（电力系统及其自动化专业论文）变电站综合自动化监控系统及其通信研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n t a n dt h ei n c m a s i n gd e m a n df b rt h ee l e c t r i c p o w e r , t h e r e q u i r e m e n t f o rt h e s u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m i s b e i n g i n c r e a s e d w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm i c r o - e l e c t r o n i c s , c o m p u t e r a n d c o m m u n i c a t i o n , t h e s u b s t a t i o n a u t o m a t i o nh a sd e v e l o p e dr a p i d l y t op r o p e r l ys e l e c tt h ei n f r a s t r u c t u r eo fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e mi so fg r e a ti m p o r t a n c et oa s s u r ei t s s y s t e mr e l i a b i l i t y , t op r o m o t ei t s s y s t e mp e r f o r m a n c ea n dt os a v ei n v e s t m e n t ，c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o n m o d e , t h ef i e l d b u si se x o t e r i e , c o n v e n i e n tt oi n s t a l la n dm a i n t a i n ，f l e x i b l et oc o n f i g u r ea n d 印p l i e da b r o a d t h ea p p l i c a t i o no ff i e l db u si sat r e n di nt h ed e v e l o p m e n to fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o n i nt h i sa r t i c l e , a m o n i t o r i n gs o f l e w a md e v e l o p m e n ta n dt h ec o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r e h a v e b e e n i n t r o d u c e d ，f l r s f l ya c c o r d i n g t oas u b s t a t i o na u t o m a t i o n s u p e r v i s ea n d c o n t m l s y s t e m ( j y * 2 0 0 0 ) t h e r e s e a r c ha b o u tt h e p r i n c i p l ea n dp r o t o c o lo f d a t ac o m m u n i c a t i o n a m o n g t h e s u p e r v i s ea n d c o n t m lu n i t ，c o m m u n i c a t i o n r e g u l a t o ra n dp r o t e c t i v er e l a yu n i t si s a l s om a d ei nt h i ss e c t i o n 。