（电力电子与电力传动专业论文）实时测控软件技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t r - c a l t i m em e a 吼l r 锄锄t 卸dc o i i 虹o l ( i u m c ) s y s t 锄i sak i n d o fc o m m o n 锄c o l l l l t 蹦亭dc o n 仃0 1s y s t 锄i i lp o w e re l e c 仃i c sn e l d 试t l lt h et y p i c a lc l l a r a c t 甜s t i ct l l a t e a d hm e 镐u r 锄e i l t 锄dc o n h d lt a s kh 嬲t l l em a l t i i n ef e a t l l r e w 1 1 i c hm e 狮sa nu l p e r b o u n d a r yi nb o t l lt i n l e 卸ds p ew h e nam e 船l l f 锄e n ta i l dc t r o lt a s kr u i l s r r m c 脚a r ci s 雠l l lo f r t m cs y s t 黜，锄dp l a y s 缸i m p o n a n tr o l ei nm ed e s 啦o f i u m cs y s t 锄 删cs y s 锄ni sc o n 咖c t e da b o v em ec o n c 印t so fr c a l t i m ep r o c e s s i n g ，w 1 1 i c h i i l c l u d et 1 1 e c o n c 印t s o fr 翩l t i m es y s t 锄卸dt a 喀ks c h e d u l e ，a l - t i m es y s t 锄 p c r f b 彻a i l c em e 鹊u r e ，r e a l 一t i m es c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ，e t c t h e s ec o n c 印t sa r et i 伦 t l l e o r e t i cg u j d eo f r l m cs o f t w a r ed e s i 印 t h ep r o 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l e 坞a l - t i m e p e r f o 咖觚c co fu n d e r l y i n gp r o c e 跖i n g i n t r o 血c i i l g r e a l 一t i l n eo p e r a t j n gs y s t 锄 限t o s ) i sme 胝t i v ew a yo fb u i l d i n gr t m c f h a 托p l a t f o l m ，啊d l i c h c a l l g u a r 卸舱et t l er c a l - 劬ep e r f o r i n 锄c eo fu n d c r l y i n gp r o c e s s i l l g 镐w e u 鹬p r e v c n t 1 l i 曲c rl “e ls o 脚a r e 觚mr e a l 一t i i i l ep r o c e s s i n gd e t a i l s w 砌o w si s tr t o s ，b u t w h e i lr e a l - t i m e 麟t e n d e d w i n d o w sc a i la l s os e n ，e 勰ac a i l d i d a t eo fr t m cs o 胁a r e p l a t f o 皿w i t l lc 0 i l s i d c r a b l er c a l t i z n ep e r f o r i n 孤c e a t er t m cs y s t c ma d o p t s 圮 s 0 1 u t i i mo f m l d o w s + r t x 5 1 鹊i t sr t m cs o f t w 盯ed l a t f o 瑚 i n a b s t r a c t a i m i l l ga tb u i l d i n g 百n e 舐n g 锄ds t a l l d a r ds o f t w a r ep r o d u c t ，i r sn e c e s s a r yt o b r i n gm o d e r i l f h a r ee i l 百n e 甜n gi d e 醐a n da p p r o a c h e si n