基于aCoral的继电保护监测平台软件系统框架的设计与实现

I 摘 要 随着社会的进步，电力行业的不断发展，电力系统监 测平台的实时性与稳定运行对社会与经济的影响越来越大，这就 对继电保护监测平台系统的性能与稳定性提出了更高的要求。而当今传统的继电 保护监测平台软件系统框架是基于非对称式的双 台，在这种框架当中，系统运行的方式是在一个 心处理数据，另外一个 心进行故障判断与通信，这种架构的缺陷在于单核串行处理数据模式会成为提高该系统数据处理速度的瓶颈，同时由于核间通信的非对称性，也将对系统的处理性能造成一定的影响， 这就导致传统的继电保护监测平台软件系统框架已经无法满足系统当中越来越高 的实时性要求。因此针对这种传统软件系统框架上的缺陷，我们只能通过设计并实现基于对称式双 台的软件系统框架来完善。 为了达到在对称式双 台上设计并实现监测平台软件系统框架的目的，本文选取 司具有对称式双 心的 理器作为开发平台，并在该平台上设计实现新的软件系统框架 ，本文提出了软硬件一体化设计、任务级流水线并行处理数据的设计思想，在利 用自主研发的嵌入式实时多核操作系统及具有对称式双 心的 件平台基础之上，首先实现嵌入式多核操作系统 台上的移植，然后设计并实现针对具体应用的系统调度与通信机制以及任务 级流水线并行处理的调度框架，从而设计出一种新型的继电保护监测平台的软件 系统框架，并着重对其中涉及到操作系统多核机制的功能进行了具体实现。通过 测试证明，该系统框架在具体应用当中有着更加优良的性能，同时由于新型系统框架基于对称式双 心硬件平台以及嵌入式实时多核操作系统 特点，也就使得该系统框架能够在日渐成熟的数字信号处理并行算法领域有着更加广阔的应用前景。 关键词： 继电保护监测平台，软件系统框架，对称多处理机， of of is of is a on of is on in SP RM of be of of at of is by to is to in we a on to in of In to of a of on DIs as a a is a of we on of a of of on is we a of on of to to in of is on of in of 录第一章 绪论 .1研究背景及意义 .1国内外研究现状 .2文研究内容 .3论文组织 .4第二章 相关概念及技术 .5入式实时操作系统 .5入式实时操作系统简介 .5对称多处理器 .6嵌入式实时多核操作系统 介 .9组织架构 .9内核模块组成 .10块 .11系统库模块 .11扩展模块 .11 发平台 .11系结构简介 .12内核体系结构简介 .13存储器体系结构简介 .14软件开发环境 简介 .14继电保护相关概念及知识 .16继电保护概念 .16继电保护原理 .17继电保护组成 .18本章小结 .18第三章 嵌入式实时多核操作系统 台上的移植 .20 V 底层启动代码设计 .20多核内存分配机制设计与实现 .21于 台的中断机制设计与实现 .23系统中断处理流程 .23中断服务 .24核间中断（ .26线程切换底层实现 .27简单驱动实现 .31操作系统实时性保障 .32本章小结 .32第四章 继电保护监测平台软件系统框架的设计与实现 .33继电保护监测平台传统软件系统框架研究 .33针对 计继电保护监测平台软件系统框架 .35系统基于 台实现可行性研究 .35基于 台的继电保护监测平台软件系统框架的设计 .35继电保护监测平台软件系统框架的实现 .37任务分配机制的实现 .38任务优先级设计 .39异核任务之间的通信机制实现 .41于系统结构的任务级流水线并行化设计与实现 .42统任务级流水线并行化可行性研究 .42系统任务级流水线并行化设计 .43系统的软件流程图设计 .45系统框架的具体实现 .48本章小结 .49第五章 对比测试与分析 .50测试背景 .50测试环境 .51测试数据 .52测试结果及分析 .53I 稳定性测试结果及分析 .54系统负载压力测试及分析 .56系统性能加速比测试 .57第六章 总结与展望 .61致 谢 .62参考文献 .63 1 第一章 绪论 究背景及意义 继电保护监测平台调度系统的发展得益于电力系统技术的飞速进步。在 20 世纪初，电力系统的发展开始出现上升趋势 ，应用于电力系统保护的继电器也开始大范围应用，这就是继电保护技术的源头 。继电保护技术当中最早使用的装置是熔断器。在 20 世纪 50 年代到 90 年代末这 40 余年的时间里，继电保护的发展经历了四个阶段，分别是电磁式保护装置、 晶体管式继电保护装置、集成电路继电保护装置、微机继电保护装置四个阶段1。 而随着计算机技术、通信技术、电子 技术的快速发展，当今日渐成熟的人工智能技术，包括遗传算法、模糊逻辑、人 工神经网络、进化规模等技术在继电保护监测平台调度系统领域的研究当中的应 用也越来越广泛，继电保护监测平台调度系统技术正在向着计算机化、智能化、一体化、网络化方向发展2。 在 19 世纪的 80 年代和 90 年代近 25 年的时间里，熔断器已经开始大量应用于继电保护装置。电力系统的快速发展使 得电网结构越来越复杂，短路容量不断增大，作用于断路器的电磁型继电保护装置也就在 20 世纪出应运而生。虽然早在1928 年电子器件就已经开始应用于继电保护装置，但大量生产和推广电子型的静态继电器却是在 50 年代固态元器件和晶体管快速发展之后才得以发展。静态继电器的优点是动作速度和灵敏度、寿命长、 维护简单、消耗功率小体、积小等，但是静态继电器容易受外界干扰和环境温度的影响。所以在 1965 年就出现了基于应用计算机的数字式继电保护。随着大规模 集成电路的不断发展，社会上开始大量应用微型计算机和微处理机技术 ,从而使得数字式继电保护也开始飞速的发展，当前微机数字保护技术正在实验研究阶段， 在国外已经有一些装置已经投入实际运行。 当今社会工业化程度的不断提高，对电力需求的不断 增加使得电力系统的容量越来越大，范围也是越来越广，如果仅 仅依靠电力继电保护装置中的系统各元件，已经远远不能够防止长期大面积停电 的严重事故带来的影响。所以必须在电力系统整体系统框架上着手，设计出一种能够相对独立完成现场数据采集，计算，分析，然后根据分析结果进行相关处理的 一整套继电保护调度控制系统。其中包 2 括电力传输现场的电压电流的数据采集， 所采集数据的滤波计算，通过计算结果研究系统出现的故障问题，以及对故障问 题的实时处理等。继电保护监测平台系统的任务就是正确的从电力传输现场采集 电力参数，对电力参数进行处理，在对处理数据的结果进行分析，确定是否发生故障，如果发生就对故障进行实时处理。此外，在继电保护系统当中的任意一个电 气装置的故障，都会造成电力系统的巨大损失，特别是电力系统当中各个功能模 块之间的相互影响和协调上被作为电能安全生产的重大课题提上日程。因此，系 统的继电保护监测平台调度系统必须在联系现场运行环境的情况下，实时的对现 场所发生的故障进行处理，以此来配合总调度枢纽完成电力传输系统继电保护的 工作。在当前的发展趋势下，为了能够保证越来越一体化的电力调度系统的正常运转 以及保障社会财产及人民生活秩序，我们在高度发达的继电保护装置的基 础上还需要进一步完善继电保护监测平台系统，以此来实现电力系统的正常高效的运转。 继电保护监测平台调度系统是电力生产企业主要的管 理手段。