（計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)論文）現(xiàn)場級硬實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法研究與實(shí)現(xiàn).pdf

現(xiàn)場級硬蜜時(shí)以太網(wǎng)調(diào)度算法研究與應(yīng)用 中文攮要 隨蓑?qū)崟r(shí)詩髯懿功熊囂鎣強(qiáng)大，應(yīng)鞠藏本懿簿低，實(shí)瓣計(jì)箕技本，。泛瘟爰予 航空航天、核電能源、工業(yè)過程控制、軍事指揮控制、火炮自動(dòng)控制等多任務(wù)實(shí) 瓣暴統(tǒng)。特弱囊予實(shí)對詩簍菝術(shù)及詩算楓弱終技術(shù)載笈鼴，魂場蕊線羧爨系統(tǒng) f f c s ) 在實(shí)際生產(chǎn)中陸續(xù)得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)場總線作為控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)數(shù)字通 馕鹱系緞學(xué)，把輿毒逶揍能力粒瀏控議表作為霹終節(jié)點(diǎn)，連接或開羧式、數(shù)字純、 多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)，并通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接為控制系統(tǒng)。假由于各種原因， 鎊廠商的現(xiàn)場總線設(shè)備嫩戳在不閹的f c s 中兼容，焉f c s 的沓寬較竄，在關(guān)鍵 場合下無法滿足綏時(shí)數(shù)掇傳輸控制要求。隨著f c s 的深入應(yīng)用，用戶對現(xiàn)代工 業(yè)控制軟件的互操作性、繁寬、饞輸距離、冗余能力、可靠性彝瞧份比的要求越 采越強(qiáng)烈。以太網(wǎng)以其鰳有一系剮優(yōu)點(diǎn)在非實(shí)時(shí)兩絡(luò)中樽到廣泛應(yīng)用。饞是以太 嘲采用c s m a c d 技術(shù)和指數(shù)回退機(jī)制就決定其不能應(yīng)照于硬實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。但是， 硬實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與國防需要的發(fā)展迫切需要其發(fā)腥，由于 這兩方霹的原因，需要研究在以太網(wǎng)為底層物理網(wǎng)絡(luò)綦礎(chǔ)之上的硬實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)，特剽是研究與實(shí)對後相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)發(fā)技術(shù)龍為重要。 論文對硬實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的閼絡(luò)調(diào)發(fā)算法進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的分析，認(rèn)為當(dāng) 靜調(diào)度算法所蟊滴靜主要聞?lì)}是：l 、楚遴器稀麗率低：2 、不能支持動(dòng)態(tài)變化的 周期任勢；3 、對非周期任務(wù)處濺低效；4 、不能預(yù)測任務(wù)計(jì)算的成功性；5 、瞬 葬雪逮載黲菲確定健。贊對上述游題，在本論文中，作者巍原有斡知識基穡上，掇 出現(xiàn)場級硬實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)調(diào)魔理論，特別是現(xiàn)場級硬實(shí)時(shí)理論中具有蹩要意義的網(wǎng)絡(luò) 調(diào)凄技術(shù)。透過建立鵝終調(diào)度模黧，撬窶一釋薪燮瓣絡(luò)調(diào)發(fā)透信梳嗣勞給予實(shí)褒， 在解決原有問題上具有最著的效果。 在聯(lián)場綴硬實(shí)露弼終逮售譎嶷軟鋅載沒詩稻實(shí)現(xiàn)中，萊爰較籜方法在磺實(shí)時(shí) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中實(shí)現(xiàn)了基于以太網(wǎng)之上的協(xié)議網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的總線表、節(jié)點(diǎn)表、輸入輸出 遽傣表等琵置表，戳實(shí)瑰實(shí)懟翻絡(luò)數(shù)據(jù)攙送夔實(shí)辯縫秘霹靠蛙； 此外，介紹了軟件測試的一般方法年口實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度軟件測試的測試環(huán) 境、測試結(jié)果和測試分掇。 最后作者對所做的工作進(jìn)行了總結(jié)和展望。 關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線實(shí)時(shí)調(diào)度總線表實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 一 銎塑鏨堡塞墮基查塑塑壁篷堡翌壅童窯望 a b s t r a c t f u n c t i o n so fr e a l t i m ec o m p u t i n ga r ev e r yp o w e r f u l ，i ti sw i d e l ya p p l i e d t o a v i a t i o n ，s p a c e f l i g h t ，n u c l e a rp o w e re n e r g ys o u r c e s ，i n d u s t r yc o n t r o l ，m i l i t a r y a f f a i r sc o m m a n dc o n t r o l ，a r t i l l e r ya u t oc o n t r o la n ds oo n 。e s p e c i a l l yb e c a u s eo f d e v e l o p m e n to fr e a l - t i m ec o m p u t i n ga n dc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y ，f i e l db u s c o n t r o l l i n gs y s t e m sc o n t i n u et ob ea p p l i e d8 tp r a c t i c e f i e l db u s e s a r et h el i n ka m o n g d i g i t a l c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t c o n t r o l l i n ge q u i p m e n t sa r el i n k e d t o g e t h e r t o b e c o m eo p e nd i g i t a la n dm u t t i c a s tc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l i n gl o c a ln e t w o r kb yt h e w a y o f f i e l db u s ，a n da r el i n k e dt ob e c o m e c o n t r o l l i n gs y s t e mb yt h ew a y o f n e t w o r k n o d e b e c a u s eo fa l lk i n d so fr e a s o n s ，f i e l db u sc o n t r o l l l i n ge q u i p m e n t so fm a n y f a c t o r i e sa r e n tc o m p a t i b l ea n dt h e i rb a n d w i d t hi sa l s on a r r o w a tt h es a m et i m e ，f i e l d b u sa l s oc a nn o tm e e tr e q u i r eo fr e a lt i m ec o m m u n i c a t i o nt r a n s m i t s s i o nc o n t r o l l i n g ， w i t hd e e p l yb e i n ga p p l i e d ，t h eu s e rb r i n g sf o r w a r de a g e rr e q u i r e sw i t ho p e r a t o r , b a n d w i d t h 。t r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，f a u l tt o l e r a n c e ，r e l i a b i l i t ya n dp r i c eo fm o d e m i n d u s t r yc o n t r o l l i n gs o f t w a r e 。