近年来,嵌入式实时系统的应用已经广泛渗透到家电、工业控制、汽车、火车、航空航天等各个行业。一方面,许多原来由机械和液压完成的功能逐步被电子系统取代,各种控制系统电气化程度不断提高,另一方面,人们对系统的安全性、舒适性等功能和性能的要求越来越高。这些变化要求实时系统提供更加强大的计算能力,因此,实时系统的处理器向多核方向发展,且处理器的数量急剧增长。这就对实时系统的通信机制提出了越来越严苛的要求。本文对实时系统通信机制进行了探索和研究,并对多核任务间通信机制和实时通信网络进行了设计和优化,主要研究内容包括以下四个方面:(1)多核嵌入式实时系统任务间通信机制研究在实时系统中,任务在访问共享变量时,需要采用通信机制来保证访问的互斥性。多核体系结构本身具有高性能、低功耗等多种优势,其在实时系统领域的应用越来越广泛。由于多核结构的分布式特性,通信机制的设计变得更加复杂。目前,针对多核结构的通信机制主要包括锁机制和无等待机制两大类,然而,这两类机制在存储开销和系统可调度性方面各有优劣,无法兼顾两个指标。本文提出了一种新颖的弹性多处理器通信机制(FMCS),该机制通过一种我们提出的启发式优化算法为每个共享变量分配其最适用的通信策略和冲突处理策略,具有存储开销低和系统可调度性好的优势。FMCS机制给出了每个任务在最坏情况下的响应时间计算公式,从而能够对实时系统进行确定性的时间分析。通过实验验证,结果表明:FMCS能够在保证系统可调度性的前提下大幅度降低存储开销,且当系统利用率达到90%以上时,使用FMCS机制仍能保证系统可调度,因而FMCS具有较高的可扩展性。(2)实时通信网络的消息部署研究实时系统用于实现控制任务时,控制路径的延迟大小对控制精度影响重大,因此,要达到较高的控制精度就必须将实时系统控制路径的延迟控制在一定范围内。在基于模型的开发中,系统的延迟属性可通过对功能模型进行仿真和模型检验来提前验证。为了确保最终部署的系统仍保持系统需要的属性,在任务和通信消息实现时需要保证模型的延迟属性不变。但是,在某些情况下,完全保证模型的延迟属性不变是不可能做到的,此时,需要在模型中增加通信延迟,并重新修改模型,进行迭代设计。消息部署的延迟在模型延迟属性中占据相当大的比重,然而,目前对于基于模型开发过程中的消息部署问题的研究还十分缺乏。本文建立了一种新颖的低延迟消息部署模型(LLMD),该模型是一种基于时间触发通信机制Flex Ray调度问题的数学模型,能够在保证普通路径的延迟时限和系统的可调度性的前提下,在关键控制路径中引入尽可能少的单位延迟。最后,本文利用一个X-by-wire实例和一个主动安全实例对该模型进行了实验验证,结果表明:该模型能够在有限时间内找到消息部署优化方案,且该方案在满足系统可调度性的前提下会尽可能少的引入额外延迟。(3)实时通信网络安全机制研究随着航空电子、汽车电子等系统中联网设备的增加和电气化程度的提高,系统的可访问性急剧上升,这导致实时通信网络面临一系列严重的安全隐患。本文提出了SSS机制——一种用于实时通信网络的智能安全机制,该安全机制能够有效抵御伪造和篡改攻击,大大提高了通信系统的安全性,并允许在负载较轻的处理器上以软件方式代替原本由硬件实现的安全相关操作(签名、认证、密钥生成等),能够显著降低硬件开销。本文提出了SSS机制的优化设计模型,该模型在保证通信安全性和系统可调度性的前提下,合理安排消息、密钥和任务的调度,尽可能少的引入硬件单元,显著降低了实现成本;该模型提供多种安全级别,支持设计人员根据通信系统负载选择最佳安全级别。最后,我们使用两个工业实例对提出的SSS机制进行了实验验证,结果发现:SSS机制能够在有限的时间内找到优化方案,且与现有的Flex Ray安全机制相比,能够大大降低硬件开销。(4)实时通信网络的可扩展性研究随着嵌入式系统功能的不断增加和性能的迅速提高,实时系统中的任务越来越多,任务间的通信数据急剧增加,从而对通信网络的可扩展性提出了更高的要求。本文提出了一种高可扩展实时通信网络结构HSRN。HSRN通过在Flex Ray通信系统中引入交换机将通信系统分割成多个分支(branch),有效隔离了广播域,从而大大提高了通信系统的可扩展性。HSRN中的交换机采用了一种我们设计的消息可缓存交换结构,该交换结构允许跨分支通信消息在发送端和接收端的不同位置时间槽上传输,且即使出现两个分支的消息同时发向一个目标分支的冲突情况,也可通过输入端的缓冲队列来解决冲突,从而放松了调度约束,允许通信网络容纳更多的消息,提高了网络利用率。为了提高HSRN中各分支负载的均衡性,本文提出了一种负载均衡优化算法,该算法能够在有限时间内找到最为合理的网络分割方案,使得最大负载分支使用尽可能少的时间槽,从而保证了HSRN各分支的负载均衡,提高了实时通信网络的可扩展性。本文通过X-by-wire案例和一个合成案例对HSRN进行了实验验证,结果表明:HSRN能够在时间槽使用总数、负载均衡和交换结构最小缓存配置之间进行很好的优化,在满足网络容量的同时兼顾了负载均衡,从而具有非常高的可扩展性。综上,本文对实时系统通信机制的若干问题进行了研究,从不同角度对通信机制进行了设计和优化,提出了一系列的模型和优化设计方法,对推动实时系统通信机制的发展做出了积极的贡献,具有一定的理论意义和应用价值。