在发电企业。电力调度对内承担着现场数据的采集以及 处理，对外承担着向上位机发送现场状况以及接收控制信息的工作3。因此，电力调度的稳定、可靠直接关系到发电企业的安全生产。 随着嵌入式操作系统及硬件平台技术迅速发展的趋势 ，继电保护监测平台调度系统也随之有了新的发展，但是随之而来的也是对与整体系统框架要求的提升。继电保护现场智能化调度系统日益完善的 今天，不仅要求有稳定的嵌入式操作系统和功能强大的硬件平台，还需要有一套能够适应这些运行环境的高效调度系统，尤其是当前嵌入式多核实时操作系统以及 同构多核硬件平台的大量出现以及迅速的发展，使得基于新形势下的继电保护监 测平台调度系统的研究成为了当前电力发展方面的一个重要课题。 目前，嵌入式系统的发展主流为以应用为中心，从硬件到操作系统再到上层应用一体化量身定做4。这种方式产生的效果就是高效，节能，易于管理与操作。随着现代嵌入式操作系统以及多核硬件平 台的日益稳定，为继电保护量身定做一套专用的软件系统框架也成为现实。 内外研究现状 继电保护监测平台调度系统在我国的发展现状主要基 于两个方面。在嵌入式操作系统方面，因为电力系统当中对处理 数据的任务相应时间要求非常苛刻，所 3 以目前国内大部分采用的操作系统为嵌入式实时操作系统，由于没有对多 件机制的广泛支持，当前继电保护监测平 台调度系统方面用到的嵌入式实时操作系统多为单核实时操作系统，比如 等，当然也有一些国产的操作系统初步进入该领域（比如，对于这些操作系统，当前由于 一个高效的微内核操作系统，实时性一流，支 持各种标准，配套资源丰富，使得当前在电力调度领域应用最广泛的就为 是由于其版本费用过高，导致应用该操作系统的电力调度系统开发成本较 高，并且不能够随意裁剪，这就使得电力调度系统的发展出现了受制于人的现状 。在嵌入式硬件平台方面，从刚开始的单片机到处理功能强大单 台，再到 非对称处理器平台，继电保护监测平台调度系统一直在追求强大的 数据处理能力与高效的控制过程之间的的完美结合，现今应用在继电保护监测平 台调度系统当中的嵌入式硬件平台多为硬件装置6，其中分配的工作为 负责对现场电力数据的采样，滤波及计算等高效处理要求相关的工作。 负责数据的通信，处理结果的分析，判断并发出处理命令的工作。目前看来这种系统框架是一种高效的系统结构，但是由于不同核的任务负载的不同以及不同任务的占用 源大小的不同，导致了负载严重不均衡的现象的出现，这就 使得对于该硬件资源的能耗浪费，以及效率瓶颈的出现。 文研究内容 本文研究的主要内容是在研究传统继 电保护监测平台软件系统框架的基础上，分析传统框架的优缺点，对其中的主 要原因进行分析，为解决传统框架当中的性能瓶颈提出解决办法，并对新提出的对称式双核体系结构 台与嵌入式实时多核操作系统 结合的解决方案对系统的整体架构进行设计，并着重对其中涉及到操作系统多核机制的功能 进行了具体实现，最后对新型的继电保护监测平台软件系统框架进行功能和性能 测试，并对测试结果及开发过程进行总结。 本课题难点有以下几个方面：一是嵌入式实时多核操作系统在 的移植。二是继电保护监测平台调度系统框架基于 台和嵌入式实时多核操作系统 设计与实现。三是继电保护监测平台任务级流水线并行化的设计与实现。重点在于嵌入式实时多核操作系统在 的移植以及继电保护监测平 4 台框架的设计。 课题研究方向是实现一套完整的基于 台从操作系统到上层应用的软硬件一体化设计，并具有高效率的继电保护监测平台调度系统框架。 文组织 本文着重介绍了继电保护监测平台软件系统框架基于 嵌入式实时多核操作系统 台的设计与实现。 第一章介绍了课题的发展背景，该课题的国内外发展 状况，以及课题中的核心问题及重点、难点。 