i ti sw i d e l ya p p l i e db e c a u s ee t h e m e th a v eas e r i e so f a d v a n t a g e si nn o nr e a l t i m en e t w o r k b u ti t c a nn o tb ea p p l i e dt or e a l t i m en e t w o r k b e c a u s ee t h e r n e ta d o p tc s m a c d t e c h n o l o g y a n de x p o n e n t i a l i n c r e a s i n gm e c h a n i s m b u th a r dr e a l t i m en e t w o r k sa r e r e q u i r e d t ob e d e v e l o p e d b e c a u s eo fs o c i a l d e v e l o p m e n ta n dr e q u i r e m e n to f n a t i o n a ld e f e n s e s ot h er e s e a r c h e r sw o r ka tr e s e a r c h o f h a r dr e a l - t i m en e t w o r k t e c h n o l o g yb a s e do nb o s o m e t h e m e t ， i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o r b r i n g sf o r w a r d t h et h e o r yo f f i e l dh a r dr e a l - t i m ee t h e r n e t b a s e do no r i g i n a l k n o w l e d g ea n dt h e o r ye s p e c i a l l y , t h ea u t h o rr e a l i z e sn e t w o r k s c h e d u l i n ga l g o r i t h m i nf i e l dh a r dr e a l t i m et h e o r y t h ca u t h o rr o u n d l ya n a l y z e sn e t w o r ks c h e d u l i n g a l g o r i t h mo fh a r dr e a l ，t i m e n e t w o r ki nt h i sp a p e ra n dt h i n k sp r e s e n ta l g o r i t h mh a v eas e r i e so f s h o r t c o m i n g 。f o r e x a m p l e ，t h ef i r s ti sl o wu t i l i z a t i o no fc p u 。t h es e c o n di st h a ti tc a r ln o th o l do u t d y n a m i cc h a n g i n gp e r i o dt a s k ，t h et h i r di st h el o we f f i c e n c ew h i l ep r o c e s s i n g n o n - p e r i o dt a s k ，t h ef o u r t hi st h a ti ti s n tp r e d i c t i b a l ew h e t h e rt h et a s kc o m p u t i n gi s s u c c e s s f u l ，t h ef i f t hi sn o tc o n f i r m a t i o no fi n s t a n t a n e o u so v e r l o a d 。t h u st h ea u t h o r p u t sf o r w a r dan e wn e t w o r ks c h e d u l i n gc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mb ye s t a b l i s h i n g n e t w o r ks c h e d u l i n gm o d e la n dt h i sm e c h a n i s mh a v eb e e n a p p r o v e dt ob ee f f e c t i v ea t s o l v i n go r i g i h a lq u e 堿o i l 1 1 現(xiàn)場級硬實(shí)時(shí)以太網(wǎng)調(diào)度算法研究與應(yīng)用 t oi m p r o v ep r e d i c t a b l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fh a r dr e a l t i m ee t h e m e t ，t h ea u t h o r r e a l i z e sb u ss c h e d u l i n gt a b l e n o d et a b l ea n di 0c o m m u n i c a t i o nt a b l e o fh a r d r e a l t i m en e t w o r k p r o t o c o lb a s e d o ne t h e r n e t b y s o f t w a r e sm e t h o d f i n a l l y ，t h e a u 也o ri n t r o d u c e st e s t se n v i r o n m e n t ，m e t h o da n dr e s u l to ft h e r e a l t i m en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s c h e d u l i n g s o f t w a r e i nt h e e n d ，t h e a u t h o r s u m m a r i z e sa n d p r o s d e c t sh i sw o r k k e yw o r d s ：r e a l t i m en e t w o r k | f i e l db u s ir e a l - t i m e s c h e d u l i n g fb u s s c h e d u l i n g t a b l e | r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m i 猿劊性聲盟 本人聲銹簧羹交鯪學(xué)位論文是本人在導(dǎo)簿捂導(dǎo)下遴行麴研究工 作及淑得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地 方外，論文中不包含其他人己綴發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含 秀獲犖霉電子冪車技大學(xué)或藜它教育瓣穩(wěn)瓣擎蕊藏證書兩使禳過藤材料。 與我一露工律魏越恚對本磺究勰教戇任囂貢獻(xiàn)均恐在途文孛搏了臻 確的說明并表示謝意。 簽褒： # 西熬：盛一年羹篾l 鑫 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)謝關(guān)保留、使用學(xué)位論文 的黼定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁 盎，允許論文被套闋窺嵇滿。本人授蔽電子科技大攀可戳將學(xué)毽論文 豹全酆或郝分起容壤入餐關(guān)數(shù)撼庫進(jìn)行撿索，可以聚熙影印、縮印戲 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保鬻的學(xué)位論文程解密耩應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名： 墨塹璧絲塞墅整奎壁塑塞整鎏堡莖蘭壟望 1 。1 實(shí)時(shí)系統(tǒng) 第一章緒論 。 。 實(shí)時(shí)系統(tǒng)及其特征 目前，對于實(shí)時(shí)系統(tǒng)( r e a lt i m es y s t e m s ，r t s ) 存在著不同的定義，但不同 靜鬣義均楚閨繞“囂寸聞”靜蓬要往灝開，弱確指出“對聞”是一靜藏要資源。院 如，在權(quán)威計(jì)算機(jī)詞典中給出的定義為：實(shí)時(shí)系統(tǒng)怒指系統(tǒng)輸出的產(chǎn)生時(shí)間具有 決定性意義豹系統(tǒng)，這是霞為系統(tǒng)豹輸入米鑫耪理鍵賽翡蘩個(gè)動(dòng) 睪， 悉輸漱是對 該動(dòng)作的響應(yīng)，且輸入輸出的延遲時(shí)間必須小于某個(gè)確定的時(shí)間間隔。而r a n d e l l 在爨蠢確定冒嘉經(jīng)詩算輟系統(tǒng)詩戴中繪篷懿定義粥為：實(shí)時(shí)系統(tǒng)是 器必簇在媛定 的運(yùn)行環(huán)境和時(shí)間范圍內(nèi)正確響應(yīng)環(huán)境激勵(lì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 壺上述定義霹栽，實(shí)時(shí)系統(tǒng)簸爨縫票戇歪確瞧不僅取決予詩霧澎或豹邋輯結(jié) 果，而且也取決于結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間。