專利名稱：一種嵌入式實時文件系統(tǒng)任務調(diào)度的實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及嵌入式文件系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種嵌入式實時文件系統(tǒng)任務調(diào)度的實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
早期計算機系統(tǒng)中沒有文件管理機構(gòu)，用戶自行管理輔助存儲器上的信息，按照物理地址安排信息，組織數(shù)據(jù)的輸入輸出，還要記住信息在存儲介質(zhì)上的分布情況，繁瑣復雜、易于出錯、可靠性差。大容量直接存取存儲器的問世為建立文件系統(tǒng)提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。多道程序、分時系統(tǒng)的出現(xiàn)，多個用戶以及系統(tǒng)都要共享大容量輔助存儲器。因而，現(xiàn)代操作系統(tǒng)中都配備了文件系統(tǒng)，以適應系統(tǒng)管理和用戶使用軟件資源的需要。對計算機系統(tǒng)中軟件資源的管理形成了操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)。
文件是在邏輯上具有完整意義的信息的集合，它有一個名字以供識別。文件名是字母或數(shù)字組成的字母數(shù)字串，它的格式和長度因系統(tǒng)而異。
組成文件的信息可以是各式各樣的一個源程序、一批數(shù)據(jù)、各類語言的編譯程序可以各自組成一個文件。文件名可以按各種方法進行分類如按用途可人成系統(tǒng)文件、庫文件和用戶文件；按保護級別可分成只讀文件、讀寫文件和不保護文件；按信息流向可分成輸入文件、輸出文件和輸入輸出文件；按存放時限可分成臨時文件、永久文件、檔案文件；按設(shè)備類型可分成磁盤文件、磁帶文件、軟盤文件。此錢同學可以按文件的邏輯結(jié)構(gòu)或物理結(jié)構(gòu)進行分類。
操作系統(tǒng)提供文件系統(tǒng)后，首先，用戶使用方便，使用者無需記住信息存放在輔助存儲器中的物理位置，也無需考慮如何將信息存放在存儲介質(zhì)上，只要知道文件名，給出有關(guān)操作要求便可存取信息，實現(xiàn)了“按名存取”。特別，當文件存放作了改變，甚至更換了文件的存儲設(shè)備，對文件的使用者也沒有絲毫影響。其次，文件安全可靠，由于用戶通過文件系統(tǒng)才能實現(xiàn)對文件的訪問，而文件系統(tǒng)能提供各種安全、保密和保護措施，故可防止對文件信息的有意或無意的破壞或竊用。此外，在文件使用過程中可能出現(xiàn)硬件故障，這時文件系統(tǒng)可組織重執(zhí)，硬件失效而可能造成文件信息破壞痢，可組織轉(zhuǎn)儲以提高文件的可靠性。最后，文件系統(tǒng)還能提供文件的共享功能，如不同的用戶可以使用同名或異名的同一文件。這樣，既省了文件存放空間，又減少了傳遞文件的交換時間，進一步提高了文件和文件空間，又減少了傳送文件的交換時間，進一步提高了文件和文件空間的利用率。把數(shù)據(jù)組織成文件形式加以管理和控制是計算機數(shù)據(jù)管理的重大發(fā)展。
實時操作系統(tǒng)(RTOS)已在眾多領(lǐng)域得到了應用并發(fā)揮著重要作用，在其發(fā)展初期，多數(shù)的RTOS產(chǎn)品都沒有涉及對磁盤的應用，其能夠管理的數(shù)據(jù)量也隨之變得非常有限。
這主要是因為磁盤讀寫相對于CPU而言具有較低的速度并且其引入的時廷具有不確定性。然而，現(xiàn)代實時應用中越來越多的應用系統(tǒng)都需要使用磁盤來存取實時數(shù)據(jù)，其中主要有軍用C3I系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(例如核電站監(jiān)控系統(tǒng))等。在這類系統(tǒng)中，將所有要管理的數(shù)據(jù)都置于內(nèi)存之中已失去了成本效益。即使對提供了文件系統(tǒng)服務功能的實時操作系統(tǒng)而言，其實時性能仍有待提高。以RT-Mach為例進行研究，會發(fā)現(xiàn)由于RT-Mach中對磁盤存取命令的響應不是基于優(yōu)先級或者截止期的，因此其非實時的磁盤調(diào)度并不能滿足實時的磁盤存取要求。