第二章介绍了与课题相关的概念及技术。主要包括嵌入式实时多核操作系统， 台以及继电保护领域的相关知识。 第三章介绍了嵌入式实时多核操作系统 的具体移植过程及相关技术。 第四章介绍了继电保护监测平台软件系统框架的设计 ，并着重对涉及到操作系统多核机制的功能进行了具体实现。主 要包括继电保护监测平台软件系统框架的设计，以及实现该框架所需要解决的关键技术问题。 第五章介绍了继电保护监测平台软件系统框架的实际 模拟运行效果、整体系统性能测试以及测试结果的对比。 第六章主要是对本课题的总结及前景的展望。 5 第二章 相关概念及技术 本章将对以下继电保护监测平台系统相关的理论知识 作简要介绍，包括嵌入式实时多核操作系统 相关理论知识，硬件开发平台 硬件体系结构与其配套开发环境 的基本知识，继电保护的相关概念与理论知识。目的是通过该章节的简单介绍为后续的系统设计与实现做好理论铺垫。 入式实时操作系统 入式实时操作系统简介 嵌入式实时操作系统（ ）的概念是指计算机能够在规定的时间内接收并且处理外部发生的事件，同时能够协调 稳定的运行系统当中的所有实时性任务的嵌入式操作系统。嵌入式实时操作系统 分为“硬实时操作系统”和“软实时操作系统” ， “硬实时操作系统”指的是系统当中 的各项任务必须在规定的时间内处理完成，否则会造成严重的后果，甚至会 造成重大的灾害，这里系统通常用在现场环境要求十分苛刻的应用当中，比如： 航天系统、军事系统以及电力系统等应用当中。 “软实时操作系统”是指系统当中的应用需要尽量的满足其任务要求的处理时限，如果无法满足其实时性，一般不 会造成严重的后果，系统也能够正常运行，比如：视频的数据处理等。 从上面的介绍可以看出嵌入式实时操作系统的实时性 主要体现在以下两个部分： 第一：系统当中所需要执行的任务必须在规定时间期限内完成 系统的实时响应有两种，分别是中断的实时响应和任 务的实时响应。任务的实时相应的基础就是中断的实时响应，因 为系统当中任务的调度需要以中断作为触发的源泉。中断的实时响应当中需要着 重处理的就是减少中断的响应时间。中断的响应时间一般有两大部分组成，分别是中断的分发延时以及中断延时。其中，由于中断分发延时的结构是固定的，所以 中断分发延时也是固定和静态的，而中断延时由于是由关中断引起的，所以它与 相应的操作系统的运行方式有关，所以中断延时是随机的，因此中断的实时响应 当中的关键技术就是减少关闭中断的时 6 间。缩减不可重入代码是解决减少关闭中 断的时间的有效方法，而减少关闭中断时间的基本策略是尽量少的使用 O(n)复杂度的算法，而在系统当中可能有必须要使用 O(n)算法来构造中断上下文不可重入的代码的情况 ，此时可以使用禁止调度的方式来保证代码的重入性。一般在任务 实时响应中，我们通过优先级抢占的方式来保证高优先级的任务的实时性，另外 ，在系统当中任务的切换对任务的实时响应也有着很密切的关系，对于任务的切 换，我们一般采用的是通过最高优先级的线程来对将要执行的函数进行选择和切 换，所以最高优先级的选择算法是该策略的重点，对于最高优先级的选择算法，我们需要采用 O(1)复杂度的算法，比如中的位图映射表就是 O(1)复杂度的最高优先级选择算法的代表。 第二：实时调度，也就是使系统当中的各个任务协调有序的运行 实时调度是实时系统的核心问题，实时调度的实现一 般是在各个任务实时性要求的基础之上，通过一定的调度策略来对系统当中的任务进行协调有序的调度，使得各个任务能够在系统当中合理的运行 。但是对于各个任务的协调处理是一个很复杂的问题，目前，强实时调度的代表算法一般是 度算法。