基於反鏈和預言機的零星混合臨界即時系統精確可調度性測試

核心概念

本文提出了一種基於自動機的精確可調度性測試方法，用於評估採用動態優先級調度演算法的單處理器混合臨界即時系統的可調度性，並透過模擬關係和預言機技術有效減少狀態空間搜索，提高測試效率。

摘要

文獻資訊

• Picard, S., Paolillo, A., Geeraerts, G., & Goossens, J. (2024). Exact schedulability test for sporadic mixed-criticality real-time systems using antichains and oracles. arXiv preprint arXiv:2410.18308v1.

研究目標

本研究旨在解決單處理器混合臨界即時系統中零星任務集的精確可調度性評估問題。

方法

• 建立一個有限狀態自動機模型來表示系統行為，其中狀態對應於系統的可能狀態，而轉移則對應於任務、作業或調度器的動作。
• 為了減輕狀態爆炸問題，提出了一種通用演算法，該演算法由稱為預言機和模擬關係的幾種技術進行參數化。
• 預言機利用調度文獻中的結果作為「插件」，使演算法在實踐中更加高效。
• 模擬關係則用於進一步修剪狀態空間，類似於形式化方法領域中的反鏈方法。

主要發現

• 實驗結果顯示，該方法可以將精確可調度性測試所需的搜索空間減少多達 99.998%，使其適用於多達 8 個任務或最大週期為 350 的任務集。
• 該方法能夠挑戰現有可調度性測試的悲觀性，並推導出新的動態優先級調度器，展現出良好的性能。

主要結論

• 本文提出的基於自動機的方法，結合模擬關係和預言機技術，為評估混合臨界即時系統的可調度性提供了一種精確且有效的方法。
• 該方法的通用性使其適用於評估各種調度演算法，並為設計更有效的混合臨界系統調度器開闢了新的途徑。

研究意義

本研究對於混合臨界即時系統的設計和分析具有重要意義，特別是在航空電子、汽車和工業自動化等安全攸關的應用領域。

局限性和未來研究方向

• 未來工作可以集中於探索更複雜的系統模型，例如多核心平台或具有多級臨界性的系統。
• 此外，還可以研究將該方法擴展到其他類型的調度演算法，例如固定優先級調度演算法。

統計資料

該方法可以將狀態空間搜索減少多達 99.998%。
該方法適用於多達 8 個任務或最大週期為 350 的任務集。

引述

“This work addresses the problem of exact schedulability assessment in uniprocessor mixed-criticality real-time systems with sporadic task sets.”
“Our approach achieves up to a 99.998% reduction in the search space required for exact schedulability testing, making it practical for a range of task sets, up to 8 tasks or maximum periods of 350.”

從以下內容提煉的關鍵洞見

Exact schedulability test for sporadic mixed-criticality real-time systems using antichains and oracles

by Simo... 於 arxiv.org 10-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.18308.pdf

深入探究

如何將此方法擴展到多核心或分散式系統？

將此方法擴展到多核心或分散式系統面臨著更大的挑戰，主要體現在以下幾個方面：

狀態空間爆炸: 多核心或分散式系統的狀態空間相較於單核心系統會大幅增長，因為需要考慮每個核心上的任務分配和執行情況，以及核心間的通信和同步。這使得狀態空間的枚舉和探索變得更加困難。

模擬關係的複雜性: 在多核心系統中，定義有效的模擬關係更加複雜。因為需要考慮不同核心上任務的執行順序和相互影響，以及核心間的資源共享和競爭關係。簡單地將單核心系統的模擬關係推廣到多核心系統可能無法有效地減少狀態空間。

預言機的設計: 設計適用於多核心或分散式系統的預言機也更具挑戰性。因為需要考慮更複雜的系統行為，例如任務在不同核心上的遷移、核心間的通信延遲等因素。

儘管存在這些挑戰，但仍有一些潛在的解決方案可以探索：

狀態空間分割: 可以嘗試將多核心系統的狀態空間分割成更小的子空間，並在每個子空間上獨立應用該方法。例如，可以根據任務的親和性或核心間的通信模式進行分割。

分層模擬關係: 可以設計分層的模擬關係，在不同的抽象層次上對系統行為進行建模。例如，可以在較高的層次上抽象出核心間的通信，而在較低的層次上考慮具體的任務執行順序。