對于文件系統(tǒng)，必須滿足如下要求方能成為實時文件系統(tǒng)1)對同一文件的物理磁盤塊采取連續(xù)分配策略，減少尋址消耗；2)對多個文件存取請求能夠按照優(yōu)先級排序，確定合理響應序列；3)文件存取服務具有可搶占性，保證優(yōu)先級最高的請求能夠及時得到響應。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種嵌入式實時文件系統(tǒng)任務調(diào)度的實現(xiàn)方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案如下
本發(fā)明提供了一種嵌入式實時文件系統(tǒng)任務調(diào)度的實現(xiàn)方法，包括以下步驟1)定義嵌入式實時文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用分割機制，通過將文件系統(tǒng)在功能結(jié)構(gòu)上劃分為兩個層次來實現(xiàn)，將不能搶占的文件讀寫請求分割成多個磁盤I/O操作，這些子操作將通過相應的功能函數(shù)陸續(xù)地送至磁盤驅(qū)動程序；頂層文件系統(tǒng)UFS將來自系統(tǒng)進程、用戶進程的對文件系統(tǒng)的調(diào)用請求轉(zhuǎn)換為對一組連續(xù)物理地址的操作，底層文件系統(tǒng)LFS將其分割成多個磁盤FO子操作，并根據(jù)其各自的優(yōu)先級和截止期進行排序，從其中選出最緊迫的任務進行操作；2)任務排序文件系統(tǒng)的排序?qū)⑼ㄟ^LFS維護的任務隊列TQ實現(xiàn)，從UFS送至LFS的操作請求如果能夠參與調(diào)度將作為新元素插入到隊列TQ中；隊列TQ的元素記錄了每個任務兩個方面的內(nèi)容文件調(diào)用服務信息和任務調(diào)度信息；3)任務的納入控制任務納入控制是在UFS將新任務送至LFS時，由LFS對該任務是否能夠加入任務隊列的一個評判過程，包括以下兩個方面(1)控制競爭任務數(shù)量通過為任務隊列分配固定的成員數(shù)，防止過多的任務參與競爭，以免任務調(diào)度對系統(tǒng)性能的影響；(2)考察任務參數(shù)通過分析新任務中有關(guān)任務調(diào)度方面的參數(shù)，對系統(tǒng)的時間資源分配情況進行簡易的分析；4)任務調(diào)度隊列TQ按照任務元素的優(yōu)先級高低順序以及其在文件系統(tǒng)的初始狀態(tài)，LFS將選擇運行隊列中優(yōu)先級最高的任務，每當完成單位大小的數(shù)據(jù)傳輸后，LFS除了修改當前任務記錄中的現(xiàn)場信息外，還將遍歷隊列中所有元素的寬松度域，對其進行減一操作，若出現(xiàn)下列兩種情況中的任一種，LFs將保存當前任務的調(diào)用現(xiàn)場，并選擇運行相應的任務(1)存在j，Tj∈TQ andPj＞Pi(即有比當前任務更高優(yōu)先級的任務到達，則任務Tj搶占)；(2)存在j，Tj∈IQ and Rj＝0(即出現(xiàn)寬松度為零的任務，則該任務Tj搶占)；若上述情況均未出現(xiàn)，則將繼續(xù)當前任務的下一次單位大小的數(shù)據(jù)傳送。
作為本發(fā)明的一種改進，步驟(1)所述的文件服務信息用于記錄調(diào)用本身的參數(shù)以及現(xiàn)場信息，包括數(shù)據(jù)傳輸方向、需傳輸字節(jié)數(shù)、相對于文件的當前變址和位于用戶空間的當前變址。
作為本發(fā)明的一種改進，步驟(1)所述的任務調(diào)度信息用于記錄LFS任務調(diào)度需要使用的信息，對于TQ中的任一任務，其這部分信息由優(yōu)先級哺寬松度R組成，其中寬松度Relaxation是對指定任務在獲得足夠操作時間前可以等待的時間長短的一個量度；隊列TQ按照任務元素的優(yōu)先級高低順序進行排列。