不过，这些调度算法虽然在理论研究上已经进入 了很成熟的阶段，但是强实时调度算法基于具体现场的实现还是不够理想。 上述的实时性相关的两个方面都需要一个关键问题，那就是“可确定性” 。木桶理论也同样适用于该应用当中，这也就 阐释了实时性需要从整体上进行优化的特点，确定一个系统是否能够实时的方法 是在最坏情况下查看该系统是否满足实时性要求。不过我们做到这些的前提是需 要确定系统在最坏情况下的实时性，这就要求系统具有相应的“可确定性” 。与此同时，由于多核芯片的飞速发展，多核环境下的实时操作系统的研发又成为了新 的热点，所以，当前的一个可以预见的发展趋势就是嵌入式实时操作系统对多核计算的支持。 称多处理器 对称多处理器的简称是 (它是指在一个计算机上汇集一组处理器，各个 间需要共享总线结构和内存的子系统，通过这种技术，系统当中具有多个处理器时也能够稳定运行。 多核主要是指在一个单独的芯片当中具有多个处理器 ，同时又分为同构多核和异构多核。同构多核是指在单个芯片当 中集成了两个或者两个以上的具有相同架构的处理器，各个处理器并行执行不同的进程，典型代表： 架构如图 7 2示 )以及 核。异构多核主要是指在在单个芯片当中继承了具有不同架构的处理器单元，这种架构的一般系统构成是 :86(。 图 2核硬件架构图 由此可知，同构多核是 一个子集。所以如果一个支持 操作系统就会同时支持同构多核和异构多核，当 然各个架构也都有着自己的特性，比如同构多核当中一般都需要使用自旋锁，对于一个支持 统的操作系统，就必须对以下的几个方面进行支持： 1. 多核的启动 多核系统当中，各个部件需要共享系统当中的各种资源，包括响应的寄存器、内存以及 源等，如果各个核心在启动的过程当中没有按照一定的次序进行启动，就回造成访问资源的冲突。所以在 大部分的多核系统中，他们启动的方式是先设定一个主核，通过主核来初始化系 统当中的公共资源，在初始化完成以后在将其他的核心唤醒，使他们启动，然后 其他的核心在各自对私有的资源进行初始化。与此同时，确定每个核心的启动命 令是解决问题的关键，对于这种情况， 8 一般会有两种形式。第一种形式是系统启 动时，出于启动状态的只有一个核心，那就是主核，采用这种方式的例子是 台。在这种系统当中，其运行的形式一般是主核执行启动代码，初始化系统 当中的各个共享资源，然后向次核发送启动命令，接着各个核心再对自己的私有 资源进行初始化，这些工作完成以后接着各个核心发送完成的信号，系统进入调 度，开始运行。第二种形式是，系统当中的各个核心在起始阶段就在同一个地址同时进行运行，比如 种情况下，必须在启动代码当中就需要 使主核具有支持多核的机制，使得各个核心能够顺利有序的运行。 2. 多核的调度 多核的调度主要是指各个核心需要运行哪个线程、何 时调度、怎么协调各个部分使之性能最优。优先级抢占是调度机 制的一种，他是从线程就绪队列当中选出优先级最高的线程。在多核的运行环境 中，就绪队列可以分为：全局就绪队列和私有就绪队列。全局就绪队列主要是指 在系统当中只有一个就绪队列，系统当中所有的就绪线程都挂在该队列上，每个 核心都从该队列上取得优先级最高的线程进行调度，在这种情况下，系统就不存 在负载均衡的问题，但是各个核心会出现竞争访问就绪队列的情况，产生性能瓶 颈。私有就绪队列是指每个核心上面有有一个私有的就绪队列，他们不能互相访 问，只能调度自己私有队列上得线程，这种方式有很多优点，其中就有没有竞争 访问的缺陷，但是会出现负载失衡的问题。 3. 核间中断 核间中断主要是指在运行过程当中，一个核给另一个 核以中断的形式发送一个命令，产生核间的中断，一般是由软中 断实现。这个部分主要和硬件相关，只需要几条命令就可以实现。 4. 