基於約束的預言機: 可以使用基於約束的技術來設計預言機，例如 SMT 求解器或模型檢查器。這些技術可以有效地處理複雜的系統約束，並提供更精確的安全性驗證結果。
總之，將此方法擴展到多核心或分散式系統需要克服許多挑戰，但通過探索新的狀態空間縮減技術、模擬關係和預言機設計方法，我們有望將其應用於更廣泛的實時系統。

是否存在其他類型的預言機或模擬關係可以進一步提高測試效率？

是的，除了文中提到的 idle tasks simulation relation 和基於安全性和非安全性狀態的預言機之外，還存在其他類型的預言機和模擬關係可以進一步提高測試效率：
預言機:

基於需求綁定函數 (Demand Bound Function, DBF) 的預言機: DBF 可以計算在給定時間段內任務集的最壞情況執行時間需求。可以設計預言機，利用 DBF 快速判斷某些狀態是否安全。例如，如果在某個狀態下，所有任務在未來最長截止期限前的 DBF 總和小於等於剩餘時間，則該狀態一定是安全的。

基於時間需求分析 (Time Demand Analysis, TDA) 的預言機: TDA 是一種實時系統的經典分析方法，可以計算在給定時間點上每個任務的最壞情況響應時間。可以設計預言機，利用 TDA 分析結果快速判斷某些狀態是否安全。例如，如果在某個狀態下，所有任務的最壞情況響應時間都小於等於其相對截止期限，則該狀態一定是安全的。

基於機器學習的預言機: 可以利用機器學習技術，例如神經網絡，訓練預測模型，快速判斷狀態的安全性。訓練數據可以通過模擬或分析現有的任務集獲得。
模擬關係:

基於資源利用率的模擬關係: 可以根據狀態的資源利用率定義模擬關係。例如，如果一個狀態的資源利用率始終高於另一個狀態，則前者可以模擬後者。

基於時間鬆弛的模擬關係: 可以通過放鬆時間約束定義模擬關係。例如，如果一個狀態的任務截止期限比另一個狀態的截止期限更寬鬆，則前者可以模擬後者。

基於組合的模擬關係: 可以將多種模擬關係組合起來，以獲得更強的模擬能力，從而進一步減少狀態空間。
需要注意的是，預言機和模擬關係的選擇需要根據具體的系統模型和調度算法進行設計和評估。

該方法如何應用於實際的工業應用，例如自動駕駛汽車或醫療設備？

該方法在確保自動駕駛汽車和醫療設備等實際工業應用的實時系統安全性和可靠性方面具有巨大潛力。以下是一些具體的應用場景：
自動駕駛汽車:

驗證感知、規劃和控制算法的實時性: 自動駕駛汽車的感知、規劃和控制算法通常具有嚴格的實時性要求。例如，緊急制動系統必須在極短的時間內對障礙物做出反應。該方法可以用於驗證這些算法在最壞情況下的執行時間是否滿足實時性要求。

評估不同調度策略的有效性: 自動駕駛汽車的軟件系統通常運行在多核心處理器上，並且需要調度多個具有不同實時性要求的任務。該方法可以用於評估不同調度策略（例如，固定優先級調度、最早截止期限優先調度等）的有效性，並選擇最優的調度策略。

分析系統在故障情況下的行為: 自動駕駛汽車的軟件系統必須能夠在出現故障（例如，傳感器故障、處理器故障等）的情況下保持安全運行。該方法可以用於分析系統在故障情況下的行為，並驗證系統是否能夠採取適當的措施來避免事故發生。
醫療設備:

驗證生命維持設備的實時性: 醫療設備，例如呼吸機、心臟起搏器等，通常具有非常高的可靠性和安全性要求。該方法可以用於驗證這些設備的軟件系統是否滿足實時性要求，並確保設備能夠在任何情況下都能正常工作。

評估醫療設備軟件更新的影響: 醫療設備的軟件更新可能會影響系統的實時性。該方法可以用於評估軟件更新對系統實時性的影響，並確保更新後的系統仍然滿足安全性和可靠性要求。

分析醫療設備在不同工作模式下的行為: 一些醫療設備可能具有不同的工作模式，例如，正常工作模式、緊急工作模式等。該方法可以用於分析設備在不同工作模式下的行為，並驗證設備在任何模式下都能安全可靠地運行。
總之，該方法為驗證和分析實際工業應用中的實時系統提供了一種有效的方法。通過將該方法應用於自動駕駛汽車和醫療設備等領域，我們可以提高這些系統的安全性和可靠性，從而更好地保障人們的生命和財產安全。