作為本發(fā)明的一種改進，步驟(3)所述考察任務參數(shù)時，對時間資源分配情況的考察規(guī)則基于對任務隊列中的所有任務均會在截止期之前獲得足夠的時問進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募僭O(shè)設(shè)系統(tǒng)全局時鐘為tglobal，當前任務隊列TQ＝{T1，T2，T3，...，Tn}，滿足納入控制條件，可以成功地進行調(diào)度，為進行納入控制，LFS需維護兩個變量DMAX，RSUM，分別記錄了當前任務隊列各元素中最大的截止期和各元素寬松度的總和，其定義如下DMAX＝max{D1，...，Dn，D’}ESUM＝∑Ri(i∈N，i從1到n)對新到達任務T’有優(yōu)先級為P’，數(shù)據(jù)傳輸量為L’，截止期D’，可計算寬松度為R’。
若滿足RSUM+R’＜DMAX-tglobal的條件，則任務T’允許納入。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果是通過分割機制和寬松度指標保證了高優(yōu)先級任務的可搶占性和對低優(yōu)先級任務調(diào)度的公平性，這種機制不僅提高了文件服務的靈活性，而且其實現(xiàn)機制簡單清晰，具有較高的可行性。


圖1是本發(fā)明過程的示意圖；圖2是嵌入式實時文件系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)的示意圖；具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
一種嵌入式實時文件系統(tǒng)任務調(diào)度的實現(xiàn)方法，附圖1是本發(fā)明實施過程的整體示意圖，其具體實施方法如下1)定義嵌入式實時文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用分割機制，通過將文件系統(tǒng)在功能結(jié)構(gòu)上劃分為兩個層次來實現(xiàn)，將不能搶占的文件讀寫請求分割成多個磁盤I/O操作，這些子操作將通過相應的功能函數(shù)陸續(xù)地送至磁盤驅(qū)動程序，分層結(jié)構(gòu)如圖2；頂層文件系統(tǒng)UFS將來自系統(tǒng)進程、用戶進程的對文件系統(tǒng)的調(diào)用請求轉(zhuǎn)換為對一組連續(xù)物理地址的操作，底層文件系統(tǒng)LFS將其分割成多個磁盤FO子操作，并根據(jù)其各自的優(yōu)先級和截止期進行排序，從其中選出最緊迫的任務進行操作；每當一個磁盤I/O子操作完成以后，LFS均要檢查任務隊列中是否出現(xiàn)更緊迫的操作請求，若出現(xiàn)這種情況且當前任務還未完成，LFS將負責保存當前任務的工作現(xiàn)場，使其進入阻塞狀態(tài)，并將最緊迫的操作請求激活；否則，將會繼續(xù)當前任務的下一個單位I/O子操作。
在采用了分割機制和分層結(jié)構(gòu)以后，文件系統(tǒng)調(diào)用將通過I~1LFS分解為一組磁盤I/O子操作循環(huán)序列得以完成。顯然，分割后的子操作數(shù)目會隨著單位磁盤I/O子操作所涉及的磁盤地址范圍大小不同而變化，LFS在任務隊列維護與調(diào)度方面所引入的性能消耗也會隨之變化。
文件將以16kB為基本單位進行資源分配。為滿足不同的實時應用，將文件按大小分為8I0～7，每一級的大小為2‘×16kB。在文件最初創(chuàng)建時，需指定文件的級數(shù)，操作系統(tǒng)將在現(xiàn)有存儲資源足夠的條件下，為文件分配物理地址連續(xù)的、相應大小的磁盤塊組，其效能如下表所示。

2)任務排序文件系統(tǒng)的排序?qū)⑼ㄟ^LFS維護的任務隊列TQ實現(xiàn)，從UFS送至LFS的操作請求如果能夠參與調(diào)度將作為新元素插入到隊列TQ中；隊列TQ的元素記錄了每個任務兩個方面的內(nèi)容文件調(diào)用服務信息和任務調(diào)度信息。
文件服務信息用于記錄調(diào)用本身的參數(shù)以及現(xiàn)場信息，主要有數(shù)據(jù)傳輸方向(讀/寫)、需傳輸字節(jié)數(shù)、相對于文件的當前變址、位于用戶空間的當前變址等。