除此，實(shí)時(shí)系統(tǒng)也不怒一個(gè)自封閉的系統(tǒng)， 它溪過接受終罄巧壤懿轅入，著按照一定懿規(guī)到對買進(jìn)廳楚理，產(chǎn)生輸密以穗應(yīng) 外部環(huán)境的激勵(lì)行為。工程實(shí)際中，實(shí)時(shí)系統(tǒng)往往被嵌入在一個(gè)更大的應(yīng)用系統(tǒng) 中，作為控制子系緩藤運(yùn)行。毽攏，實(shí)時(shí)系統(tǒng)又囂鬻被形象地稼為嵌入式焱絞。 實(shí)時(shí)系統(tǒng)這一鎖域的基本特征怒實(shí)時(shí)操作模式。實(shí)時(shí)操作模式鼴指：在計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，用于處理從鄉(xiāng) 部到達(dá)麴數(shù)據(jù)的程序總是處于就緒狀態(tài)，這樣黧在使 程j 摯的運(yùn)行在確定的時(shí)間范圍內(nèi)產(chǎn)生。實(shí)時(shí)操作引入了時(shí)間特性，因此有別于其 它數(shù)據(jù)處理澎式。棚應(yīng)地，災(zāi)時(shí)系絞也就與其它普逐的應(yīng)用系統(tǒng)存根大差別。一 個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常應(yīng)輿有以下幾個(gè)特征： 1 ) 可預(yù)測性( p r e d i c t a b i l i t y ) ：所謂可預(yù)測性是指系統(tǒng)所執(zhí)行的操作按預(yù)先 定義或確定的方式執(zhí)行，且菸操律執(zhí)行的拜寸閫是可預(yù)知的。這一點(diǎn)建實(shí)時(shí)系統(tǒng)最 重要的特征?？深A(yù)測性將應(yīng)用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)環(huán)境的每一個(gè)組成部分，只有這樣，這 個(gè)環(huán)境才畿提供一定程凌酌可預(yù)測襤，實(shí)辯系統(tǒng)韻斑用頒域十分廣泛，不湖的應(yīng) 用對時(shí)間可預(yù)測性的要求是不同的?；谶@種考慮，可以將實(shí)時(shí)系統(tǒng)分為硬實(shí)時(shí) 系統(tǒng)( h a r d r e a l t i m es y s t e m ，h r t s ) 幫軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)( s o f t r e a l t i m es y s t e m ，s r t s ) 兩種。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)用以描述響應(yīng)時(shí)間要求極其嚴(yán)格的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中， 若輸出由予不髓灞怒確應(yīng)辯淘確定性豹要求麗疆教弈，系統(tǒng)酶正確穗將受到嚴(yán)重 影響，如發(fā)生災(zāi)難性事故。相反，在軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，只要響應(yīng)時(shí)間超出確寇的時(shí) 瘸藏霞瓣聯(lián)率低予菜一闔毯，弱不彩嫡系統(tǒng)懿歪確瞧。 2 ) 及時(shí)性( t i m e l i n e s s ) ：實(shí)時(shí)t 暾用不同于非實(shí)時(shí)應(yīng)用在于它們的操作典有嚴(yán) 格豹對蔽( d e a d l i n e ) ，幫實(shí)囂李活魂疲在規(guī)定瞧對鞭之蓊競袋，否簍l 褥有不躺嚴(yán)重 現(xiàn)場級硬實(shí)時(shí)以太啊調(diào)度算法研究與應(yīng)用 程度的結(jié)果發(fā)生。 3 ) 并發(fā)性( s i m u l a n e o u s n e s s ) ：所謂并發(fā)性是指實(shí)時(shí)系統(tǒng)能夠在規(guī)定時(shí)間段 內(nèi)處理多個(gè)外部過程請求，這意味著實(shí)時(shí)系統(tǒng)本質(zhì)上是分布的，并且必須提供并 行處理能力。 4 ) 用戶的可控性：用戶的可控性表示用戶對系統(tǒng)的行為具有有效的控制( 改 造) 能力。從而控制應(yīng)用的響應(yīng)時(shí)間。除此外，也可以選擇調(diào)度策略、資源分配 策略等。與非實(shí)時(shí)系統(tǒng)比較，實(shí)時(shí)系統(tǒng)讓用戶從較低層次進(jìn)行更多的干預(yù)。 5 ) 任務(wù)的定向性：這一特征主要針對分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。任務(wù)定向表示整個(gè) 分布式系統(tǒng)通過一個(gè)或多個(gè)分布在不同節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用程序相互合作，專用于完成一 個(gè)特定的目標(biāo)。從實(shí)時(shí)意義講，任務(wù)的定向性表示任務(wù)的成功程度依賴于整個(gè)系 統(tǒng)所獲得的實(shí)時(shí)約束有關(guān)的信息。所以，當(dāng)一個(gè)任務(wù)跨越不同的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，任務(wù)相 關(guān)的優(yōu)先級或時(shí)限應(yīng)能在系統(tǒng)中傳遞，以便解決整個(gè)系統(tǒng)資源競爭問題。 實(shí)時(shí)調(diào)度算法是保證實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有以上特征的基本手段。實(shí)時(shí)調(diào)度算法根據(jù) 調(diào)度策略為并發(fā)的外部輸入確定處理順序，并按照該順序?yàn)槊恳粋€(gè)處理操作分配 系統(tǒng)資源。實(shí)時(shí)調(diào)度算法的另一個(gè)主要功能是根據(jù)可調(diào)度條件確定系統(tǒng)現(xiàn)有資源 是否滿足處理操作的時(shí)間確定性。與通用調(diào)度算法不同，實(shí)時(shí)調(diào)度算法首先保證 所有就緒處理操作均能在規(guī)定的時(shí)限前結(jié)束，其次才是盡可能多地處理外部事件 以提高系統(tǒng)的資源利用率。如何在保證時(shí)間確定性的前提下提高系統(tǒng)資源利用率 是實(shí)時(shí)調(diào)度算法研究的熱點(diǎn)問題。 1 1 2 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn) 實(shí)時(shí)系統(tǒng)作為核心控制部件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)，其典型的系統(tǒng)組成 結(jié)構(gòu)如圖l 一1 所示，通常依靠傳感器獲得系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，或者通過人機(jī)界面接受 指令，運(yùn)行相應(yīng)的控制算法，在確定的時(shí)間范圍內(nèi)獲得控制指令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器改 變系統(tǒng)狀態(tài)，以滿足用戶需要。 翌堡望矍塞墮墊奎壁塑壅蘭壟望塞量生堡。 一 母 麓 賽 離 圖1 一l 實(shí)時(shí)系統(tǒng)組成 由予鑫囂領(lǐng)域懿特豫經(jīng)，實(shí)辯系統(tǒng)努須買冬特臻豹溪性。蕙斃，窶辯系統(tǒng)磐 須具有良好的時(shí)間確定性和可預(yù)測性。時(shí)間確定性保證嶷時(shí)系統(tǒng)能夠在規(guī)定的時(shí) 闐范圍內(nèi)獲褥委確熬竣爨，可羰溺牲攝證窶射系統(tǒng)在任 莓狀態(tài)”f 戇萼亍為是可熬 的，進(jìn)而保證系統(tǒng)是可控的。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間粒度較小，可以保證系統(tǒng)具有更快 靛璃盛辯閩和更離懿控豫l 精度。實(shí)對系絞必須支跨蒡發(fā)操作，以便在霹封段肉 處理不同的外部輸入，控制不同的外部設(shè)備。實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須具有較高的可靠性和 安全性，毽為越來越多關(guān)鍵經(jīng)務(wù)系統(tǒng)是以實(shí)耐系統(tǒng)戈核一心構(gòu)建豹。鞋= | 予實(shí)辯系絞 的控制對象在不斷變化，用戶的功能和性能的要求在不斷提高，實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須具 有良好的可維護(hù)性和可升級性。 1 1 3 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的體系緒構(gòu) 實(shí)時(shí)系統(tǒng)由硬件平靜及運(yùn)行在其上的軟件構(gòu)成。