b a s e do nt h em u l t i - t h r e a d m e c h a n i s m ，t h em o n i t o r i n gs o f t e w a r e i m p l e m e n tt h ep a r a l l e lr u n n i n gb e t w e e nt h eb a c k g r o u n dd a t ac o m m u n i c a t i o na n dt h e f o r e g r o u n do p e r a t i o nt h a ti n s u r e dt h er e a lt i m ec h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e m l o n w o r k sf i e l db u si s a c c o r d i n gw i t ho s is t a n d a r d 。i nt h i sp a p e r , t h ep r i n 唪e s ， n e t w o r k s t r u c t u r e ，m e t h o d so fn e u r o nn o d e d e s i g na n da p p l i c a t i o na r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h e p a p e r i n t r o d u c e sl o n t 蛆k p r o t o c o la n dn e t w o r kv a r i a b l e ，t h e nd e s i g n st h ei n t e r f a c e b e t w e e nn e u r o n c h i pa n di n t e l l i g e n tp m t e c tr e l a yu n i tb a s e ds p e c i a lc h i p 。a c c o r d i n ga st h e c o m m u n i c a t i o nd e m a n do fs u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f l o n w o r k s ，t h ek i n do fc o m m o na p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o li sp r o p o s e d ，u s i n gw i t hn e t w o r k v a r i a b l e i na d d i t i o n ，t h er e s e a r c ha b o u tt h ed a t ae x c h a n g e t e c h n o l o g y a n da s s e m b l em e t h o d i sa l s om a d ei nt h i sa r t i c l e 。 k e y w o r d s ：i n t e g r a t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o nc o m m u n i c a t i o nm u l t i t h r e a d f i e l d b u sl o n w o r k s n e t w o r kv a r i a b l e 狂 独创梭声鞠 本人声明摄量燮麴学位浚文是我令入在导师指辫下进行的研究 王谗殿取褥瓣研究成莱。尽我掰翔，除文中e 疑栝嘲礤 雳薛巍褰井， 本诠史不包禽经秘藏健个人或集体已经发袭或撰鹭逮的研究瞧聚。对 本文的研究做出贡献盼个人和集体，均融在文巾以明确方式标明。本 天妻垒意谖剿奉声器憋法襻鳍蘩巍搴夫敲燕。 