任務調(diào)度信息用于記錄LFS任務調(diào)度需要使用的信息，對于TQ中的任一任務，其這部分信息由優(yōu)先級哺寬松度R組成，其中寬松度Relaxation是對指定任務在獲得足夠操作時間前可以等待的時間長短的一個量度；隊列TQ按照任務元素的優(yōu)先級高低順序進行排列；3)任務的納入控制任務納入控制是在UFS將新任務送至LFS時，由LFS對該任務是否能夠加入任務隊列的一個評判過程，作為進行任務調(diào)度之前的預分析，它的目的是要保證加入新任務以后形成的任務隊列仍然能夠成功地進行調(diào)度。從以下兩個方面可以進行判斷(1)控制競爭任務數(shù)量。通過為任務隊列分配固定的成員數(shù)，防止過多的任務參與競爭，以免任務調(diào)度對系統(tǒng)性能的影響；(2)考察任務參數(shù)。通過分析新任務中有關(guān)任務調(diào)度方面的參數(shù)，對系統(tǒng)的時間資源分配情況進行簡易的分析；時間資源分配情況的考察規(guī)則是基于這樣的假設(shè)任務隊列中的所有任務均會在截止期之前獲得足夠的時問進行數(shù)據(jù)傳輸；設(shè)系統(tǒng)全局時鐘為tglobal，當前任務隊列TQ＝{T1，T2，T3，...，Tn}，滿足納入控制條件，可以成功地進行調(diào)度，為進行納入控制，LFS需維護兩個變量DMAX，RSUM，分別記錄了當前任務隊列各元素中最大的截止期和各元素寬松度的總和，其定義如下DMAX＝max{D1，...，Dn，D’}RSUM＝∑Ri(i∈N，i從1到n)對新到達任務T’有優(yōu)先級為P’，數(shù)據(jù)傳輸量為L’，截止期D’，可計算寬松度為R’。
若滿足以下條件，則任務T’允許納入RSUM+R’＜DMAX-tglobal4)任務調(diào)度隊列TQ按照任務元素的優(yōu)先級高低順序以及其在文件系統(tǒng)的初始狀態(tài)，LFS將選擇運行隊列中優(yōu)先級最高的任務，每當完成單位大小的數(shù)據(jù)傳輸后，LFS除了修改當前任務記錄中的現(xiàn)場信息(需傳輸字節(jié)數(shù)、相對于文件的當前變址、位于用戶空間的當前變址)外，還將遍歷隊列中所有元素的寬松度域，對其進行減一操作，若出現(xiàn)下列兩種情況中的任一種，LFs將保存當前任務的調(diào)用現(xiàn)場，并選擇運行相應的任務(1)存在j，Tj∈TQ andPj＞Pi(即有比當前任務更高優(yōu)先級的任務到達，則任務Tj搶占)；(2)存在j，Tj∈IQ and Rj＝0(即出現(xiàn)寬松度為零的任務，則該任務Tj搶占)；若上述情況均未出現(xiàn)，則將繼續(xù)當前任務的下一次單位大小的數(shù)據(jù)傳送。
權(quán)利要求
1.一種嵌入式實時文件系統(tǒng)任務調(diào)度的實現(xiàn)方法，其特征在于，包括以下步驟1)定義嵌入式實時文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用分割機制，通過將文件系統(tǒng)在功能結(jié)構(gòu)上劃分為兩個層次來實現(xiàn)，將不能搶占的文件讀寫請求分割成多個磁盤I/O操作，這些子操作將通過相應的功能函數(shù)陸續(xù)地送至磁盤驅(qū)動程序；頂層文件系統(tǒng)UFS將來自系統(tǒng)進程、用戶進程的對文件系統(tǒng)的調(diào)用請求轉(zhuǎn)換為對一組連續(xù)物理地址的操作，底層文件系統(tǒng)LFS將其分割成多個磁盤FO子操作，并根據(jù)其各自的優(yōu)先級和截止期進行排序，從其中選出最緊迫的任務進行操作；2)任務排序文件系統(tǒng)的排序?qū)⑼ㄟ^LFS維護的任務隊列TQ實現(xiàn)，從UFS送至LFS的操作請求如果能夠參與調(diào)度將作為新元素插入到隊列TQ中；隊列TQ的元素記錄了每個任務兩個方面的內(nèi)容文件調(diào)用服務信息和任務調(diào)度信息；3)任務的納入控制任務納入控制是在UFS將新任務送至LFS時，由LFS對該任務是否能夠加入任務隊列的一個評判過程，包括以下兩個方面(1)控制競爭任務數(shù)量通過為任務隊列分配固定的成員數(shù)，防止過多的任務參與競爭，以免任務調(diào)度對