如果說硬件平臺(tái)是實(shí)時(shí)系統(tǒng) 的物履藜礎(chǔ)，軟傳則是賽霹系繞上層建筑。硬傳平臺(tái)熬逡葵、存譴移透信毯力決 定了硬件平臺(tái)能夠支持何種類型的軟件，而軟件的質(zhì)量限制硬件性能的發(fā)揮。 蟊翦，實(shí)時(shí)系統(tǒng)大都采用標(biāo)準(zhǔn)純韻磺 孛平臺(tái)、囊題實(shí)對操摻系統(tǒng)、籬綴程垮 設(shè)計(jì)語裔及編稷工具、標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)通信協(xié)議、商用軟件工具和商用c a s e 工具等 構(gòu)建實(shí)融應(yīng)用軟件的開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。瞧是，邋照硬 牛和軟件平臺(tái)為強(qiáng)諼其通用 性，往譙無法滿足系統(tǒng)威用的特殊要求，因此實(shí)時(shí)系統(tǒng)怒按照用戶的需求設(shè)計(jì)的 專門軟硬件系統(tǒng)。如果利用現(xiàn)成的商用模塊構(gòu)建實(shí)對應(yīng)用，將大大降低開發(fā)成本， 琥已被一些較為簡單的實(shí)時(shí)系統(tǒng)采用。 隨糟對面向?qū)ο蠹夹g(shù)、分布斌計(jì)算茅珀開放系纜的研究和實(shí)踐，利用逯行于勇 槁平臺(tái)上的現(xiàn)成商甩實(shí)時(shí)對象鞫建實(shí)時(shí)應(yīng)用，已成為目前實(shí)時(shí)系統(tǒng)的重娶研究方 向?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，個(gè)典型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)將憋開放的，出大攝標(biāo)準(zhǔn)的 一一翌塑堡堡壅墮墜奎墮塑窒蔓鯊里 塑蘭壁旦一 組件構(gòu)成。但是，實(shí)時(shí)系統(tǒng)仍需要定制部分專門組件以完成某些特定功能。 1 1 4 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的核心部件，是實(shí)時(shí)軟件的基石。實(shí)時(shí)應(yīng)用通過實(shí) 時(shí)操作系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)編程接口獲得實(shí)時(shí)系統(tǒng)提供的各種服務(wù)，而無需考慮服務(wù) 實(shí)現(xiàn)的具體方式。如圖i - 2 所示，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 是應(yīng)用程序與目標(biāo)硬件之間的橋梁。同時(shí)，大量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用組件運(yùn)行于實(shí)時(shí)操作系 統(tǒng)之上，供應(yīng)用程序調(diào)用，如網(wǎng)絡(luò)組件、文件系統(tǒng)、g u i 和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等。 圖1 - 2 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 目前，主流實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)均采用系統(tǒng)層次化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法。如圖l - 3 所示，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用編程接口為實(shí)時(shí)應(yīng)用提供服務(wù)，而服務(wù)由實(shí) 時(shí)操作系統(tǒng)的核心代碼實(shí)現(xiàn)。利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的服務(wù)，可以將復(fù)雜的實(shí)對 應(yīng)用分解為多個(gè)可控制的、相互獨(dú)立的、并發(fā)執(zhí)行的過程或任務(wù)。核心代碼實(shí)現(xiàn) 的主要服務(wù)包括：系統(tǒng)初試化、任務(wù)管理、通信管理、內(nèi)存管理、i o 管理、中 斷管理和時(shí)間管理。不同的任務(wù)由不同的模塊實(shí)現(xiàn)，通過函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)相互調(diào)用， 降低模塊間的耦合程度。硬件抽象層實(shí)現(xiàn)芯片相關(guān)操作。針對不同的芯片族，硬 件抽象層的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)不同，但與核心代碼的接口是一致的，其主要目的是方便實(shí) 時(shí)操作系統(tǒng)在不同芯片族間的移植。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)利用板極支持包( b s p ) 驅(qū)動(dòng) 其目標(biāo)板的硬件電路，不同的目標(biāo)板需要不同的b s p 。 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的應(yīng)用編程接口 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的核心代碼 硬件抽象層和板級支持包 圖1 3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 4 現(xiàn)場級硬實(shí)時(shí)阱太網(wǎng)調(diào)度算法研究與應(yīng)用 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的各種服務(wù)，乃至每一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)的運(yùn)行，都應(yīng)該具有良 好的時(shí)間確定性，否則實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間確定性就是空中花園。實(shí)時(shí)任務(wù)資源競爭 造成的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是影響時(shí)間確定性的主要因素，優(yōu)先級繼承和優(yōu)先級天花板協(xié) 議是解決這一問題的主要方法。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有小粒度，高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘及 相關(guān)時(shí)間服務(wù)，以保證實(shí)時(shí)系統(tǒng)對外部服務(wù)請求響應(yīng)的時(shí)間精確性。由于許多實(shí) 時(shí)操作系統(tǒng)要求長時(shí)間的持續(xù)工作，如核電控制系統(tǒng)，因此實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要支 持在線維護(hù)和在線升級。典型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)包括v x w o r k s 、p s o s 、s p r i n g 、 m a r s 和c r t o s 等。 由于本地和異地資源競爭、底層網(wǎng)絡(luò)通信的延遲和不同處理器間運(yùn)行速度的 差異，為保證分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間確定性，除分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須提供分 布式實(shí)時(shí)任務(wù)同步機(jī)制外，還必須依靠可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，具有確定性的可靠的通 信協(xié)議，以及合理安排各節(jié)點(diǎn)間的工作負(fù)載。為使實(shí)時(shí)應(yīng)用采用一致的方式實(shí)現(xiàn) 獲得本地服務(wù)支持和遠(yuǎn)程服務(wù)支持，分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的服務(wù)必須具有透 明性，即任務(wù)在請求服務(wù)支持時(shí)無需考慮提供任務(wù)的節(jié)點(diǎn)的物理位置。目前，主 流實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)均支持分布式計(jì)算。 