t oi u m c 脚a r e d e v e l o p m c n tt 0s t 锄d a r d i z ed e v e l o p m e n tp r o c e 豁a n d 目l a 砌t e c 矗w a q u a l i 够 b 删eo ft l l e s p e c i a l 印p l i c a t i o nf i e 杖m o d u l a r i z a t i d e s i 鲷m e t h o d 粕d 删l t i p l e - l e v e la r c h i 搬知r ca r eo f t e i l 印p l i e di nm ed e s i 弘o fr 1 m cs o f t 、a r e a - s 蠡 r t m cs o 胁黜m o d e l i n 吕u m lm o d e l i n gm e m o dc 锄b ea p p l i e d d u r i l l gm e s 0 栅a r cd c v e l o p m 钆to fa t er t m c s y s t 锄p r o j 毗m 喈i p l e 。l e v c la r c h i t e c t m i s a d 叩锄a n du m l 璐ec 嬲ed i a g m m ，q u e n c ed i a g r 啪c l 勰sd i a g r 黜a r cl l s e df o r m o d e l i n gs o 行w a r cf i i n c t i o ，s t 】m c t i l r e sa 1 1 di n f o m l a t i o n t i v i t i r c s p e c t i v e l yt o m a k e 协e r w a r es y s t e mf i n a l l yc o n s 仉l c t c d k e yw o r d s ：r e a i - 面n e ，r e a i - t i i n em e a s u r e m e n t 柚dc o t r o is o f t w a r e r e a i - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) ，u m l 学位论文翔谈产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在梭攻读学位期间论文1 i 作 的知识产权单位属于西北工业火学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借闷。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入骞关数摇痒透露捻索，可浚采瑟影印、绻窜或扫接等复裁手段绦存秘汇编奉学健论文。 阿时本人保证，毕业搿结合学位论文研究谍题再撰写的文章一律波明作者单位为西i e 工嫩 大学。 保密论文待解密聪适用本声明。 学位论文蓐考签名：苍童。垂 纠年华月文丑 撵嚣教掭签名：继 调年争月参日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学棱严瀵貔学最裁撬遣戆释学逡蘩，本天羯重声明：掰鼙交懿学爱论文，楚本 人牲导师的指导下进行研究t 作所取褥的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人溅其他已申请学位或其他悄途使用过的成果。对本文的研究做出重要贯 献戆令大纛l 集体，均已在文中班明确方式裘明。 本a 学谴论文与资辩若有不实，愿意承担一切相关豹法德赉任。 学位论文作者签名：j j l ：堑垂 纠年年月2 日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 工程设计和研究开发中常常需要把各种设备组合在一起构成测控系统。测控 系统通常要求在确定的、有限的时间内进行大量数据的采集，同时对采集到的数 据进行计算，并根据计算的结果输出控制信号，有时还要对数据进行存储和显示， 这就要求测控系统具有一定的实时性和并发性，并可对多个实时任务进行调度， 从而满足工程实际的需要，具备这种需求的测控系统可称之为实时测控系统。 实时测控系统与其他普通的系统的很大不同之处就是测控的实时性，即要求 满足处理与时间的关系。这里的“实时”，不同语境中往往有着不同的意义，某 些时候仅仅用作“高性能”的同义词。本文将要讨论“实时”则指的是任务特定 的操作所消耗的时间及空间的上限是可预知的。在实时计算中，系统的正确性不 仅仅依赖于计算的逻辑结果而且依赖于结果产生的时间。所以对于实时测控系统 来说，最重要的就是必须在一个事先定义好的时间限制内，能够对外部或内部的 事件进行响应和处理。这就对实时测控系统的软件设计提出了更高的要求。 当前，各种电力电子系统是实时测控系统较为常见的应用场合。