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CN111966472B - 一种工业实时操作系统的进程调度方法及系统 - Google Patents

一种工业实时操作系统的进程调度方法及系统 Download PDF

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CN111966472B CN202010632327.6A CN202010632327A CN111966472B CN 111966472 B CN111966472 B CN 111966472B CN 202010632327 A CN202010632327 A CN 202010632327A CN 111966472 B CN111966472 B CN 111966472B
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Abstract

本发明公开了一种工业实时操作系统的进程调度方法及系统，在操作系统的用户态与内核态之间的proc文件系统中创建作为中转的预读文件；并通过数据命中度从而筛选出在工业实时操作系统的重复度和相似度极大的高频使用数据保存在预读文件中，从而使每个进程能够快速的从预读文件读取数据命中度的值最大的数据，利用工业操作系统运行环境中数据重复度较高的特性，提高了操作系统的实时性，降低了进程调度的延迟，降低了数据读写复杂度，从而提升了系统整体的运行效率，本发明应用于工业实时操作系统领域。

Description

一种工业实时操作系统的进程调度方法及系统
技术领域
本发明涉及操作系统、工业实时操作系统领域，具体涉及一种工业实时操作系统的进程调度方法及系统。
背景技术
工业控制的环境中，由于大数据的采集导致存储量巨大、通信实时性要求高，在工业控制的环境中，由于大部分都是生产线机械化的作业，作业之间重复度和相似度极大，所以目前的操作系统的进程调度规则已经不能够很好地适用于工业应用环境中的软硬件资源控制，比传统的数据读写复杂很多，可能导致工业控制设备卡顿、I/O读写超时等现象；在实时系统中，通常通过多核系统构造跨进程调用系统结构减少进程调度的不协同的问题；但是如此一来，系统间的跨进程机制会导致实时性降低，提高进程调度的延迟。
发明内容
本发明提供一种工业实时操作系统的进程调度方法及系统，在操作系统的用户态与内核态之间的proc文件系统中创建作为中转的预读文件；并通过数据命中度从而筛选出在工业实时操作系统的重复度和相似度极大的高频使用数据保存在预读文件中，从而使每个进程能够快速的从预读文件读取数据命中度的值最大的数据。
本发明的目的是针对上述问题，提供一种工业实时操作系统的进程调度方法及系统，具体包括以下步骤：
S100：在操作系统的proc文件系统中创建一个文件作为预读文件；
S200：当操作系统新创建一个进程时执行步骤S300、S400，当没有新创建的进程时转到步骤S500；
S300：当操作系统创建一个进程时，判断新创建进程的进程优先级是否大于或等于当前所有进程状态为运行态进程的进程优先级的平均值，如果是，则计算新创建进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据和预读文件中的所有数据的数据命中度；
S400：如果预读文件中不存在有数据命中度大于或等于命中阈值的数据，则将新创建进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据添加到预读文件的数据段序列中；
S500：从0到31的进程优先级开始执行相应进程优先级的进程，每个进程读取其进程与预读文件的数据命中度的值最大的数据。
进一步地，在S100中，当预读文件没有数据时，直接将新创建进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据添加到预读文件的数据段序列中。
进一步地，在S100中，所述预读文件包括用于存储多个进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据段序列，所述数据段序列为由按照进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据添加到序列中的先后顺序组成的数据的队列。
进一步地，在S200中，所述进程包括BSS段、数据段、代码段、堆、栈；所述BSS段是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域；所述数据段是指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域；所述代码段是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域通常属于只读,某些架构也允许代码段为可写，即允许修改程序。在代码段中，也有可能包含一些只读的常数变量，例如字符串常量等。
进一步地，在S300中，所述进程的堆栈包括堆和栈，其中，所述堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段，其大小并不固定，可动态扩张或缩减；所述栈又称堆栈，是用户存放程序临时创建的局部变量，在函数被调用时，其参数会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也会被存放回栈中；由于栈的先进后出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。
进一步地，在S300中，所述进程优先级的取值范围为[0,31]；进程优先级值越小表示进程优先级越高，进程优先级值越大表示进程优先级越低。
进一步地，在S300中，计算所述进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据和预读文件中的所有数据的数据命中度的方法为：
S301：从所述进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据提取前N位二进制数作为第一对比序列；N的取值范围为[50,1000]；
S302：分别从预读文件中的各个数据中提取前N位二进制数作为多个第二对比序列；
S303：计算第一对比序列与各个第二对比序列的数据命中度；
计算数据命中度H的公式为：
其中；Fi和Si分别代表第一对比序列和第二对比序列的前i位二进制数，i的取值范围为[1,N]。
进一步地，在S400中，所述命中阈值设置为0.5。
本发明还提供了一种工业实时操作系统的进程调度系统，所述系统包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：
预读文件单元，用于在操作系统的proc文件系统中创建一个文件作为预读文件；
进程预读单元，用于在当操作系统新创建一个进程时执行进程预选单元与数据段序列单元，当没有新创建的进程时转到进程执行单元；
进程预选单元，用于在当操作系统创建一个进程时，判断所述进程的进程优先级是否大于或等于当前所有进程状态为运行态进程的进程优先级的平均值，如果是，则计算所述进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据和预读文件中的所有数据的数据命中度；
数据段序列单元，用于在如果预读文件中不存在有数据命中度大于或等于命中阈值的数据段，则将进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据添加到预读文件的数据段序列中；
进程执行单元，用于从0到31的进程优先级开始执行相应进程优先级的进程，每个进程读取其进程与预读文件的数据命中度的值最大的数据。