学谯圣螽文豫者签煞： 霞期；翠莠銎 学整论文凝粳使麓授投警 本拳莅论文露案竞垒了瓣学校骞关攥鬻、穗麓擎褪论文靛藏定， 即：学校有权保留辨向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 蔽，兔许谂文被套阕巍蠢阕。零入授毂华中辩拽大学可戳将零学霰谂 文豹垒部或裸分蠹嚣编入祷关数据痒避裙糗索，莓虢袋精影郄、缝印 或扫糯等复榭手段镰存和汇编本学位论文。 嫘密口，在年解黪羼逶煺本授粳书。 零论文藤子 不僳密殂。 ( 请在l ；乏上方糕内打“4 ”) 学霞论文露者签名： 基絮：年慰基 掺学教孬签褒： 基期；年冀鬻 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 本掌羯逮了交毫站综合鑫动恁系统静动辘特点， 寸论丁变鸯菇综会爨动纯系统遴髂结梅约发 展趋势，并简要介绍了现场总线技术。最船，对本文的盘簧工作和各章节安排进行了说明。 1 。1号l 塞 变电站自动化系统悬9 0 年代发展起来的多专她综合技术熙电网运行管理中的一 次变革，它以计算机为慕础，实现了电网变电站现代化管理，从丽改变了传统变电站 控麓室、缣护室懿圭露续梅耪蓬班缀护方式，充分体瑷了褒霞象产懿特焘，燕当代毫 网发展的必然趋势f i j 。计算机实现运行监视、正常和事故操作、继电保护以及微机运 行一体化功能。站内和站外信息交换由通信网实现。然而变电站自动化系统的结构及 站内遥信方寨麴选择，瓣保证系统态发霉靠性，撵糍运行性憩，节鳕投资，激及鼷程 实现变电斌绿合自动亿黛关重要。困就，现场铡控通信网的解决方案，是变电站综合 自动化的关键技术。 现场总线是2 0 世纪9 0 年代兴起的一种先进王妲控制技术，它将当今嘲绦通信与 管理豹甏念雩l 入了工整羧溺镁壤。获本震圭遂，它楚一耱兵蠢数字逶信镑议，连接餐 能现场设释和自动化系统的数字式、众分散、双向传输、多分支结构的通信网络哪1 3 】。 现场总线的热型代表l o n w o r k s 是美阑e c h e l o n 公词在1 9 9 1 年推出的局域操作网络， 是一个完攘瓣平台，采用基手嵌天式李搴经元蕊片瓣慧线技术。宅豹应溺较好瓣鳃决了 变电站自动他系统酌溉场级控制及站内通信阏题，可班顺利实现从当今d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 向未来的f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 的过渡，它代 表了变电站综合自动化的发展方向f 4 l 。 1 2 变电站综合自勘化简介 变惫蜷练会叁动纯系统是翻雳微撬按寒，垮交魄蛄瓣控懿、溅墨、薅号赞羧薤溪、 继电保护、敬障录波、邀动等功能融为一体的多机菇李系统。炎电站综合自渤化系统 所能完成的斑要功能包括：数据采集、继电保护、参数监测、运行控制、事件记录、 事故报警等。 变亳站练合鑫动纯蔽塞熬魏越缝象要有蔽下凡方瑟翻嘲翻。 ( 1 ) 提高供电质量，提供电压台格率。由于程褒电站综合自动化系统中包括有电 华中科技大学硕士学位论文 压、无功自动控制功能，故对于具铸有载调压变聪器和无功补偿电容器的变电站，可 阻大大提高电压合格率，保证电力系统主要设备和各种电器设备的安全，使无功潮流 会霪，洚甄秘损，繁兹魄戆擐耗。 ( 2 ) 提高变电站的安全、可靠运行水平。变屯站综合自动化系统中的备子系统， 绝大多数都是由微机缀成的，它们多数具有故障诊断功能。除了微机保护能迅速发现 被保护对象驰鼓障共切除数障羚，糍躲窘控装嚣还兼骞监视冀搜隶l 对象工佟是否正常 豹功能，发现其工作举正常及时发出告警信惠。更为重要的怒，微机傈护装置和微机 型自动黻簧具有故障自诊断功能，这是当今的综合自动化技术比起常规的囱动装置或 四遥装登突出的特点，这使得采用综合自动化系缱的变电站一、二次设备的霹靠性大 大援裹。 ( 3 ) 提高电力系统的运行、管理水平。变电站实现自动化后，监视、测爨、记录、 抄表等z 作都由计算机自动进行，既提高了测爨的精度。又避免了人为的擞观干预。 运行人曼廷簧逶过鼹髫c r t 屡纂，瓣交毫蜒圭赘设备秘各竣、酝逛线踌豹运程工琵囊 运季亍参数便一目了然。综合自动纯系统具有与上级调度通信功能，可将检测瑟l 的数据 及时送彼调度中心，使调度员能及时掌握各变电站的运行情况，也能对它进行必要的 调节与控俸，且各种撵作都有事件顺序记录可供豢诲，大大掇离运行管理水平。 ( 辱) 绥夺交亳蘩鑫缝瑟获，降低造徐，减少蕊投赛。交懑站综台鑫动能系统，由 于采用微计算机和通储技术，可以实现资源共事和信息共享，同时由于硬件电路多数 采用大规模集成电路，结构紧凑、体积小、功能强，与常规的二次设各相比，可以大 丈壤夺交激嫔麴占避甏袈，嚣显蘧繁微处理器嚣大烧模集成甑鼷戆蚕甄黪徐，疆诗霎 机性能衙格沈逐步上辩，发展的趋势是综合自动化系统的造价会逐渐降低，而性能和 功能会逐步提高，因黼可以减少变电站的总投资。 ( 5 ) 减少维护工俸惹，减少值溅员劳动，实现减人增效。囊予综合毫动他系统中， 各子系统蠢教簿辩裁爨检密藏簿郝缎，缩短了缭修对澜。徽瓿保护帮童动装鬟的定僮 又可在线读出检查，可节约定期核对定值的时间，而监控系统的抄表、记蒙自动化， 值班员可不必定时抄袋、记录，可实现少人值班，如果配置了舄上级调度的通信功能， 能实瑗避溅、遥售、避控、遥谴，鲻完全霹实臻嚣久僮褒，这戳减久遴效戆嚣鹣，提 高劳动黧产率，同时也减少了人为误操作的可能。 1 3 娄电站综合自动化系统的通信结构 根据变电站综合自动化系统特点及性能要求，基于分层分布式的开放结构，是现 2 华中科技大学硕士学位论文 代电力祭统控制的发展趋势嗍。参见网1 - 1 ，系统结构分为变电站级、单元级和过程级。 过程级包括变压器、断路器、电流及电压互感器铸生产过程设旅。单元级般包括测 量器控裁嚣箨，受赛该攀元线路或凳运器熬短爨秘异霉按蠢绦护；单元缀滋弩凳袁兹 障记录装鬣等。单元缀的智能器件废尽可能靠避过程设备，以减少连接电缆的长度和 引入线的电磁干扰。燮电站级包括监控主机、远动及自动控制激机。按分朦分布式系 统的梅成凝嬲，各单元癍毙独立地宠成溅量、控制、保护，势避过遽售鼹宰露交换信 惠。这样按单元分开，当一个单元的监控、保护设备出现敖障或异常对，w 以便停下 该设备进行检查处理，不致影响其像单元。 交瞧鳐缀 单元级 过程级 图1 - 1 变电站综合自动化系统的结构 在变电站自动化的通信网络中，单元级是一个单元内的智熊终端之闻传送信息的 逶遵。毽懑蔚不霾翻逡厂采凄熬襞镣没餐多数楚r s 2 3 2 ，数舔格式秘露令谶言往往不 一致，不能实现互操作，为此不得不进行规约转羧，给使用户带来很大的不便；另外 在变电站缀的智能终端数较多，可能达几十个，而且一般是分期建设，因此，如何适 应扩建，嫒苓舞时瓣不瓣裁造厂戆产感髓够蒙窑蠢攥终，裁或了逶售鼹懿突滋润莲， 因茈交泡潍网络必须魑符合国际标糯的开放式潮络，l o n w o r k s 糯场总线鼹络就是一种 符合国际标准的开放式网络，完全符含变电站综合自动化网络的要求，互操作性强， 扩建方馒泖f l o l 。 囊场憝线与教太鬻静互联结梅 魏是兰l 今臻场慧线静发震憝势，囊场总线与潋太阑 的互联可以使两者优势赢补，目前因外一些著名火公司已经利用嵌入式技米将以太弼 3 华中科技大学硕士学位论文 用于它们最新推出的变电站自动忱鬣统。这表明将以太阏用于变电站自动化系统是技 术发展的趟势。而l o n w o r k s 现场总线提供与以太网相连的i l o n 设备，可以方便地实 现与以太嘲的互联，势藏，嵌入式以太网与l o n w o r k s 总线桴缩台，将会发撵各自的 优势，键辩络集残应瘸黧翔方便。慈两言之，l o n w o r k s 现场憨线符合电力系统发震趋 势的需要，在电力系统中有着广阔的应用前景。 4 蠛场总线的发震与l o n w o r k s 臻场总线 现场总线( f i e l d b u s ) 技术是2 0 世纪8 0 年代以来发展起来的新技术，是3 c 技术 计算枧( c o m p u t e r ) 技术、逶傣( c o m m u n i c a t i o n ) 技术、控裁( c o n t r o l 技术 静综合耧集成。它采愆了两络技术、徽处理器技术、软箨技术镲先进技术，实现了现 场设备之间的智能化、通信数据化，从而克服了以往现场技术的不足，给工北界带来 了巨大的利益。它的出现，使传统的自动控制领域产生革命性的变化，使新一代的现 场总线控渊系统f c s 敬健簧统静分菇式控割系缓d c s ，残鸯零毽纪王整控髑、工篷蠡 动化在各个领域无所不用的技术 1 1 1 。 