在这些系统 中，实时性要求往往包括实时数据采集、实时数据处理、实时数据通信、实时数 据显示等内容。例如：电机实时加载控制系统往往要求控制器在毫秒甚至更短的 时间内完成对电机母线电压、相电流、转矩等参数的实时测量、处理，从而完成 对电机正确控制；实时电网监控系统要求监控设备对电网频率、三相电压、电流 有效值、各次谐波分量等参数进行实时测量，然后对有功功率、无功功率、功率 因数等进行实时计算，还要将各种测量、计算的参数通过总线、网络等介质实时 传给监控计算机，监控计算机也必须实时地完成接收数据的处理以及曲线的实时 显示等。在上述两个例子中，针对每一个实时要求环节，如果在规定的时间内实 时处理不能得到保证，则整个系统的运行结果就会出现错误，甚至造成严重的后 果。例如在电机实时加载控制系统中，假设不能按照指定的频率完成对需要的电 机各种参数的实时测量，电机控制器就无法正确做出对电机转速的控制：在实时 电网j j 矗控系统中，如果对电网参数的测量、通信、处理不能满足实时性要求，则 西北工业丈学颈士学位论文实对i l 控软件技术研究 可麓会对电瓣狄态的监控出现漏刿、误判等严重后果。正因为电力电子领域存在 的实时性需求，对这些电力电子测控系统的实时性进行研究具有很重要的工程应 用价值。 在实黠测投系统的软徉开发方瓣，趟着软徉开发规模增大，复杂性逸髓之增 燕，入霞砖实葬雩溯控较箨翡要求瓷越来越毒。然瑟嚣蓊实辩溅控较伴舞发述滏来 摆脱手工作坊的模式，自动化程度榴当低，因而，需臻寻找一种工程化、标准化 的软件开发方法朱构建实时测控软件。要达到这一目标，就必须在实时测控软件 的设计时，对悉统进行分析和建模。当前，在软件设计镶域，u m l 已成为w 视 纯、详透、拷逑雾文氆纯软薛密集黧系统工舞夔工馥撅缓，裁秀了事实上豹椽准 建模语言。谯蜜时测控软件设计避程中，如果采用u m l 辩系统进行分析和建模， 则可更深刻理解实时测控系统需求，控制软件开发周期，并使得设计出的软件具 有良好的扩展性和可维护性，从而嶷现实对测控软件工程化、标准化的目标。 ，2 课题磷究琥获及发展越势 1 2 1 实时测控系统解决方案 。实薅测控系统本葳土是一种特殊豹计算极控铡系缝，爨嚣实对测控系绫瞧遵 箨与一般酶谤冀獍控籁系统鞠酝熬授术发震过程。王娩生产过程孛，筠6 9 零瓣毽 的p l c 和1 9 7 5 年闯世的d c s 可能惑两类影响最为深远的计算机控制系统“1 。p l c 的问世取代了继电器之类的器件，实现了开关量的连锁控制、程序控制；d c s 的闯世取代了驻示仪、调节器之类的仪表，实现了模拟缝的指示、记录和p m 回 鼹调蔫等功髓。2 g 邀纪8 0 年我末蘩，夔羞专 箕羲接本、逶信技本、集藏毽隆搜零、 智能传感器技术的发展而出现的现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n 的ls y s t e 眠 f c s ) 改变了原有控制系统的结构，使控制系统由封闭向开放走出了重要的步。 2 0 世纪9 0 年代中期，以p c 为基础的控制系统( p c - b 嬲e dc o n is y s t e i n ，p c b c s ) 舞始窭瑷，不少学者试为它将是工娥塞动纯领域最具发袋潜力懿藜技术，德织褥 p c b c s 与p l e 、d c s ( 或者再匀拜上粥s ) 并称为工业垒产道程三大( 或霞丈) 控制 系统。本文在论述时采用不包含f c s 情况的说法，这样测控系统的主要解决方案 可总结如下： 2 第一章绪论 ( 1 ) 基于p l c 的顺序逻辑测控系统 ( 2 ) 基于d c s 的大型测控系统 ( 3 ) 基于p c b a s e d 的测控系统 上述三种方案的主要优缺点比较分析如表1 1 所示： 比较项目p l cd c sp c - b a s e d 高，可用于严格高，可用于大型 场合，如锅炉、严格场合，如化 实时性中 电梯、机车等控工、钢铁、石油 制等场合 价格 中 高低 差，属于专属系差，属于专属系 开放性 强 统统 易使用性中差 好 运算能力差差 强 通讯能力差差强 开发成本中高低 表l l实时测控系统常见方案比较 随着p c 及网络技术的迅猛发展，未来的趋势是p l c 及d c s 逐渐向p c - b a s e d 靠拢，如采用p c 的c p u 、流行的e t l l 锄c t 、t c p 佃通讯协议；同时p c b a s e d 逐 渐向p l c 及d c s 渗透，如采用遵循c 1 1 3 1 的软p l c 。三者会取长补短，即p l c 和d c s 的开放性及通讯能力逐渐加强，同时p c - b a s e d 的实时性进一步提高。 由于采用p c b a s e d 方案的测控系统是测控系统发展的重要方向，因而本文 将就采用此种方案的实时测控系统展开研究。 1 2 2 实时测控软件技术概述 实时测控软件技术是面向工业实时测控应用场合的计算机软件技术。