安全关键的信息物理系统中时序可预测性问题的研究

In Safety Critical Cyber-Physical Systems (CPS), the predictability is one of the keys to guarantee the time requirements and the reliability. Two problems must be solved to build the predictable CPS: 1) how to define and measure the predictability in CPS; 2) how to design and construct predictable systems in CPS. First of all, we study the formal definition and measurements of predictability in CPS. In contrast to the predictability definitions in the conventional real-time systems, which mainly focus on the time predictability, this paper suggests that the predictability of CPS should include both the time predictability and the order predictability. Secondly, we study the predictable time-order model for expressing the task's temporal behaviors. Temporal mapping methods among models to ensure the consistency of the temporal semantics are proposed. Thirdly, based on the above temporal series model, a programming model with transparent distributed features is established. A practicable programming language and its runtime with consistent temporal behaviors would be realized. Finally, an evaluation method, which is based on model similarity, to verify the temporal behaviors of systems is proposed to support time requirements verification at design time.

安全关键的信息物理系统中，可预测性是保证系统实时性和可靠性的关键，但学术界对如何定义和衡量系统的可预测性，如何设计与实现具有可预测性的系统尚无统一认识。本课题拟通过对系统行为特征的深入分析和建模，给出CPS中可预测性的形式化定义，并据此提出可预测性系统的构建方法。首先，研究CPS中可预测性的形式化定义以及衡量标准。与传统的实时系统可预测研究中只注重任务执行时间的可预测性不同，本课题提出CPS的可预测性应该包含时间可预测和顺序可预测两个方面。其次，研究具有可预测性的时序模型，提出模型层间的时序映射方法，确保时序语义的一致性。第三，基于上述时序模型建立具有分布透明特点的编程模型，设计并实现编程语言，以及具有时序语义一致性的运行时系统。最后，提出一种基于模型相似度理论的评估方法，支持在设计阶段验证系统时序行为。

如何保证系统的可预测性是安全关键信息物理系统中的关键问题，然而学术界对如何定义可预测性，如何设计具有可预测性的系统尚无统一认识。针对该问题，本课题开展了以下研究：.1）新的可预测性形式化定义以及衡量标准：针对现有的可预测性存在局限，本课题根据信息物理系统的并发及交互特性，明确需要具备可预测性的属性及导致其不可预测的因素；并据此提出时序可预测性的形式化定义，其中除了包含时间可预测还首次强调了顺序可预测的重要性。所提出的定义可以作为度量和比较CPS可预测性的指标，还可以帮助改善CPS设计。.2）针对包括分布式场景在内的多产场景可预测编程模型及其时序映射方法：针对复杂任务场景，提出基于服务体的时序可预测编程模型PSPM，改善了逻辑执行时间模型端到端响应时间长的问题；针对混合任务场景，提出xPSPM，基于空闲时间窃取算法实现混合类型任务的调度，并首次将混合调度算法与逻辑执行时间模型结合；针对分布式场景，提出了基于时间触发总线通信协议设计的DxPSPM，提供跨节点通信的时延可预测保证。.3）可预测编程模型的编程语言，及支持系统时序行为验证的运行时系统：提供了支持描述程序功能行为和时序行为的易用编程语言，并基于实时操作系统提供支持系统时序行为验证及混合类型任务调度的运行时系统。.4）设计软硬件协同调度器优化编程框架的运行时系统：针对内核开销与响应能力之间的矛盾，基于软硬件协同的技术实现混合调度器，为实现编程模型中的时间触发机制提供硬件支持，减少了运行时开销以及响应时间，提升了运行时系统时间精度及时序可预测性。.基于上述研究工作基础，本课题组进一步开展了实时体系结构理论问题的相关研究，提出了实时机理论模型RTM及其时间语义指令集TTI，将时间作为指令执行的正确性指标，期望突破现有方法框架的局限，建立新的实时计算理论体系。.基于本课题的支持，本课题发表了一本专著，一个专利以及19篇论文，其中SCI与EI同时收录的论文13篇。