核间通信 核间通信是指核与核之间通过发送一些具体的信息来 通知对方需要做什么，由于在多核系统当中核心之间没办法直接 访问对方的私有资源，也就无法去直接执行异核任务，所以一般是靠核间中断来 实现核间通信，在中断以后，其他核重新进行调度，实现任务的执行。 5. 核间互斥、同步 在多核模式下，每个核心都会共享同一段代码以及变 量，并执行同一个内核映像，资源也是共享的，这就会导致会出 现同时访问同一段临界区或者不和重入代码的情况，这时候就需要有互斥机制来 保证资源的安全同步访问，这种情况一 9 般是靠自旋锁机制。与此同时，还需要用 自旋锁来改造原先的互斥量，信号量，邮箱等，使他们能够支持多核模式。 入式实时多核操作系统 介 字面意思是一个珊瑚，他就像一个个小珊瑚，把一群人智慧的结晶结合在一起，最终成为一个伟大的嵌入式多 核操作系统。这款小而精致的嵌入式多核操作系统是由我们实验室自主研发的一 款支持呵呵的嵌入式实时操作系统，目前已经开源发布。 有高可配性，在其最精简配置的时候，生成的二进制代码只有 7k 左右，并且该操作系统支持多线程模式，它还可以配置 件系统等模块，在生成代码之后大小为 300K 左右。与此同时， 具有高扩展性，扩展的模块已支持图形系统，网络系统以及文件系统，目前， 经支持很多款 比如 及双 台。为了方便用户学习了解 们还实现了一个模拟该平台的版本，这个版本可以运行在安装有 上作为一个应用程序运行，同时可以体验到该操作系统的所有功能，比如多核。在软件开发平台上， 持 个版本， 境下可以使用 件组织整个项目，并且可以利用图形界面来配置项目，在 台下面可以使用 及 作为开发环境，并有测试过的最终代码进行测试运行。 我们为 定位是多核、强实时。到目前为止，我们主要研究的方面是对于同构多核的支持9，而异构多核只是保留了相关的接口和机制，不过可以很容易的扩展实现。 提供了包括弱实时和硬实时的调度策略：多核和单核的度算法，但是由于多核环境下 法十分复杂，目前正在处于研究阶段，相信在未来会对其支持。此外，其 他的一些硬实时算法，比如 未来也将加入 中。 组织架构 出发点一个支持高扩展，高配置的 内核，为了实现这种目标，我们在组织架构上采取了松耦合的方式，对系 统当中的各个模块的功能，尽量保证其独立性，并且按照功能对各个模块进行了 细致的划分。同时，为了能够方便系统在各个平台上的移植，我们还专门划分出了 ，这样如果需要对系统进行移植，我们就可以针对 模块进行操作，大大方便了系统的移植过程。 0 目前主要由六大模块组成，其中包括：内核模块，外围设备驱动模块， 块，系统函数库模块，系统扩展模块，应用程序模块。其中内核模块是 作系统的核心，该模块主要依赖 块。内核模块， 块和系统库的基本库组成了 最小系统，在编译过程当中外围设备驱动模块和系统扩展模块可以选择性的编译。 核模块组成 统的内核模块主要由线程交互子系统，线程管理子系统，内存管理子系统，中断子系统以及多核子系统五个子系统组成。 1. 线程交互子系统 线程交互子系统主要使用的机制包括信号量、 互斥量、 信息机制以及邮箱等。 ，中实现了对优先级天花板和优先级继承等机制的支持。 2线程管理子系统 中的线程管理是通过优先级抢占的方式来实现的， 为了使得该系统在优先级有限的情况下能够运行无限多的线 程，我们允许系统当中的各个线程可以具有相同的优先级，这样就可以适应当前多核应用当中多任务的特点。在 们把线程调度分为了线程调度的 机制和线程调度的策略，这样就可以在线程扩展发面提供了便利，其中我们所设 定的机制是固定的，但是可以允许用不同的形式来实现同一个策略。以此来保证线程管理的扩展性及灵活性。 3内存管理子系统 用户提供了丰富的内