实时测 控软件的开发一方面要考虑实时处理问题，另一方面要采用合适的开发方法，达 到工程化和标准化的目标要求。 3 西北工业大学硕士学位论文实时测控软件技术研究 ( 1 ) 实时处理问题 实时性要求使得实时测控软件在设计时必须采用合适的实时算法和实时处 理平台。当前，在实时测控软件在开发中引入具有实时特征的操作系统作为实时 处理平台能大大提高了软件开发的效率，降低软件构建的困难度，成为实时测控 软件设计发展的一个重要趋势。 ( 2 ) 工程化、标准化目标要求 为了规范开发流程、保证软件产品的质量，实时测控软件的开发过程必须达 到工程化、标准化的目标要求。由于实时测控软件是面向工业实时应用领域，在 其设计方法和体系结构都具有自身的特点。另一方面，在大型软件设计时采用 u m l 进行建模逐渐变得普及。在实时测控软件设计时，为了更好把握和理解测 控系统需求，u m l 建模方法也越来越多地被人们采用。 1 3 本课题研究过程中的主要工作 课题具体研究内容如下： ( 1 ) 分析了实时测控系统中的实时性概念。并讨论了对实时系统进行性能度 量和评价的方法。 ( 2 ) 研究了常见的实时调度算法，给出相关的定理及其应用条件。 ( 3 ) 结合课题a r e 实时测控系统的开发，论述其设计目标，分析实时性需求 并给出硬件方案设计和软件开发过程。 ( 4 ) 讨论了实时测控系统软件平台构建，对常见的实时操作系统的性能进行 比较，并对w i n d o w s 操作系统的实时性及其实时扩展问题进行研究，然后给出a t e 实时测控系统实时处理平台方案。 ( 5 ) 研究实时测控软件常采用的设计方法、体系结构以及如何采用u m l 对其 进行建模，并将其应用于课题a t e 实时测控软件的开发过程，最终完成a t e 实时 测控系统软件的构建。 1 4 论文内容的安排 论文第二章分析实时测控系统中实时处理概念，包括实时系统和任务调度概 念、实时系统性能度量以及常见的实时调度算法等。 4 第一窜缝论 第三章介绍了课题罔瞪实时测控系统的开发，论述了a r e 实时测控系统的设 计目标，分析了实时性需求，然尉给出了的硬件系统方案和软件系统的开发方法。 第四章怒关于实时测控系统软件平台问题，对常规的实时操作系统的性能进 行比较，势砖稍羽。髓撵终系统鹣实跨性进行详细豹分橱，然磊讨论了懿辩对 w 诂d o w s 搽体系统进行实露扩展获箍胃鞋可作为实拜重测控软件平台一种w 行选 择，最后给出了课题a t e 实时测控系统的实时处理平台的解决方案。 第五章论述了实时测控软件设计，包括其常采用的设计方法、体系结构以及 基于 雕i ，的建棱方法等，并以瀑鼷烈r e 实对测控系绕软伴开发为铡，展承了实时 溺控软锌豹浚诗遂程。 论文最聪楚总结与展望，回顾和总结了所研究的内容，同时对下一步的工作 进行了展望。 5 第二章 测控系统中的实时处理概念 2 1 引言 第二章测控系统中的实时处理概念 实时测控系统是建立在实时处理概念的基础上的。设计者要构建健壮的、符 合实时测控需求的软件系统，就必须对实时处理的概念有较为深入的理解。这些 实时概念是实时测控系统的理论基础，而从它们衍生出的实时系统性能指标更是 评价实时测控系统性能的重要依据。在实时处理中，实时功能实现是由设计良好 的实时调度算法来保证的，因而实时调度算法是实时测控系统中实现实时处理关 键，它在很大程度上决定了实时测控系统的实时性。在实际应用中，实时调度算 法的选择不仅要考虑系统的性能需求、硬件体系结构等因素，还要考虑各种算法 的特点、性能及应用环境等。本章将对常见的实时调度算法进行分析，包括其应 用条件、适用环境等。 2 2 实时系统相关概念 2 2 1 实时系统 实时系统是指这样一类系统，系统操作的正确性不仅仅取决于输出结果的逻 辑正确性，还取决于结果的产生时间”1 。如果结果的产生时间不符合应用的时间 需求，则该结果可能是毫无用处的，甚至还会产生灾难性的后果。 根据对响应时间的要求，实时系统可以分为硬实时系统假a r dr e a l 一t i m e s y s t e m s ) 和软实时系统( s o f tr c a l - t i m es y s t 锄s ) 两类。硬实时系统中的任务必须满 足非常严格的时间限制，如果任务执行超出其截止时间，则会带来灾难性后果。 这类系统如：核反应堆控制系统、飞行器控制系统、汽车安全气囊控制系统、生 命支持系统等。相比而言，软实时系统虽然对任务完成时间有要求，但不是特别 的严格，偶尔违反截止时间的限制对系统的运行以及环境不会产生特别严重的影 响。多数情况下，软实时系统的计算结果的价值随系统响应时间超出截止时间的 增加而逐步递减。典型的软实时系统有银行和订票系统中的在线事务处理，网络 7 西北工业大学硕士学位论文 实时测控软件技术研究 视频会议系统等。 实时系统与通用计算机系统的主要区别在于。1 ： ( 1 ) 实时系统中的任务运行具有时间相关的属性，这些属性包括：任务就绪 时间、截止时间、执行时间、运行周期等。