一种具有时间语义的实时处理器模型

实时嵌入式系统是安全关键设备的计算与控制核心.为了保证系统的时间行为正确,要求其软硬件具有时序确定性和可预测性.而现代计算机系统的各个抽象层次均缺乏时间语义,无法满足硬实时安全性设计要求.针对指令集体系结构层次的基础设施缺乏时间语义的问题,尝试重新定义实时嵌入式系统的指令集和微体系结构.首先,提出一种具有时间语义的实时计算机体系结构模型——实时机(real-time machine,RTM).接着,参考时间触发自动机理论,构建具有时间语义的指令集——TTI(time-triggered instruction set)作为RTM的软硬件接口,并讨论TTI的时间语义完备性问题.最后,设计并实现了实时处理单元(real-time processing unit,RPU),通过理论分析与实验结果的对照得出RPU的时序确定性.逻辑执行时间(logical execution time,LET)编程模型是学术界广泛认可的实时编程范式,通过给出在RPU上运行LET任务集的示例,说明RTM和TTI的有效性.

基于RPU的TTI程序设计和分析方法

实时嵌入式系统不仅要保证计算结果的逻辑正确性,还要确保与外界交互的时序正确性,所以底层程序要能精确表达上层模型中的时间行为.TTI指令集(time-triggered instruction set)的提出尝试解决计算机指令集体系结构层次缺少时间语义的问题,并且基于TTI指令集实现的实时处理单元(real-time processing unit,RPU)证明了TTI指令集的可行性和有效性.但是目前的工作缺少对于TTI程序设计和分析方法的研究.所以,基于TTI指令集和RPU,提出了TTI指令集可以表达的4种时间语义,给出了TTI程序的设计范式.并且构建了TTI程序时间行为的表示方法——TFG+,TFG+是对TFG的扩展,TFG+区分了TTI程序中时间语义指令和普通代码段,可以表示TTI程序的控制流信息、用户规定的时间行为和TTI程序平台相关的时间属性.最后,提出了TTI程序的时间分析方法以及时间安全性检查方法,为TTI程序的设计和部署提供了依据.