與主流實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)不同，相對基于微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)采用 c l i e n t s e r v e r 的概念，在操作系統(tǒng)核心代碼中僅實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理、中斷管理和進(jìn)程 通信管理等少數(shù)核心系統(tǒng)功能，其余系統(tǒng)功能分別以服務(wù)器的方式實(shí)現(xiàn)，與實(shí)時(shí) 應(yīng)用一起運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上。實(shí)時(shí)應(yīng)用采用消息通信機(jī)制，通過微內(nèi)核與服務(wù) 器進(jìn)行交互。微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要是為適應(yīng)新的硬件體制( 多處理器和并行 系統(tǒng)) 、新的應(yīng)用需求( 分布式實(shí)時(shí)計(jì)算) 和新的程序設(shè)計(jì)方法( 面向?qū)ο蠛投?線程) 而出現(xiàn)的。與主流實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比，微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有更好的可 靠性、靈活性、可擴(kuò)展性和可移植性，對分布式實(shí)時(shí)計(jì)算具有更好的支持，適合 面向?qū)ο髮?shí)時(shí)系統(tǒng)。 微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)面對的最大問題是性能，而影響性能的主要原因是通信 機(jī)制和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。消息通信的時(shí)間延遲遠(yuǎn)大于直接系統(tǒng)調(diào)用，因此，優(yōu)化消息通 信機(jī)制，或引入新的通信方式是很有必要的。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，客戶和服務(wù)器間 頻繁的任務(wù)切換帶來很大的系統(tǒng)開銷，因此，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理地分配系統(tǒng)功 能，根據(jù)具體應(yīng)用調(diào)整系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方式，均有利于改善系統(tǒng)性能。常見的微 內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)包括q n x 、r t - m m a c h 和c h r o u s 等。 現(xiàn)場級硬實(shí)時(shí)以太網(wǎng)調(diào)度算法研究與應(yīng)用 1 2 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展動(dòng)態(tài) 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)是分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的重要組成部分。與實(shí)時(shí)系統(tǒng)一樣，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)也 要求具有實(shí)時(shí)性和可靠性。 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)近年發(fā)展很快，應(yīng)用范圍也非常廣泛。在軍事領(lǐng)域，最著名的是美 國國防部1 9 7 3 年頒布的m i l s t d 一1 5 5 3 飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制命令響應(yīng)式多路傳輸數(shù) 據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)?；谠摌?biāo)準(zhǔn)( 及其擴(kuò)充標(biāo)準(zhǔn)如1 5 5 3 b ，1 7 7 3 ，3 9 1 0 等) 的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信 技術(shù)在美國及北大西洋公約組織各國被廣泛用于陸?？杖?。目前我軍航電系統(tǒng) 使用的1 5 5 3 b 總線網(wǎng)是我國自行研制生產(chǎn)的并在我國得到廣泛應(yīng)用的實(shí)時(shí)總線 標(biāo)準(zhǔn)。 在工業(yè)控制領(lǐng)域，分布式工控產(chǎn)品從采用簡單的r s 2 3 2 通信線路，到當(dāng)今性 能卓著的現(xiàn)場總線，經(jīng)過不斷更新?lián)Q代，可靠性和實(shí)時(shí)性得到極大的提高。目前， 比較流行的工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)有b i t b u s ，l o n w o r k s 和c a n 等。b i t b u s 是i n t e l 公 司于1 9 8 4 年推出的一種基于單片機(jī)8 0 4 4 ( 或8 3 4 4 ，8 7 4 4 ) 的高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)，適 合于構(gòu)成分層結(jié)構(gòu)的工業(yè)用分布式測控系統(tǒng)。l o n w o r k s 是美國e c h e l o n 公司于 1 9 9 2 年推出的局部操作網(wǎng)。最初主要用于樓宇自動(dòng)化，但很快發(fā)展到工業(yè)現(xiàn)場 網(wǎng)。它能為全分散式的現(xiàn)場設(shè)備設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可互操作的控制網(wǎng)絡(luò)提供一套完整、 開放、成品化的解決途徑。c a n 是德國b o s c h 公司8 0 年代初為解決現(xiàn)代汽車中 眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通行協(xié)議，特別適 合于工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連。 1 3 研究的目標(biāo)及意義 1 3 1 研究的目標(biāo) 由于微處理器及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，從8 0 年代中后期開始現(xiàn)場總線控制系 統(tǒng)( f c s ) 在實(shí)際生產(chǎn)中陸續(xù)得到應(yīng)用，現(xiàn)場總線作為控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信 聯(lián)系紐帶，把具有通信能力的測控儀表作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，連接成開放式、數(shù)字化、 多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)，并通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接為控制系統(tǒng)。但由于各種原因， 各廠商的現(xiàn)場總線設(shè)備難以在不同的f c s 中兼容，而且，f c s 的帶寬較窄，在 關(guān)鍵場合下無法滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸控制要求。隨著f c s 的深入應(yīng)用，用戶對現(xiàn) 代工業(yè)控制軟件的互操作性、帶寬、傳輸距離、冗余能力、可靠性和性價(jià)比的要 求越來越強(qiáng)烈。 以太網(wǎng)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：速度快( 目前有1 0 m b p s ，1 0 0 m b p s 和1 0 0 0 m b d s e t h e m e t ) ，協(xié)議簡單，成本低；集線器的應(yīng)用可以不考慮網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展；傳輸介質(zhì)可 6 墨墊絲堡窒墮堅(jiān)奎墮塑壁竺堡型塞皇生旦 以是雙較線、光纖、同電纜：可與i t 世界的t c p i p 技術(shù)應(yīng)用結(jié)合。于是人們提 出在現(xiàn)場控制中使用1 0 0 m b s 以太網(wǎng)為基礎(chǔ)建立現(xiàn)場總線的構(gòu)想?？梢灶A(yù)見現(xiàn)場 高速以太網(wǎng)將在我國新一代航電控制、核電站控制、高速列車控制、電廠、樓宇 監(jiān)控等過程控制中具有廣闊的應(yīng)用前景。 我省自9 0 年代開始將現(xiàn)場總線技術(shù)作為過程控制的主流技術(shù)，目前在實(shí)際 的過程控制中已普遍采用低速現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)僅在控制網(wǎng)絡(luò)的上層使用，現(xiàn)場 傳輸速度和距離一直受到限制。