实时系统必须提供可预测的系统响应 时间。因此，和通用计算机系统相比，实时系统在最坏情况下的响应时间比系统 平均响应时间和系统的易用性更加重要。 ( 2 ) 实时系统对任务间的通信和同步、资源访问和系统调用有严格的时间限 制和可预测性要求。例如，任务进入临界区前的等待必须要有时间限制。即使是 内存操作和外部设备的输入输出时间也必须是可预测的，而对于通用计算机系统 而言，这些往往并不重要。 ( 3 ) 实时系统中采用的调度策略与通用计算机系统不同。在通用计算机系统 中常用的调度策略，如先来先处理，最短任务优先咀及时间片轮转等，以提高系 统的吞吐量和减少平均响应时日j 为目的，无法适应实时系统对响应时限的严格要 求。实时调度策略则首先需要保证系统中的每个实时任务在各种运行情况下都能 满足其截止时自j 的要求。通常的做法是根据系统中任务响应的紧迫性来区分任务 获得各种资源的优先权，保证优先级高的任务优先执行。 ( 4 ) 实时系统通常对可信性具有更高要求。实时系统常常被应用于关键的控 制系统中，系统故障和操作失败将会导致严重的后果，因此实时系统必须根据应 用的需求在可用性、可靠性、安全性、机密性和可维护性方面提供保障。例如， 在航天器中，为了避免电子控制装置故障可能引发的灾难性后果，通常采用冗余 的计算装置来达到容错目的，保障整个系统的可靠性和安全性。 2 2 2 实时任务调度 任务调度( 协ks c h e d u l i n g ) 是指给任务分配处理器资源，以保证所有任务能 够按照需求完成的过程。对于实时系统而言，如果任务集合中的一个实时任务在 特定的运行环境和调度机制下可以保证在其截止时间内完成，我们称这个任务是 可调度的( s c h e d u l 曲l e ) 。同样的，对于系统中所有任务的集合，如果集合中所有 的任务在特定的运行环境和调度机制下都可以保证在各自的截止时间内完成，我 们称这个系统或任务集合是可调度的。 第二章测拧系统中的实时处理概念 2 3 实时系统性能度量 实时系统通常用于关键性的应用中，所以必须在投入使用之前很仔细地进行 设计和验证。验证过程包括用正式或非正式的方式检测设计的正确性，描述性能 和可靠性的特征。选择合适的性能指标对正确描述性能是至关紧要的。性能指标 是个衡量标准，通过它来表示性能。从实际意思上来说，它们就是我们用来表达 系统性能的语言。 2 3 1 性能指标的特性 一个好的性能指标必须具有以下的特征： ( 1 ) 描述相关信息的一个有效编码 处理复杂系统时一个很重要的问题就是信息容量问题，此信息不光对系统来 说要有效，而且还能包括和外部环境相互作用的信息。这些信息应该有相应的编 码。 ( 2 ) 为给定应用的候选系统分类提供一个客观依据 所定义的性能指标必须能量化给定应用或应用集合中的计算机系统的优点， 因为它们必须能为同一个应用中的计算机系统划分出不同的系统等级来。 ( 3 ) 为实时系统设计提供一个客观的优化标准 系统越复杂，优化或调整它的结构就越困难，即使简单的动作都会有很多的 副作用，比如说改变计算机总线的数目。作为优化技术，运用直觉方式随着计算 机的复杂度提高，变得越来越不可靠，系统需要的是一种客观的优化技术，能对 其进行指导。 ( 4 ) 描述可验证性的事实 一个性能指标如果在实际应用中不可能得到，那么它本身是没有什么用处 的。性能指标包含的那些指数必须可以被合理而精确地估算得到，以使其在实际 应用中能被接受。怎样去理解和确定“合理而精确”所想表达的意思，取决于性 能描述的目的。 9 西北工业大学硕士学位论文 实时测控软件技术研究 2 3 2 传统的性能指标 通用系统中常常采用可靠性，有效性，系统吞吐量以及相关的指标来进行系 统度量。可靠性就是系统在任何指定的时间间隔中不会发生故障的概率。有效性 就是系统正常工作时间所占的比重。吞吐量是指每单位时间系统能处理的指令的 平均数目。 这些指标的确切意思需要在系统正常工作和死机两种情况下定义，这对于简 单系统而言是很容易实现的，但对性能会适度退化的系统，就必须定义一组系统 的故障状态。故障状态是由具体的应用来决定的，因为不同的应用需要计算机部 分不同的能力。如果系统的状态不在这组故障状态中，就被定义为工作正常。在 一些时间间隔中，系统状态不属于故障状态的概率就是在这段时间内的可靠性。 与之相关的指标还包括生存时间的期望值( e x p e c t e dc a p a c i t ys u n ，i v a lt i m c ) ，它指 的是指性能降到一个特定值的期望时间和发生故障莳的平均计算量( m e a l l c o m p u t a t i o n b e f o r cf a i l u r e ) ，是系统失效之前已作的平均计算量。计算的可靠性 ( c o m p u t a t i o n a lr e l i a b i l i t ”f g d 是系统在时间点f 执行任务丁而成功执行完毕 的概率。系统在时间点珀q 状态是s ，它是个有效状态。