混合关键型多核嵌入式软件设计、验证与优化关键技术研究

The complexity of embedded systems is increasing as a result of higher application demands. In the future, multi-core processors will be used to satisfy the compound requirements of an embedded system in size, weight and power consumption, and application systems with different criticalities will be deployed on such multi-core platforms. Applications on different criticality levels typically have different requirements on real-time guarantee and performance. The key challenge for system designers is to deploy a mixed-criticality system on a multi-core platform to meet the real-time requirements of critical applications while maintaining high performance for non-critical applications. Therefore, it is highly relevant to study design, verification and optimization of mixed-criticality multi-core embedded software. We plan to conduct research in the following aspects: 1) real-time scheduling and resource management; 2) modeling and optimization of software performance; 3) run-time verification and control; 4) run-time system and related supporting environment. Our research will provide theoretical foundations, key techniques and software infrastructures for the design of mixed-criticality multi-core embedded systems, and will eventually promote the development of future embedded systems.

应用需求的提升导致嵌入式系统日益复杂，为综合满足嵌入式系统对体积、重量以及功耗等方面的复杂需求，需要使用多核硬件平台，并在同一平台上部署混合关键型应用。由于不同关键级别的应用通常在实时性、性能等方面的需求上存在巨大差异，系统设计者所面临的核心挑战是：如何在多核平台上设计和部署混合关键系统，既保证关键应用的实时性，又保证非关键应用的高效执行。为此，需要研究混合关键型多核嵌入式软件的设计、验证与优化技术，解决软件设计层面的根本问题。本项目将具体开展如下研究：1）实时调度与资源管理；2）性能建模与优化；3）运行时验证与调控；4）运行时系统与支撑环境。通过上述研究，为混合关键型多核嵌入式系统的设计建立理论基础，突破关键技术，搭建软件基础设施，最终推动多核嵌入式系统的发展。

应用需求的提升导致嵌入式系统日益复杂，集成度不断提高，需要在同一硬件平台上部署具有不同功能、不同关键性的应用，我们称这样的系统为混合关键系统。在混合关键系统中，关键应用对实时性要求很高，非关键应用通常强调高效执行，这两类设计目标相互矛盾，为系统设计与验证带来了巨大挑战。. 本项目围绕“1）实时调度与资源管理；2）性能建模与优化；3）运行时验证与调控；4）运行时系统与支撑环境”四个方面开展研究，解决了多核混合关键系统设计与验证方面的理论与技术问题。主要贡献包括：. （1）多核混合关键系统基础理论与技术：研究了新的混合关键系统执行模型，允许系统资源的逐级、增量式重新配置。基于新模型，提出了分析精度更高的混合关键调度可调度性分析技术。在保证高关键任务实时性的同时，提高了低关键任务的执行率，使系统服务能力与服务质量显著提高。. （2）多核性能建模、分析与优化理论与技术：研究了全新的有向图模型和实时演算理论，提出了能够有效表达并行程序行为特性同时保证高效分析的抽象模型，及相应的实时性能分析技术。解决了多核并行应用建模的瓶颈，提高了系统性能分析的效率。. （3）运行时验证理论与技术：提出了多种全新的时间逻辑语义，设计了基于这些新语义的协同运行时监控理论，通过协同监控有效降低了运行时验证的代价，提高了对复杂逻辑语义属性验证的能力。提出了带预测语义的运行时验证技术，实现了对监控目标和违背监控性质行为提前预测的能力，提高了关键属性的保障能力，提高了系统资源利用率和设计灵活性。. （4）运行时系统支撑技术：提出了多核存储型、总线型共享资源隔离技术，实现了不同关键级别任务间的性能隔离；实现了对多个并行实体进行运行时验证的能力。研发了一个“基于micROS的混合关键多核运行时系统”，并针对“高自主无人飞行器运行时验证”开展了应用示范，验证了所提出的理论与技术的有效性。. 项目研究成果对于多核混合关键系统的设计理论、关键技术和软件基础设施的发展起到了推动作用。