本发明的有益效果为：本发明公开了一种工业实时操作系统的进程调度方法，利用工业操作系统运行环境中数据重复度较高的特性，提高了操作系统的实时性，降低了进程调度的延迟，降低了数据读写复杂度，从而提升了系统整体的运行效率。
附图说明
通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本发明的上述以及其他特征将更加明显，本发明附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：
图1所示为本发明的一种工业实时操作系统的进程调度方法的流程图；
图2所示为本发明实施方式的一种工业实时操作系统的进程调度系统。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示为根据本发明的一种工业实时操作系统的进程调度方法的流程图，下面结合图1来阐述根据本发明的实施方式的方法。
本发明提出一种工业实时操作系统的进程调度方法，具体包括以下步骤：
S100：内核模块在操作系统的proc文件系统中创建一个文件作为预读文件；proc文件系统是一个虚拟文件系统,通过proc文件系统可以使用操作系统的内核空间和用户间之间进行通信；
S200：当操作系统新创建一个进程时执行步骤S300、S400，当没有新创建的进程时转到步骤S500；
S300：当操作系统创建一个进程时，判断所述进程的进程优先级是否大于或等于当前所有进程状态为运行态进程的进程优先级的平均值，如果是，则计算所述进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据和预读文件中的所有数据的数据命中度；
S400：如果预读文件中不存在有数据命中度大于或等于命中阈值的数据段，则将进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据添加到预读文件的数据段序列中；
S500：从0到31的进程优先级开始执行相应进程优先级的进程，每个进程读取其进程与预读文件的数据命中度的值最大的数据。
进一步地，在S100中，当预读文件没有数据时，直接将新创建进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据添加到预读文件的数据段序列中。
进一步地，在S100中，所述预读文件包括用于存储多个进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据段序列，所述数据段序列为由按照进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据添加到序列中的先后顺序组成的数据的队列。
进一步地，在S200中，所述进程包括BSS段、数据段、代码段、堆、栈；所述BSS段是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域；所述数据段是指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域；所述代码段是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域通常属于只读,某些架构也允许代码段为可写，即允许修改程序。在代码段中，也有可能包含一些只读的常数变量，例如字符串常量等。
进一步地，在S300中，所述进程的堆栈包括堆和栈，其中，所述堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段，其大小并不固定，可动态扩张或缩减；所述栈又称堆栈，是用户存放程序临时创建的局部变量，在函数被调用时，其参数会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也会被存放回栈中；由于栈的先进后出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。
进一步地，在S300中，所述进程优先级的取值范围为[0,31]；进程优先级值越小表示进程优先级越高，进程优先级值越大表示进程优先级越低。
进一步地，在S300中，计算所述进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据和预读文件中的所有数据的数据命中度的方法为：
S301：从所述进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据提取前N位二进制数作为第一对比序列；N的取值范围为[50,1000]；
S302：分别从预读文件中的各个数据中提取前N位二进制数作为多个第二对比序列；
S303：计算第一对比序列与各个第二对比序列的数据命中度；
计算数据命中度H的公式为：
其中；Fi和Si分别代表第一对比序列和第二对比序列的前i位二进制数，i的取值范围为[1,N]。
进一步地，在S400中，所述命中阈值设置为0.5。
本发明的实施例提供的一种工业实时操作系统的进程调度系统，如图2所示为本发明的一种工业实时操作系统的进程调度系统结构图，该实施例的一种工业实时操作系统的进程调度系统包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种工业实时操作系统的进程调度系统实施例中的步骤。
所述系统包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：
预读文件单元，用于在操作系统的proc文件系统中创建一个文件作为预读文件；
进程预读单元，用于在当操作系统新创建一个进程时执行进程预选单元与数据段序列单元，当没有新创建的进程时转到进程执行单元；
进程预选单元，用于在当操作系统创建一个进程时，判断所述进程的进程优先级是否大于或等于当前所有进程状态为运行态进程的进程优先级的平均值，如果是，则计算所述进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据和预读文件中的所有数据的数据命中度；
数据段序列单元，用于在如果预读文件中不存在有数据命中度大于或等于命中阈值的数据段，则将进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据添加到预读文件的数据段序列中；
进程执行单元，用于从0到31的进程优先级开始执行相应进程优先级的进程，每个进程读取其进程与预读文件的数据命中度的值最大的数据。
所述一种工业实时操作系统的进程调度系统可以运行于桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备中。所述一种工业实时操作系统的进程调度系统可运行的系统可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述例子仅仅是一种工业实时操作系统的进程调度系统的示例，并不构成对一种工业实时操作系统的进程调度系统的限定，可以包括比例子更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述一种工业实时操作系统的进程调度系统还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述一种工业实时操作系统的进程调度系统运行系统的控制中心，利用各种接口和线路连接整个一种工业实时操作系统的进程调度系统可运行系统的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述一种工业实时操作系统的进程调度系统的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。