与之相关的是计算的有 效性( c o m p u t a t i o n a la v a i l a b i l i t y ) ，它是在任何给定时间点的系统计算能力的期望 值。 这些传统性能指标的缺点是它们没有提供一个能研究硬件、系统软件以及应 用软件间的相互影响的机制。可靠性通常仅仅只关注于硬件或软件中的一个，它 们是相互独立的。有效性在实际应用中作为满足执行时限能力的评测是没有用处 的，一段系统正常工作的时间并没有告诉人们系统单个死机时间的长度。吞吐量 只是一个平均权值，它传达了计算机处于自然状态下的计算能力，但是并没有给 出任何不同控制作业的响应时间。如果在只根据硬件就可以清楚的定义出那组故 障状态这种情况下，这些传统指标能起很好的作用。但对复杂系统来说，这组状 态不仅仅取决于硬件状态，而且取决于当前时刻处理器上任务的分配方式，以及 它们被调度的方式。在传统指标中，没有一个简单的方法去合并这些需要表达出 来的效果。所以传统的可靠性、有效性和吞吐量不适合作为实时计算的性能指标。 l o 第二章测拧系统中的实时处理概念 2 3 3 实时系统性能指标 由于传统的性能指标不适合用于实时系统性能的度量，因而必须寻找能够准 确描述实时系统的指标。文献 4 对实时系统性能分析和研究的基础上，提出采 用可运行性和代价函数作为实时系统性能度量的指标。 2 3 3 1 可运行性 可运行性( p e r 砌m a b i l i t y ) 在传统度量指标上进行了改进，清楚地反映了如下 事实：实时计算的性能应该和受控过程的执行结果相关联。受控过程被定义为几 个实现层( a c c o m p l i 妇朗“e v e l ) ，它们在用户的眼中是不同的性能层次( 1 e v e l s o f p 酬f o i m a l l c e ) 。每个性能层次是和一组确定的控制任务的执行相联系的。为了完 成每个控制任务，需要实时计算机运行一组控制算法。实时计算机的可运行性定 义为计算机系统使每个实现层都能够被满足的概率。准确来讲可描述为：如果有 甩个实现层4 ，4 ，一j 4 ，实时系统的可运行性可表示为向量 ( ，】【4 ) ，h 4 ) ， 只4 | ) ) ，这里的她) 是计算机以某种方式工作从而使受控过程 达到实现层4 级目标的概率。这样，用户所看到的受控过程的性能质量和实时 系统的性能相联接起来了。 图2 1 表示了可运行性的一个层次图的四个视图： 视图0 视图l 视图2 视图3 硬件结构操作系统应用软件 图2 一l可运行性层次视图 西北工业大学硕士学位论文 实时测控软件技术研究 从上图中可以看出：每一层都是被上一层的需求所驱动着，而从它下面一层 接收输入。每一个视图比它上面的视图更为详细。视图o 根据受控过程的状态变 量来详细说明是什么使用户从一个性能级别区分出另一个性能级别；视图1 则更 详细地说明受控过程的任务必须被运行( 和它们的时间限制相联系) 以满足每个 级别的性能要求；视图2 表示了满足视图l 中每一个受控过程任务的详细算法描 述；最后，视图3 列出了满足视图2 所需的硬件结构、操作系统和应用软件的属 性。 可运行性考虑了视图1 和视图2 中对操作环境的要求，必须使用适当的控制 算法来满足用户要求的性能级别，这些控制算法是操作环境的函数。 通过适当定义实现层次，可运行性就可以简化为任何一种传统的性能评测指 标。例如，如果我们定义实现层次为单位时间处理的作业数目，那么可运行性就 简化为了吞吐量。但可运行性优点不仅限于此，而在于它实际表达用户能感知到 的性能要求。 需要指出的是，计算机的可运行性不仅取决于计算机系统，而且取决于一些 无法控制的因素。比如，计算机不能控制任何飞行中可能的紧急机械故障的发生， 而这种故障的可能性实际上影响了计算机的可运行性。 2 3 3 2 代价函数和硬时限 实时任务经常会有时限的要求，如果想避免受控过程的灾难性故障的发生， 在这个时间之前，这些任务就必须被执行完毕，为了定量描述这一特性，引入代 价函数的概念。上述任务对应响应时间都有代价函数，这些函数可以通过一个具 有零响应时间的实时系统和一个给定实际响应时间的定时系统的执行代价相比 较来得到。 受控过程在一个给定的状态空间内运行是有意义的，如果它离开这个状态空 间，则会导致故障。任何任务的硬时限定义为允许过程被保持在指定状态空间中 的最大计算机响应时间。一个特定任务执行的代价函数由下式给定： 月渤一荆 这里p ( 善) 表示和响应时间考相关联的执行代价。 1 2 第二章测控系统中的实时处理概念 2 4 实时调度算法 实时调度的分类有多种方式，根据建立调度表和可调度性分析是脱机还是联 机实现，可分为静态调度和动态调度；按系统分类，可分为单处理器调度、集中 式多处理器调度和分布式调度；按任务是否可抢占，可分为抢占调度和不可抢占 调度；而按实时性要求，又可以分为硬实时调度和软实时调度。本节将按照单处 理器调度、多处理器调度和分布式调度三大类对实时调度算法进行讨论嘲。 