基于以上分析，本課題研究的高可靠現(xiàn)場級寬帶 以太網(wǎng)技術(shù)以期實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)： 研發(fā)出具有自主知識版權(quán)的、支持現(xiàn)場級應(yīng)用的、寬帶、高可靠的、硬 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信調(diào)度系統(tǒng) 培養(yǎng)過硬的基礎(chǔ)應(yīng)用開發(fā)隊(duì)伍，奠定現(xiàn)場總線調(diào)度長期發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ) 以我省乃至全國的市場和需求為導(dǎo)向，大力推廣應(yīng)用，取得可觀的經(jīng)濟(jì) 效益和深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。 1 3 2 研究的意義 理論價(jià)值現(xiàn)場級硬實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度研究與實(shí)現(xiàn)核心思想：通過對現(xiàn)場實(shí) 時(shí)通信業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，包括其實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)短，主要由周期消息和少量非周期消息 組成等分析，特別是對已有調(diào)度算法分類和總結(jié)，這些調(diào)度算法直接用于實(shí)時(shí)網(wǎng) 絡(luò)調(diào)度存在的問題深入研究，對多種硬實(shí)時(shí)高速以太網(wǎng)總線調(diào)度算法分析比較， 提出一種切實(shí)可行效率較高的現(xiàn)場級硬實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的思路和方案，并且給予了 代碼實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)目要完成的工作主要有：實(shí)現(xiàn)該調(diào)度算法，用戶的配置界面和使 用( 包括可視化的配置界面以及字符輸入界面) ，調(diào)度表輸出文件。 實(shí)際應(yīng)用意義在民用工業(yè)過程控制，軍事指揮控制，軍事火炮自動(dòng)控制 等應(yīng)用方面現(xiàn)場總線要求提供硬實(shí)時(shí)通信能力。它們在時(shí)間危急系統(tǒng)的終端傳遞 消息數(shù)據(jù)包，這些消息由多數(shù)周期消息和少量非周期消息組成。調(diào)度這些消息以 滿足其時(shí)限要求對現(xiàn)場級硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的正確執(zhí)行至關(guān)重要。本論文對主要周期消 息和非周期消息調(diào)度算法分析與深入研究，提出了現(xiàn)場級硬實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度機(jī)制。 該調(diào)度機(jī)制基于集中調(diào)度方式，有力的保障了現(xiàn)場級硬實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)消息傳輸時(shí)限的 要求，從而在現(xiàn)代很多實(shí)際應(yīng)用中能夠得到具體的應(yīng)用，為社會(huì)，國家安全等等 方面發(fā)揮重要的作用。 現(xiàn)場級硬實(shí)時(shí)以太嘲調(diào)度算法研究與應(yīng)用 1 4 小結(jié) 本章主要論述了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一些基本概念、特點(diǎn)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò) 的特點(diǎn)和發(fā)展動(dòng)態(tài)，并對本論文研究的意義及目標(biāo)進(jìn)行了論述。 第二章瑗場級硬實(shí)時(shí)遴信調(diào)度技拳研究 眾所周知，實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一個(gè)顯著特征是并發(fā)性，即在某時(shí)刻可能存在多個(gè)就 緒麴實(shí)時(shí)飪務(wù)競爭溺一個(gè)處理輟篷麓囂。若存在羲個(gè)任務(wù)，任務(wù)凌櫥互毯立，且 任務(wù)的正確性僅由其運(yùn)算的邏輯結(jié)果確定，則任務(wù)可以按任意順序運(yùn)行，其可能 熬方式專n l 霉孛之多。在這耱壤況下，各錳務(wù)臻出蛉時(shí)闥不確定，對于實(shí)露系統(tǒng) 而言，這是不能接受的。實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求將任務(wù)輸出的不確定性限制定的時(shí)間范 墨肉，這一過程鼓囊實(shí)黠調(diào)度實(shí)瓔。實(shí)對調(diào)度必須矮有懿糕性包撼： ) 鑊實(shí)時(shí) 任務(wù)按照確定的順序運(yùn)行：2 ) 使實(shí)時(shí)任務(wù)的最壞執(zhí)行時(shí)間確定。因此，在實(shí)時(shí) 調(diào)度器的支持下，爽霧寸侄務(wù)的時(shí)聞響應(yīng)具鴦聰閱礁定性，鬃統(tǒng)狀態(tài)是霹預(yù)測匏。 2 1 實(shí)時(shí)調(diào)度的基本概念 實(shí)時(shí)調(diào)度是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間確定性和可預(yù)測性的保證。實(shí)時(shí)調(diào)度的核，i i , 是資 濠分配，即鱺鷹分熬瓷源戮保 歪每個(gè)實(shí)霹任務(wù)在正確懿辯段產(chǎn)生正確靜輸蠢。在 這里，資源主要是指處理器的時(shí)間資源，合理分配時(shí)間資源就是合理地安排就緒 任務(wù)戇運(yùn)行頹痔。裳對調(diào)癀分為秀個(gè)除段，第一個(gè)除段是確定每個(gè)裁縫任務(wù)在藏 緒隊(duì)列中的位置；第二階段是在任務(wù)切換時(shí)，使就緒隊(duì)列中第一個(gè)任務(wù)獲得處理 器。這一避搖由實(shí)辯調(diào)度霧渡實(shí)現(xiàn)。 由前可知，根據(jù)系統(tǒng)對時(shí)間限制的不同露求，實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以進(jìn)一步分為硬實(shí) 時(shí)系統(tǒng)幫軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)薅類。疆實(shí)對系統(tǒng)要求嶷時(shí)調(diào)度l 夠像涯 壬鷹任務(wù)鮑每一次 運(yùn)行都必須在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)完成，軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)則要求實(shí)時(shí)調(diào)度最大限度她滿 足所有任務(wù)的對間疆求。本牽鮑主鼴研究對象是實(shí)時(shí)調(diào)度冀法。 根據(jù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行前所有實(shí)時(shí)任務(wù)的就緒時(shí)間怒否確定，可以將硬實(shí)時(shí)調(diào)度 分為離線調(diào)度和在線調(diào)度。離線調(diào)度根據(jù)所露任務(wù)的就緒時(shí)間及用戶確定的最遲 輸出時(shí)間，形成調(diào)發(fā)表，表中包含每個(gè)任務(wù)獲得處濺器的確定時(shí)間。實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn) 行時(shí)，調(diào)度算法根據(jù)調(diào)度襲，在確定的時(shí)間執(zhí)行確定的任務(wù)。離線調(diào)度的遴行開 銷小。但是，離線調(diào)度要求所有的系統(tǒng)狀態(tài)均為確定的，對于運(yùn)行環(huán)境十分復(fù)雜 的實(shí)時(shí)系統(tǒng)麗言，這幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。此外，對于復(fù)雜的實(shí)時(shí)系統(tǒng)調(diào)度表需 要占爝較大豹存儲(chǔ)器空聞。因瑟，離線調(diào)廉僅適麗予一些十分簡單的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要采用基于優(yōu)先級的實(shí)時(shí)調(diào)度。實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級由任務(wù)的屬 往決定，調(diào)度算法穰據(jù)優(yōu)先級高低決定任務(wù)的執(zhí)行順序。