10ms到了，时钟中断来临，实时进程得到执行。

还有一种更狠的方式：

突然一把手枪顶在了当前进程头上，实时进程说，你收拾下（保护上下文）退下吧。当前进程马上怂了，收拾了一下马上溜了，实时进程很快得到执行。

介绍两种常用的实时调度算法

上面只是讲解了抢占式和非抢占式的基本原理，下面介绍两种常用算法

最早截止时间优先

Earliest Deadline First简称为EDF算法。

• 根据任务的最迟开始时间确定优先级，该时间越早优先级越高
• 系统中保持一个实时任务优先级就绪队列，调度程序选择队首任务分配CPU
• 可采取抢占式和非抢占式调度

看一个示意图：

最低松弛度优先-优先级调度的一种

Least Laxity First简称为LLF算法

• 根据任务紧急（或松弛）的程序来确定任务的优先级，任务的紧急程度越高，为该任务所赋予的优先级就越高，以使之优先执行。
• 系统中保持一个实时任务优先级就绪队列，调度程序选择队首任务分配CPU
  

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