Claims (6)

1.一种工业实时操作系统的进程调度方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S100：在操作系统的proc文件系统中创建一个文件作为预读文件，所述预读文件包括用于存储多个进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据段序列，所述数据段序列为由按照进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据添加到序列中的先后顺序组成的数据的队列；
S200：当操作系统新创建一个进程时执行步骤S300、S400，当没有新创建的进程时转到步骤S500；
S300：当操作系统创建一个进程时，判断新创建进程的进程优先级是否大于或等于当前所有进程状态为运行态进程的进程优先级的平均值，如果是，则计算新创建进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据和预读文件中的所有数据的数据命中度；
S400：如果预读文件中不存在有数据命中度大于或等于命中阈值的数据，则将新创建进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据添加到预读文件的数据段序列中；
S500：从0到31的进程优先级开始执行相应进程优先级的进程，每个进程读取其进程与预读文件的数据命中度的值最大的数据；
在S100中，当预读文件没有数据时，直接将新创建进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据添加到预读文件的数据段序列中。
2.根据权利要求1所述的一种工业实时操作系统的进程调度方法，其特征在于，在S200中，所述进程包括BSS段、数据段、代码段、堆、栈；所述BSS段是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域；所述数据段是指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域；所述代码段是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。
3.根据权利要求1所述的一种工业实时操作系统的进程调度方法，其特征在于，在S300中，所述进程的堆栈包括堆和栈，其中，所述堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段，其大小并不固定，可动态扩张或缩减；所述栈又称堆栈，是用户存放程序临时创建的局部变量，在函数被调用时，其参数会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也会被存放回栈中。
4.根据权利要求1所述的一种工业实时操作系统的进程调度方法，其特征在于，在S300中，所述进程优先级的取值范围为[0,31]；进程优先级值越小表示进程优先级越高，进程优先级值越大表示进程优先级越低。
5.根据权利要求1所述的一种工业实时操作系统的进程调度方法，其特征在于，在S300中，计算所述进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据和预读文件中的所有数据的数据命中度的方法为：
S301：从所述进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据提取前N位二进制数作为第一对比序列；N的取值范围为[50,1000]；
S302：分别从预读文件中的各个数据中提取前N位二进制数作为多个第二对比序列；
S303：计算第一对比序列与各个第二对比序列的数据命中度；
计算数据命中度H的公式为：
其中；Fi和Si分别代表第一对比序列和第二对比序列的前i位二进制数，i的取值范围为[1,N]。
6.一种工业实时操作系统的进程调度系统，其特征在于，所述系统包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：
预读文件单元，用于在操作系统的proc文件系统中创建一个文件作为预读文件，所述预读文件包括用于存储多个进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据段序列，所述数据段序列为由按照进程的堆栈中的被动态分配的内存段的数据添加到序列中的先后顺序组成的数据的队列；
进程预读单元，用于在当操作系统新创建一个进程时执行进程预选单元与数据段序列单元，当没有新创建的进程时转到进程执行单元；
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