實(shí)時(shí)任務(wù)通常的屬傲有： 1 ) 周期t ：實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，許多任務(wù)在其生命周期中會(huì)被運(yùn)行多次，如讀傳 惑囂稻驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。魏一個(gè)任務(wù)的經(jīng)意兩個(gè)連續(xù)實(shí)鋼的就緒時(shí)間間隔為闡寇值， 9 現(xiàn)場級硬實(shí)時(shí)以太嘲調(diào)度算法研究與應(yīng)用 則成之為周期任務(wù)。如一個(gè)任務(wù)任意兩個(gè)連續(xù)實(shí)例的就緒時(shí)間間隔的最小值確 定，則稱之為間歇任務(wù)。若任務(wù)僅運(yùn)行一次，或運(yùn)行極不規(guī)律，則稱之為非周期 任務(wù)。 2 ) 時(shí)間d ：硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求任務(wù)實(shí)例必須在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)產(chǎn)生正確的 輸出，否則將有不可接受的后果發(fā)生。每個(gè)任務(wù)實(shí)例的最遲可接受輸出時(shí)間被稱 為該實(shí)例的時(shí)限。 3 ) 最壞執(zhí)行時(shí)間c ：任務(wù)實(shí)例運(yùn)行一次所需要的最長時(shí)間。實(shí)時(shí)調(diào)度算法 往往以任務(wù)的最壞執(zhí)行時(shí)間為根據(jù)，確定任務(wù)集的可調(diào)度性。 實(shí)時(shí)調(diào)度理論最初被開發(fā)和應(yīng)用于單處理器進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。對于實(shí)時(shí)通信來 說，鏈路代替了中央處理器作為主要資源，消息( 常稱報(bào)文) 則是競爭這個(gè)資源 的基本單元，因此可以借鑒單處理器任務(wù)調(diào)度的理論和方法對通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性 能進(jìn)行研究與分析。然而消息調(diào)度又不同于任務(wù)調(diào)度，消息傳輸不能被搶占后又 毫無懲罰地恢復(fù)；即如果消息傳輸被中斷，它只能再次將整條消息重傳。本章通 過研究已有單處理器硬實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度算法，針對現(xiàn)場級控制網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求和通 信特點(diǎn)，致力于解決現(xiàn)場級控制網(wǎng)絡(luò)的硬實(shí)時(shí)通信調(diào)度問題。 2 2 現(xiàn)場實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信特點(diǎn) 所謂現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)，是指利用現(xiàn)場總線將現(xiàn)場設(shè)備，工業(yè)過程控制單元，現(xiàn)場 操作站等互連而成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，具有全數(shù)字化，位置分散，雙向傳輸和多分支 等特點(diǎn)，是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的需要而誕生的網(wǎng)絡(luò)類型。 國際電工協(xié)會(huì)( i e c ) 的s p 5 0 委員會(huì)對在現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)占重要地位的總線有以下 三點(diǎn)要求： ( 1 ) 同一數(shù)據(jù)鏈路上過程控制單元( p c u ) ，p l c 等與數(shù)字i o 設(shè)備互連； ( 2 ) 現(xiàn)場總線控制器可對總線上多個(gè)操作站，傳感器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)等進(jìn)行數(shù) 據(jù)存?。?( 3 ) 通信媒體安裝費(fèi)用低廉。 s p 5 0 委員會(huì)提出的兩種現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)模型是： ( 1 ) 星型現(xiàn)場總線模型：主要運(yùn)用于短距離，低廉低速率電纜場合； ( 2 ) 總線型現(xiàn)場總線模型：主要運(yùn)用于傳輸距離長，高速，采用點(diǎn)一一點(diǎn)， 點(diǎn)一一多點(diǎn)和廣播通信方式。 現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)分為三個(gè)層次：s e n s o rb u s 、d e v i c eb u s 和f i e l db u s 。其中s e n s o r b u s 面向的是簡單的數(shù)字傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要傳輸狀態(tài)信息，網(wǎng)上交換的數(shù) 據(jù)單元是位( b i t ) ：d e v i c eb u s 面向的是模擬傳感器和執(zhí)行器，主要傳輸模擬信 號的采集轉(zhuǎn)換值、校正與維護(hù)信息等，網(wǎng)上交換的數(shù)據(jù)單元是字節(jié)( b y t e ) ：而 現(xiàn)場級碗實(shí)時(shí)以太網(wǎng)調(diào)度算法研究與應(yīng)用 f i e l db u s 面向的是控制過程，除了傳輸數(shù)字與模擬信號的直接信息外，還可傳 輸控制信息，即f i e l db u s 上的結(jié)點(diǎn)可以是過程控制單元( p c u ) ，f i e l d b u s 網(wǎng)絡(luò) 交換的數(shù)據(jù)單元是幀( f r a m e ) 。 同時(shí)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)按實(shí)時(shí)性要求不同分為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)( h a r d r e a l t i m es y s t e m s ) 和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)( s o f tr e a l t i m es y s t e m s ) 。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)能夠容忍一定量的消息時(shí)限丟 失，而在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中任一消息死線的丟失都可能引起災(zāi)難性后果。因此，硬實(shí) 時(shí)消息必須被正確的調(diào)度以滿足所有消息的時(shí)限要求。實(shí)時(shí)調(diào)度理論最初被開發(fā) 應(yīng)用于單處理器多實(shí)時(shí)任務(wù)系統(tǒng)中，多個(gè)任務(wù)競爭處理器，而對于實(shí)時(shí)通信來說， 鏈路作為核心競爭資源為數(shù)據(jù)包提供服務(wù)，因此大多數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)度算法可用于通信 鏈路調(diào)度數(shù)據(jù)包。然而，這些調(diào)度算法不能直接用于實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)，因?yàn)檎趫?zhí) 行的數(shù)據(jù)傳輸有可能被激活的更高優(yōu)先級任務(wù)搶占而夭折。 實(shí)時(shí)性：系統(tǒng)能夠在限定的時(shí)間內(nèi)對外部事件作出反應(yīng)，并且系統(tǒng)響應(yīng)時(shí) 間是確定和可預(yù)測的，否則可能帶來災(zāi)難性的危害。因此，實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)在兩 方面：一是響應(yīng)時(shí)間快；二是響應(yīng)時(shí)間確定。 可靠性主要包括幾個(gè)方面的內(nèi)容：惡劣環(huán)境下的抗干擾能力；系統(tǒng)運(yùn)行的 正確性；應(yīng)用程序錯(cuò)誤的識別；系統(tǒng)錯(cuò)誤的診斷和恢復(fù)。 信道消息多數(shù)是預(yù)先設(shè)定的、在設(shè)備間傳輸?shù)闹芷谛钥刂茢?shù)據(jù)，少量是 設(shè)備診斷報(bào)警的非周期數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)調(diào)度應(yīng)以周期消息為主，并具備非周 期消息硬實(shí)時(shí)調(diào)度能力。 數(shù)據(jù)傳輸量一般較小，多為短幀傳送，執(zhí)行時(shí)間短，周期( 死線) 也較 ?。