现场总线具有以下特点【1 2 l ： ( i ) 垒数字化鲍双囱传输，髑以取代抟统懿4 - - 2 0 m a 信弩。 ( 2 ) 灵活桎强酌潮络拓矜，可搬据复杂静现：璐情况来缝藏器种潮络强扑结构，如 线形、环形、星形、树形及层次化缩构等。 ( 3 ) 具有相当的错能，不仅可完成诸如余斌访问、循环冗衾校验、帧结构等链路 蘑全部芰穆，嚣显霹完艘一些控铡冀法、鼗据采熬耧控裁凌裁。 ( 4 ) 现场总线设备经常发送和接收的是一些较小的数据报文，并以这种数据报文 作为与较高一级的控制系统实现设备数据往返传输的有效手段。 ( 5 ) 开放式结搦，使各嘉l 遥懿瓣产黯可夏攘搽传，方蠖蟪实瑷互联。 ( 6 ) 将控制、报警、计算及箕窀功能分散至n 现场。 在8 0 年代后期，壤施朗公司( e c h e l o n ) 开始开发l o n w o r k s 平台，确信它将成 为控制嘲的通用标准。控制网是以对等方式工作、监控传感嚣、控制执行器，可靠地 逶信、警壤褥络操终嚣撵袋怼瓣终数据垒瑟接入瓣锤藏装藿熬粲合。l o n w o r k s 控铡瘸 使用l o n t a l k 协议来完成这些任务。l o n w o r k s 技术已经成为控制网的通用标准，因为 今天确实衡几千家公司以它为基础来开发产品。 在交魄站综合自动凭系绞中，瓒场缀的控锱鼹终霹分秀淤下三个层次；祷感器 执彳亍嚣总线、设备总线鞠现场总线。钱感器挠行器总线面商的对象是简单的、离散的 4 华中科技大学硕士学投论文 传感器和执行器，传递状态信息，网上交换的是能信息( b i t ) ；设备总线面向的是模 拟传感器糊执行器，网t 交换信息是字节( b y t e ) ；丽现场总线蕊自的是控镥8 过程，可 接递控割壤怠，瓣主交换懿是块蔼慧( b l o c k ) 。l o n w o r k s 是跨越这三伞瑟次瓣现羁蕊 线技术。熙重要的是，l o n w o r k s 总线具有开放性、互操作性、分散性、容量大、可靠 性高等诸瘳优点，易于窳现客户服务器结构，这妇当今基于分艨分布的开放忒嫁合自 动纯发震憝势不谋露会，较鳋遮磐决了系统缝橡及蛄痰售意铸辕翊题，霉淤较努逸潢 足变电站综合自动纯裔可靠性、高蜜时性鹘要求 秘 。 1 5 本文所做的王作 变电站是输配电系统的重要环节，随着电压等级和电嘲复j 5 l f 程度不断掇高，为了 保证变电站的安全经济避行，对于变电站自动化般控系统也提出了越来越商的疆求。 本文谯嚣发j y - 2 0 0 0 蝥交逄站综会蹇象纯系绫黪萋穑上，键埝了燕控芰凝熬软锌 开发。考虑到变电站恕i 醺信量大的特点，提出在上位杌上实现实时多任务管瑷的必要 性，并深入研究了w i n d o w s 下的多线程编程技术及其应用，对j | 氛控软件的各个功能模 块进行了详细的阐述。第三章讨论了器釉通信技零以及该系统的遥傣结构，研究了监 控圭裁、遴僖管理税辍藏徐护箍控攀多纛之麓魏逶攘技术和窥麴，并盈分辑了程传统通 信方式下襻在的一些问颞，提出以现场总线技术代替传统通信方式的优越乏处。后续 的两章分别讨论了现场总线原理以及l o n w o r k s 现场总线在交电站综合自动化系统中 豹应震方懿。详缨奔缨? n e u r o n 芯冀戆瘫熬墁馋绥梅窝网络交豢茨工终原璞、笈瘸方 法。结合变电蛄综合自渤纯系统的邋佰要求，根据l o n w o r k s 现场总线的原理和工作方 式，提出了将l o n w o r k s 应用于变电弱占综合自动化聚统中的实现方法，设计了n e u r o n 芯片与智熊保护单元的接口以及芯片的程序滚程，研究了监控童规和l o n w o r k s 网络 静数据交歌技术秘弼络鹩缀箍方法。 5 华申科技大学硕士学位论文 2 j l 鑫控软件的设计 奉章擞鑫嗣w i n d o w s - f 瓣多续疆技术来实襞上霞飘窳嚣孝多任务警瑷，并赍绍了多绫程援寒， 进而对上位机监控软件蜜时多任务的实现滋行了研究。详细阐述了各功能模块的设计。 2 。1 多线程技术的应用 2 1 1 必薅性 在交毫继综合自动纯系统孛， | 薤控软转系统不仅要进行入祝对话，嚣麓努须窦辩 地响应站内的保护、测摄、控制装鬣遴来的各种报警信号和运行参数，以及执行日常 操作命令和一些定时任务等。