This paper presents CARTOS, a charging-aware real-time operating system designed to enhance the functionality of intermittently-powered batteryless devices (IPDs) for various Internet of Things (IoT) applications. While IPDs offer significant advantages such as extended lifespan and operability in extreme environments, they pose unique challenges, including the need to ensure forward progress of program execution amidst variable energy availability and maintaining reliable real-time time behavior during power disruptions. To address these challenges, CARTOS introduces a mixed-preemption scheduling model that classifies tasks into computational and peripheral tasks, and ensures their efficient and timely execution by adopting just-in-time checkpointing for divisible computation tasks and uninterrupted execution for indivisible peripheral tasks. CARTOS also supports processing chains of tasks with precedence constraints and adapts its scheduling in response to environmental changes to offer continuous execution under diverse conditions. CARTOS is implemented with new APIs and components added to FreeRTOS but is designed for portability to other embedded RTOSs. Through real hardware experiments and simulations, CARTOS exhibits superior performance over state-of-the-art methods, demonstrating that it can serve as a practical platform for developing resilient, real-time sensing applications on IPDs.


翻译:本文提出CARTOS,一种充电感知实时操作系统,旨在增强间歇供电无电池设备在各种物联网应用中的功能。尽管IPDs具有延长使用寿命和在极端环境下运行等显著优势,但它们也带来了独特的挑战,包括需要在能量可用性变化的情况下确保程序执行的前向进展,以及在电源中断期间保持可靠的实时时间行为。为应对这些挑战,CARTOS引入了一种混合抢占调度模型,将任务分为计算任务和外围任务,并通过采用可分割计算任务的即时检查点技术和不可分割外围任务的无中断执行,确保任务高效及时地完成。CARTOS还支持处理具有优先约束的任务链,并根据环境变化调整调度策略,以在不同条件下提供连续执行。CARTOS通过在FreeRTOS中添加新的API和组件实现,但设计上可移植到其他嵌入式RTOS。通过实际硬件实验和仿真,CARTOS展现出优于现有方法的性能,表明其可作为在IPDs上开发弹性实时传感应用的实用平台。

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