2 4 1 单处理器调度算法 常见的单处理器调度算法包括：单调速率调度( r a t em o n o t o i i i cs d l c d u l i l l 舀 r m s ) 算法，单调时限调度( d e a d l i n cm o n o t o i l i cs c h e d u l i n g ，d m s ) 算法，可抢占式 最早时限优先( p r c 锄p t i v ee a r i i e s td e a d l i n ef i r s t ，e d f ) 算法，最短空闲时问优先 ( l c 嬲tl a 】【时f i r s t ，l l d 算法等槲。 单处理器调度问题可描述为： 在满足下列3 个条件下： 任何任务都不存在不可抢占部分，且抢占所花费的代价可以忽略不计； 只是处理要求是重要的，内存、i ，o 和其它资源要求可以忽略不计； 所有的任务都是相互独立的且没有先后次序限制。 假设一任务集s = q ，吒，l ，周期分别是石，互，j 乃，执行时间为 c l ，乞， q ，时限为口，皿，j q ，q 口互，任务q 可以被抢占。c p u 利 用率用u = ( c ，z ) 来表示。对于单处理器，【，1 是s 可调度的前提条件， l - 】 否则s 不可调度。 2 4 1 1 单调速率调度算法 任务按单调速率优先级分配限m p a ) 的调度算法称为单调速率调度( r m s ) 算 法。脚，a 指的是任务的优先级按任务周期t 来分配。周期短的任务优先级高， 周期长的任务优先级低。 西北工业大学硕士学位论文实时测控软件技术研究 对于单调速率调度算法，我们还需要在问题描述的3 个条件下，再附加下面 两个条件： 所有的任务都是周期任务； 任务的相对时限等于它的周期，即口= 写。 r m s 算法有如下的定理： 定理2 1 ：咒个独立的周期性任务可以被r m p a 调度，如果u ，贮“”一1 ) 。 定理2 1 中不考虑胛= l 的情况。 如果在任务的调度中出现任务的时限不等于任务的周期的情况，那么单调速 率调度在这种情况下就不适用了，所以提出单调时限调度算法来解决这个问题。 2 4 1 2 单调时限调度算法 任务授单调时限优先缴分自c m p a ) 的调度舁怯称为单调时限调度( d m s ) 算 法，它的优先级设定和单调速率调度算法相似。任务的优先级按任务时限d 来分 配，时限短的任务优先级高，时限长的任务优先级则低。 对于单调时限调度算法，我们还需要在问题描述的3 个条件下，再附加下面 一个条件： 所有的任务都是周期任务。 d m s 算法有如下的定理： 定理2 2 ：任务q 可以被d m p a 调度( ，乃，f 。的优先级依次由高到低 排列) ，如果下列等式成立： 等+ 詈引铲骞q 等卑引谢= p + e 等+ 詈引谢铲驴+ e 1 4 第- 二章测控系统中的实时处理概念 这里= 萋f 毒b ，( 卜 表示大于或等于x 的最小整数) 中有一个“使等 式成立( 其中气口，气是任务q 可以执行完的时间点) 。 当所有任务的时限和它们的周期都相等时，单调时限调度算法就退化为单调 速率调度算法，这时为简便起见，可以用定理2 1 取代定理2 2 来分析任务的可 调度性。 d m s 算法是单处理器下的最优静态调度算法，即如果一组时限和周期不一 致的任务存在可行的静态调度以满足各个任务的时限要求，那么d m s 算法必然 能够找到一个这样的调度序列，而对一组任务d m s 算法找不到可行的静态调度， 那么任何其它静态调度算法都无法找到可行的调度序列。 2 4 1 3 可抢占式最早时限优先算法 可抢占式最早时限优先( e d f ) 算法是一种动态调度算法。可抢占式最早时限 优先指在调度时刻，任务的优先级根据任务的时限动态分配。时限越短，优先级 越高。 对于可抢占式最早时限优先算法，我们还需要在问题描述的3 个条件下，再 附加下面一个条件： 任务的相对时限等于它的周期，即9 = 写。 可抢占式最早时限优先有如下定理： 定理2 3 ：如果一个任务集可以按可抢占式最早时限优先算法可调度，当且 仅当【，l 。 如果某个任务在当前时刻开始使用资源，无法满足其时限的要求，e d f 算 法仍会做出一个无益的决定，将资源使用权赋给该任务。为了避免这种情况，产 生了最短空闲时间优先算法。 2 4 1 4 最短空闲时间优先算法 最短空闲时间优先( l l f ) 算法也是一种动态调度算法。最短空闲时间优先指 在调度时刻，任务的优先级根据任务的空闲动态分配。空闲时间越短，优先级越 西北工业大学硕士学位论文实时测挖软件技术研究 高。其中： 空闲时间= 时限一任务剩余执行时间 最短空闲时间优先可调度条件与e d f 相同( 定理2 3 ) 。 对于最短空闲时间优先算法，我们还需要在问题描述的3 个条件下，再附加 下面一个条件： 任务的相对时限等于它的周期，即口= 写。 但是，当任务集中出现时限和周期不一致的任务或者非周期任务的情况下， 人们还没有找到一个动态调度方法，它拥有一个切实可行的可调度性检查。