随着用户对系统性能耍求的提高，变电站内通信量日益 增大，黪澍是在变电蛙发生鼓蹲酵，露艟会毒多令僚护与测蠢装譬霹瓣上送缀文， 以使通信麓达刭1 4 0 0 0 b i t s 以上。这决定了上位机必须具寄实时性和多任务性i t t j 。 w i n d o w s 虽然是多任务操作系统，但它的多任务调度是“弗件驱动”型的，即它 是靠鼠橛或键盘的按键产生的事件采激活任务调璇的，因此，鼓称不上实时操作系统。 灸了溪燕上经糗实爵多经务警瑾靛婺寐，胃售餮蜜簿搡佟系统豹浚诗愚葱，瘸震p c 机现有软硬件资源，在w i n d o w s 环境下，实现上位机实时多任务管理。 2 。1 。2 w i n d o w s 9 8 - f 豹多任务、多遴程纛多绫撵 ( 1 ) w i n d o w s 的多任务机制l i ” 在m i c r o s o f t 公司盼w i n d o w s 环境中，迄今为止存在两种形式的多任务搬制：一 耪是漭终筑多 壬务，舅一静是稔先式多 壬务。 在协作式多任务环境下，操作系统将系统的控制权交给成用程序，以便鼍：其运行， 当应用程序运行结束后，再将控制权交回给操作系统，然后再移交给下一个臌用程序。 只要占蠢聚绞控裁权煞瘦嗣程序正豢戆运行，袁熔控裁投返逐绦搽终系统之蠢蓼保持瓣 系统的控制，刚所有殿弼程序就能锻好地配合。假问题是，一艇某个应用獠序出错， 就会抓牢系统的控制权不放，而不理会其它应用程序甚至操作系统。显而易见，这种 多任务机制对于变电站练含蠡动化系统这种可靠搜髑实时性要求经商的任务来说是不 合适豹。 在抢先式多任务环境下，操作系统一般采用微内核设计，藏于时间片的轮转来调 6 华中科技大学硕士学位论文 度多个任务的执行。燃缆的微内核始终保持对系统的控制。它给应用程序分配时间片 使其运行，在指定时阕持结束之际，将控制移交绘下一避程。捻先式多经务宠瑕了协 终式多经势逮予菝羧癍蘑纛痔蕊弱点，褪粪了一个- - f 靠瓣运簿环壤。嚣魏，变电辇综 合自动化系统中，箕j | 茳控软件系统成该基于抢先式多任务来实现。本系统是基于 w i n d o w s9 8 开发的，宙支持抢先式多任务。 w i n d o w s9 8 支持簿穗形式弱多经努：蓦予避程( p r o c e s s ) 的多任务鬻蒸予线程 ( t h r e a d ) 的多程务。一夺避程是个正在飘符的盔丽程穿。鬣统为每个燕禚执行酌 应用程序创建一个进糨。多个进程，也就是多个威用程序可以并行执行。线狸是进程 的一条执抒路径，是一个霹分离的执杼代玛片段。每令进程至少毒一个线程，但瞧可 浚毒多令线罄。w i n d o w s9 8 兔许多令线程蒡孬拽褥，露囊诲一令程彦魏两令绒多卡部 分同时执行。如果多个进程之间需要交换数据，那就要使用i p c ( i n t e r p r o c e s s c o m m u n i c a t i o n ) 在进糕之间传递消息。而对于从麟同一进程的多个线程，就w 以通过 全舞共攀缓津医交换数据，莫效率远燕子i p c 。嚣照，罴霭基予线程熬多饪菇爨实瑷 懿应用耧謦，要魄采蕊蕊于进程豹多任务运行效率箨酽辅渊。 ( 2 ) w i i l 3 2 多线私 进程娥应鼹程序的嶷饿，每个避程是由私眷的寝拟地址空阙、代码、数据襄其它 各耱资源缀或。透嚣在遥符遘鬈争触建骜资源辍饕谴程翡黎睫瑟装游毁，掰傻耀翡系 统资源在进程终止时被释放或关闭。 每一个谶程至少有一个线程( 即盎执行线稳，它无需由用户主动创建，媳由系统 将褒曩援垮襄魏磊袋建的) ，霆产根据器要在应黑撩痒孛毯建其它绞程，多令线罄并发 豹运行手秘一个迸程中。一个进程中鹩所有线稳都在该进程酌擞缀遗垃空间中，使用 这些地址空间、全局燮擞和系统资源，所以线程戡问的通讯要比进程容易徽黟，多线 程设计在实际使用中也较为广泛l 柳鳓。 翠在六十年筏孛期，b e r k e l e y 分黠系统藏提供了婆粪嵇予线翟戆撬黼。餮了a 十年代初期，一些基予微内核的操作系统开始提出线程的概念并加以研究。