系統(tǒng)性能的影響；(2)考察任務參數(shù)通過分析新任務中有關(guān)任務調(diào)度方面的參數(shù)，對系統(tǒng)的時間資源分配情況進行簡易的分析；4)任務調(diào)度隊列TQ按照任務元素的優(yōu)先級高低順序以及其在文件系統(tǒng)的初始狀態(tài)，LFS將選擇運行隊列中優(yōu)先級最高的任務，每當完成單位大小的數(shù)據(jù)傳輸后，LFS除了修改當前任務記錄中的現(xiàn)場信息外，還將遍歷隊列中所有元素的寬松度域，對其進行減一操作，若出現(xiàn)下列兩種情況中的任一種，LFs將保存當前任務的調(diào)用現(xiàn)場，并選擇運行相應的任務(1)存在j，Tj∈TQ andPj＞Pi(即有比當前任務更高優(yōu)先級的任務到達，則任務Tj搶占)；(2)存在j，Tj∈IQ and Rj=0(即出現(xiàn)寬松度為零的任務，則該任務Tj搶占)；若上述情況均未出現(xiàn)，則將繼續(xù)當前任務的下一次單位大小的數(shù)據(jù)傳送。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式實時文件系統(tǒng)任務調(diào)度的實現(xiàn)方法，其特征在于，步驟(1)所述的文件服務信息用于記錄調(diào)用本身的參數(shù)以及現(xiàn)場信息，包括數(shù)據(jù)傳輸方向、需傳輸字節(jié)數(shù)、相對于文件的當前變址和位于用戶空間的當前變址。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式實時文件系統(tǒng)任務調(diào)度的實現(xiàn)方法，其特征在于，步驟(1)所述的任務調(diào)度信息用于記錄LFS任務調(diào)度需要使用的信息，對于TQ中的任一任務，其這部分信息由優(yōu)先級哺寬松度R組成，其中寬松度Relaxation是對指定任務在獲得足夠操作時間前可以等待的時間長短的一個量度；隊列TQ按照任務元素的優(yōu)先級高低順序進行排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式實時文件系統(tǒng)任務調(diào)度的實現(xiàn)方法，其特征在于，步驟(3)所述考察任務參數(shù)時，對時間資源分配情況的考察規(guī)則基于對任務隊列中的所有任務均會在截止期之前獲得足夠的時問進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募僭O(shè)設(shè)系統(tǒng)全局時鐘為tglobal，當前任務隊列TQ＝{T1，T2，T3，...，Tn}，滿足納入控制條件，可以成功地進行調(diào)度，為進行納入控制，LFS需維護兩個變量DMAX，RSUM，分別記錄了當前任務隊列各元素中最大的截止期和各元素寬松度的總和，其定義如下DMAX＝max{D1，...，Dn，D’}RSUM＝∑Ri(i∈N，i從1到n)對新到達任務T’有優(yōu)先級為P’，數(shù)據(jù)傳輸量為L’，截止期D’，可計算寬松度為R’。若滿足RSUM+R’＜DMAX-tglobal的條件，則任務T’允許納入。
全文摘要
本發(fā)明涉及嵌入式文件系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，旨在提供一種嵌入式實時文件系統(tǒng)任務調(diào)度的實現(xiàn)方法。該方法包括定義嵌入式實時文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、任務排序、任務的納入控制和任務調(diào)度。該方法通過分割機制和寬松度指標保證了高優(yōu)先級任務的可搶占性和對低優(yōu)先級任務調(diào)度的公平性，這種機制不僅提高了文件服務的靈活性，而且其實現(xiàn)機制簡單清晰，具有較高的可行性。
文檔編號G06F17/30GK1877534SQ20061005223
公開日2006年12月13日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者陳天洲, 趙懿, 沙峰, 王祥生 申請人:浙江大學