灰虼藢?shí)時(shí)調(diào)度要求具有快速的執(zhí)行和響應(yīng)能力。 節(jié)點(diǎn)間信息交互頻繁、復(fù)雜，任務(wù)間具有資源約束、次序約束和性能約 束關(guān)系：實(shí)時(shí)調(diào)度要能支持應(yīng)用任務(wù)要求的向下貫徹。 節(jié)點(diǎn)設(shè)備多為資源有限的嵌入式設(shè)備，實(shí)現(xiàn)基本的控制和通信功能，處理 能力有限；實(shí)時(shí)調(diào)度必須簡單、易于實(shí)施，能有效減小終端節(jié)點(diǎn)的處理和運(yùn)算開 銷。 2 3 調(diào)度算法研究模型 2 3 1 周期任務(wù)模型調(diào)度算法 與非實(shí)時(shí)系統(tǒng)相比，實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，它們試圖同時(shí)實(shí)現(xiàn)計(jì)算在 邏輯和時(shí)間上的正確性在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，計(jì)算的正確性不僅取決于計(jì)算的邏輯結(jié) 果，也取決于結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間實(shí)時(shí)調(diào)度算法是保障實(shí)時(shí)系統(tǒng)兩個(gè)必備特性 時(shí)限性和高可靠性的重要手段之一。實(shí)時(shí)調(diào)度是指在有限的系統(tǒng)資源( 如c p u 等) 現(xiàn)場級硬實(shí)時(shí)以太網(wǎng)調(diào)度算法研究與應(yīng)用 下，為一系列任務(wù)決定何時(shí)以及在哪個(gè)處理器上運(yùn)行，并分配任務(wù)運(yùn)行所需要的 資源，以保證其時(shí)間約束( 即截止期限) 、時(shí)序約束和資源約束得到滿足 實(shí)時(shí)調(diào)度一直都是實(shí)時(shí)系統(tǒng)研究中的熱點(diǎn)問題，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界倍受關(guān)注 “”。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)調(diào)度理論研究中，可調(diào)度性判定是核心問題”“一“。這是因?yàn)椋?實(shí)時(shí)任務(wù)具有時(shí)限要求，在一個(gè)或多個(gè)處理器之間調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)，需要判斷是否 每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行都能夠在其截止期限內(nèi)完成。如果每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行都能夠在其截 止期限內(nèi)完成，則稱該調(diào)度是可行的?？烧{(diào)度性判定( 或稱調(diào)度可行性判定) 就是 判定給定的n 個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)在應(yīng)用某種調(diào)度算法的前提下能否產(chǎn)生一個(gè)可行的調(diào) 度。調(diào)度算法的設(shè)計(jì)要盡可能滿足任務(wù)可調(diào)度性的要求。 由于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)不同，實(shí)時(shí)調(diào)度亦有多種分類方式。常見的分類有， 根據(jù)任務(wù)實(shí)時(shí)性要求的重要程度，分為硬實(shí)時(shí)調(diào)度和軟實(shí)時(shí)調(diào)度在硬實(shí)時(shí)調(diào) 度中任務(wù)必須在其截止期i j e ( d e a d l i n e ) 內(nèi)執(zhí)行完畢，否則將產(chǎn)生嚴(yán)重后果。而對于 軟實(shí)時(shí)任務(wù)，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載過重的時(shí)候，允許發(fā)生錯(cuò)過截止期限的情況：根據(jù)任務(wù) 是在一個(gè)或多個(gè)處理器上運(yùn)行，分為單處理器實(shí)時(shí)調(diào)度和多處理器實(shí)時(shí)調(diào)度，多 處理器實(shí)時(shí)調(diào)度又可分為集中式調(diào)度和分布式調(diào)度；根據(jù)調(diào)度算法和可調(diào)度性判 定是在任務(wù)運(yùn)行之前還是運(yùn)行期間進(jìn)行的，分為靜態(tài)調(diào)度、動(dòng)態(tài)調(diào)度和混合調(diào)度： 根據(jù)被調(diào)度的任務(wù)是否可以互相搶占，分為搶占式調(diào)度和非搶占式調(diào)度；根據(jù)任務(wù) 請求到達(dá)的情況不同，分為周期性任務(wù)調(diào)度和非周期性任務(wù)調(diào)度。不同調(diào)度方式 具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同類型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 1 9 7 3 年，l i u $ 1 1 l a y l a n d 提出了一種適用于可搶占的硬實(shí)時(shí)周期性任務(wù)調(diào)度的 靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法速率單( r a t em o n o t o n i c ，簡稱r m ) 調(diào)度算法，并對其 可調(diào)度性判定問題進(jìn)行了研究1 。r m 算法自從提出以來得到了廣泛的研究和應(yīng) 用，目前已有大量關(guān)于r m 算法及其各種擴(kuò)展情況下的調(diào)度算法以及實(shí)時(shí)任務(wù)在 這些算法下的可調(diào)度性判定研究的文獻(xiàn)1 ，1 2 ，1 4 ，1 扣2 ”。理論研究的問題集中在如 何找到更快、更好的可調(diào)度性判定方法，以及如何擴(kuò)展r m 算法，使之更好地滿足現(xiàn) 實(shí)實(shí)現(xiàn)的需求。盡管已有少量關(guān)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)方面的專著”“1 ，但是至今尚缺乏 這方面的專題性文章來系統(tǒng)而深入地探討r m 及其擴(kuò)展算法的可調(diào)度性判定，研 究各種現(xiàn)實(shí)條件和實(shí)現(xiàn)方式對可調(diào)度性的影響。這不利于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開發(fā)， 因?yàn)橐霑r(shí)間開銷及死鎖防止機(jī)制下的可調(diào)度性判定是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重 要理論基礎(chǔ)。 硬實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中的任務(wù)包括周期任務(wù)和非周期任務(wù)。周期任務(wù)f p e r i o d i c t a s k s ) 按照固定的時(shí)間間隔發(fā)生，在任務(wù)實(shí)例的每次執(zhí)行中，該實(shí)例讀入監(jiān)測對 象的狀態(tài)，然后進(jìn)行一定的計(jì)算，進(jìn)而利用計(jì)算結(jié)果改變或者顯示監(jiān)測對象的狀 態(tài)e 周期任務(wù)的共同特征是任務(wù)實(shí)例執(zhí)行具有嚴(yán)格的死線要求，即硬實(shí)時(shí)性。 現(xiàn)場級硬實(shí)時(shí)以太網(wǎng)調(diào)度算法研究與應(yīng)用 周期任務(wù)調(diào)度算法研究模型包括周期任務(wù)模型( p e r i o d t a s km o d e l ) 和距離 約束任務(wù)模型( d i s t a n c ec o n s t r a i n e dt a s km o d e l ) 。周期任務(wù)模型 l i u 7 3 是最常用 方法，使用這個(gè)模型，能保證在任務(wù)的每一周期之內(nèi)，都有一個(gè)實(shí)例被調(diào)度并執(zhí) 行完畢，即滿足硬實(shí)時(shí)的死線要求。經(jīng)典的周期任務(wù)模型調(diào)度算法主要有單調(diào)比 率( r a t em o n o t o n i c ，r m ) 算法和最早死線優(yōu)先( e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ，e d f ) 算 法等 l i u 7 3 ，s h a 9 3 ，s t a r t 9 5 。距離約束任務(wù)模型 h a n 9 2 則保證同一任務(wù)兩次相繼 完成的時(shí)間間隔總是小于或等于某一段時(shí)間，這段時(shí)間被稱為距離約束。基于距 離約束任務(wù)模型的調(diào)度算法主要包括s x ，s