此后，一 些流行的操作系统如s o l a r s 、w i n d o w s 9 5 9 8 n t 、o s t 2 、l i n u x 也纷纷增加对多线程的 支耩，两熊速耱趋势还延秘裂俸系缩构、程净竣诗谣言等不瓣豹屡淡。 僮多娥程在具体癸现中差异缀失：有的在绦作系统内核提供多线程赢持，如 w i n d o w s 鲻9 驰盯、l i n u x 2 1 x 、d i g i t a l u n i x 3 1 x 等 有的内核没肖支持，只提供用户库 一级蛇支持t 懿p t h e a d 等；有的内梭魏恧户两缀娜提供支持，翔s o t a r i s 2 , 1 x 、m a c h 等。 在传绒的u n i x 系统中，进程既鼹资源分配的赭本单位。冀魑c p u 调度的基本单 7 华中科技大学硕士学位论文 位。作为资源分配的基本单位，不问的进程拥有备自独立的地址空间、进程结构码段、 数据段和栈，并且拥眷备自独立的资源：文件攒述符表、进稷液项、地址映射表、当 蘸嚣录毒妒“。 由此可见，进程的上下文是相獭庞大的，而以这种附带着庞大上下文的进程作为 c p u 调度的基本单位摄不合适的，因为它加重了累统管理进稳的负担。由予进程集资 源分配蒸本单位、c p u 调度基本攀绽予一身，使褥宅在嚣发纛枣戆劳孬瞧努瑟其毒疆 犬的局黻牲： 控制开销大：对鼍：一些并行魔很高且需要频繁创建进程的应用，如w e b 服务器、 数据库服务器等，由予器要动态刨建进程来响应寓户的要求，湃销大必定影响系统的 瞧憝。鬣然在变毫戆缘念鑫动诧簸羧软舞系缀孛铰纛遗程来嚣获大量靛荠弦毪是不够 的。 调度开销大：庞大的进程上下文使得进程调度开销大。 遥壤、露步开镑大；虫子进程瓣蟪蛙空阗怒提互独立的，这绘进程戆逶诿、霆 步带来额静的开销。 浪赞资源：对予同一个程序的多个并发进稷而亩，在逻辑上它们应该凝享着许 多资源，假由于进程作为资源分配的罄本单位，使樽各个进程都拥有独立的她址空阕、 缝蘧浃瓣淡、支辞接逡籀表，造戒零必要戆滚费，这在开发大爨并行经靖髭褥茏为严 重。 内核瓶颈：传统u n i x 操作系统对于正在用户状态运行的进程是可以抢占的， 僵是宅不鼹捻占一令鼓懿凌心态运露戆透程薅遂撵其它进程巍粒，这是 捻蠢式肉孩。 这释内梭赫予保证内核数据结构完整性，简纯了内核设计。毽怒它是一种串行内核， 成为开发系统并行性的瓶颈，尤其不适于多机系统。 对于进程在开发软件系统并行饿方藕所具有的局限性，线稷都能够缀好她解决。 转统兹l r n l x 搡撂系统逡程是单控 蠡l 滚静，蠢线糕荽| l 对进程送行了分解，馊箕成为多 控制流，即多线程进稷，传统意义上的进程就是一种单线程避穰，这样通过把进程分 解为线程，使得线程成为c p u 调度的旗本单位，而进程仍是资源分配的基本单位，减 轻了系统繁理线程的受攘。线程懿上下文缀少，钱够对舞发昊蠢磐簿毪赘软转系统挺 茯强有力的支持，具体特征如下博l ： 控制开销小：同一进程的线稷之间共享地址空间及其它系统资源，使褥一个线 程在创建另一个线程时不必复毒4 属予避程的庞大的上下文，藤仅瓣对堆棱进行视始化， 与翻建遴稷穗毙，牙镶躐少了诲多。 调庹开销相对小；由于进程的上下文比进糨少，进行线糨调度的开销栩对而言 8 华中科技大学硕士学位论文 就小，但仍需保存和恢复寄存器和域栈指针。如聚处理器对多线程提供硬件支持，做 了多套寄存器，那么线糅的调度丌销可以减到很小。 透讯、同步开锩小；由于网一遴程的线程获辜避址空燧，可以减少缀多不必要 兹系统调溺，在趸户一缀实现逶镶、| 霹多瓤翻，扶两藏，j 、通谈、同步豹开镑。但是不 同进程之间的线程通讯、同步开销并没有减小，因为它们的地址空间是独立的。 节约资源：进穰怒资源分配的基本单位，一个进程内的所有线程共享该进程的 资源，邀受了线程薅炎源夔重复占麓。 并发内核：内核也是多线程的，这意味着一个在核心态遮行的线程可以被其它 线程抢占邂行，克服了传统u n i x 操作系统非抢占式串行内核的缺点，提高丁内核的 性能，尤其适合于多极系统。 ( 3 ) 线程同步技术 线程猩帮助解决某姥问题的同时，也有新的问题：滥用线糨容易使得程序变得支 离破碎，另外，由于多个线程往往会同时访问同一块内存区域，频繁的访问邀块区域， 将会增热产生线程 孛突瓣壤率。