为了 检查此种任务集的可调度性，目前只好先用可抢占式最早时限优先算法或者最短 空闲时间优先算法做一个调度序列，然后检查它们的时限是否得到了满足。 2 4 1 5 非周期任务调度算法 实时系统中，周期任务与非周期任务是共同存在的。对于这种系统中多任务 的调度算法，由于非周期任务产生的不规律性，我们必须能得到那些连续产生的 非周期任务的最小时间间隔，否则，非周期任务加给系统的负载就无法控制，调 度就无法满足时限的要求。 处理非周期任务的一种方法就是简单得把它们看作周期任务，以它们之间最 小的时间间隔当作它们的周期。 还有一种更为简单的方式是，定义一个假象中最高优先级的周期任务，它也 被赋予几个选定的假象中的执行时间。当这个任务被调度给处理器时，处理器就 运行等待中要求服务的非周期任务，这个时间以外，就用来运行周期任务。 2 4 2 多处理器调度算法 2 4 2 1 静态调度 问题描述：一组具有优先关系的任务在m 个处理器上运行，任务优先关系用 “ ”表示，即如果两个任务五，毛存在优先关系弓 乞，则五必须在乞开始运 行之前完成。任务优先关系可用一个无环图来表示，称为计算图g ，如图2 2 所 1 6 第一章 测控系统中的实时处理概念 不 ，丁2 1 孓：7 气 丁4 一丁 图2 2任务优先关系示意图 上图表示了任务集s = f 1 ，f 2 ，乃，乃，f 5 ，f 6 中任务存在优先关系 一 = ( q ，f 2 ) ，( q ，f 3 ) ，( l ，) ，( f 2 ，) ，( 乃，气) ，( f 4 ，f 5 ) ，( f 5 ，f 6 ) ) 。多处理器 静态调度就是要找出长度最短的调度表。 规定如下三种调度规范： ( 1 ) 基本( 或非抢占) 调度b s ，任务在执行过程中不能被打断。 ( 2 ) 可抢占调度p s ，任务可被抢占，这里的抢占不必是基于优先级的。 ( 3 ) 广义调度g s ，g s 是一个理论上的概念，允许一个处理器可在同一时刻 执行多个任务。事实上，每个处理器在某一时刻最多执行一个任务。g s 基于的 前提为：在给定的时间段，处理器可以将其计算能力的一部分口( o 口1 ) 分配 给任一任务。如果一个任务在某一处理器上花费了c 个时间单位，而处理器给这 个任务分配的计算能力为口，则这个任务在处理器上实际运行的时间长度应为 c 口个时间单位。g s 要求：给定j i 个相同的处理器，口七；同一个任务不可 以同时在多于一个处理器上并行执行。 定义g ( g ，| | ) 表示调度规范4 ( a 文p 贼g s ) 下，七个处理器的计算图g 的 最小计算时间。 定理2 4 ：可抢占调度和广义调度的最小计算时间相等即对任一七个处理器 的计算图g ，有： 巳s ( g ，后) = c k ( g ，七) 1 7 西北工业大学硕士学位论文 实时测控软件技术研究 b s 不能得到最短调度表；g s 虽然可以得到最短调度表，但只是理论结果。 由定理2 4 可知，p s 和g s 具有相同的最小计算时间，而p s 在实际中是可实现 的。直接求p s 调度表比较困难，一般采用如下的p s 调度表生成过程： ( 1 ) 根据任务间的优先关系，画出计算图g ： ( 2 ) 按g 生成g s 调度表： ( 3 ) 采用某种方法将g s 调度表转换成p s 调度表。 2 4 2 2 动态调度 问题描述：到达时间不确定而计算时间c 和时限d 已知的n 个任务，运行在 脚个处理器上，h 不确定，动态调度的目标是使系统能够对变化的环境做出迅速 的反应。 调度任务的状态可以由，一c 空间表示，如图2 3 所示。 c。 夕 、正 r、正 ：j 五 、 图2 3z c 空间示意图 上图中，圆圈表示任务在，一c 空间的位置，即f 时刻的状态。横坐标表示任 务的空闲时间砸) ，纵坐标表示任务的剩余计算时间c o ) 。任务空闲时间 砸) = d c 。图中虚线间隔表示一个时间单位，如吒的当前时刻的空闲时间为 2 ，剩余计算时间为3 ，因此时限为3 + 2 = 5 。 1 窖 第二章测控系统孛豹实时处理摄客 每隔一个时间单位，f c 空闯将刷薪一次。任务程，一c 空间的位置交优舆有 不同的含义： ( 1 ) 任务执行：任务向下移动，c 变小； ( 2 壬务零捷簿：经务囊左移动，0 ) 交夺； ( 3 ) 任务来到达：任务不动。有些任务的计算时闻和空闲时间在任务来判达 前就已确定，这些任务在，一c 空间预留了位置，但只脊到达后才被激活； ( 4 ) 新任务到达：根据到达任务的计算时间c 和空闲时间，设置其在，一c 空 翔懿坐标蕴嚣； ( 5 ) 任务撬稃完毕：任务到达# 轴，此时雄) = o ； ( 6 ) 任务运行超时失败：任务落在c 轴左边，此时，( f ) o 。 任务时限聪性也在# 一c 空间袭承出来。由于d = ? 9 ) 十c o ) ，因此相同对隈的 任务都位子1 3 5 + 角静褥一壹线纛，褥时限澄4 5 4 蕉递增。如匿2 3 舞示，