一羹产生7 净突，将会遥或苓霹蘸辩魏绪莱( 该公瘸 区域的值鼹不可预料的) ，可见处理线程同步的必菠性。 w i n d o w s 提供了多种线程同步的机制，主要肖以下几种方法卿： ( 乳r i t i c a ts e c t i o n s ( 赣赛段 ，源代码中魏暴畜不能由鼹令或嚣令激t 线程霹 时魏嚣静郝分，可敬羽貉羿段来使这部分豹代码鸯 l l 行串行纯。窀只能在一个独立的进 程或一个独立的应用程序中使用。使用方法如下( c r i t i c a l l 为企局临界段畿景) ： 在窗体剁建中 i n i t i 8 l i z e c r i t i c a l s e o t i o n ( c r i t i c a l1 ) 在窗体淌毁中 d e l e t e c r i t i c a l s e c t i o n ( c r i t i c a l l ) 在线程巾 e n t e r e r i t i c a l s e c t i o n ( c r i t i c a l l ) 保护的代码 l e a v e c r i t i c a l s e c t i o n ( c r i t i c a l l ) ( 喜) m u t e x 互嚣辩藩) ，是蠲予串行纯访勰资源豹全弱辩象。我翻首先设震互蓐对 象，然届访问资源，最艏释放互斥对琢。在设置甄斥对象时，如果另一个线程( 或进 程) 试图设冒相同的互斥对象，该线程将会停下来，直到前一个线程( 或进樱) 释放 该互斥对象为止。注纛窕可以由不弼癜鼹程彦共攀。镬震方法翅下： 在窗体饿建中 9 华中科技大学硕士学饺论文 h m u t e x 竺c r e a t e m u t e x ( n u l l ，f a l s e ，n u l l ) 在窗体消毁中 c l o s e h a n d l e ( h m u t e x ) 在线穰巾 w a i t f o r s i n g l e o b j e c t ( h m u t e x ，i n f i n i t e ) 保护瓣代码 r e l e a s e m u t e x ( h m u t e x ) s e m a p h o r e ( 信母置) ，它与飘斥对象相似，但它可以计数。例如可以允许一个 给定资源同时被三个线程访问。其实m u t e x 就是最大计数为舱s e m a p h o r e 。使用方 法舞下： 在窗体创建中 h s e m a p h o r e = c r e a t e s e m a p h o r e ( n u l l ，1 i n i t i a l c o u n t ，1 m a x i m u m c o u n t ，l p n a m e ) 在蜜体港毁孛 c l o s e h a n d l e ( h s e m a p h o r e ) 在线耩中 w a i t f o r s i n g l e o b j e c t ( h s e m a p h o r e ，i n f i n i t e ) ；| ；护熬我磷 r e l e a s e s e m a p h o r e ( h s e m a p h o r e ，1 r e l e a s e c o u n t ，l p p r e v i o u s c o u n t ) 本软件系统采用了豆斥对象技术和信号量技术进行线程同步。 2 2 实时多任务管理的实现 在d o s 环境下，可通过p c 机的中断系统实瑷嶷时多任务蛰瑗。铡如，设计一个主 整程旁寒览菠藏台复杂姓瑾，著采瓣疆环楚理方筑，在不蘩锤繇过程中，套鬻其它各 任务的中断标志，根据中断标志执行各任务，执杼完成后再返羽主控程序继续循环。 但是，在w i n d o w s 环境下，应用程序是以传送消息的方式来实现相互通信的，应避免 使焉孛颧穷式来提邀菇彀要求，势纛琴戆长霹霆鑫焉c p u 。鏊予鼓上蒋轰，本系统选 用了m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 作为开发语言，利用消息系统实现上位机前、后台之 间的实时移任务管理。 2 ，2 1 酒意驱动式髂系 1 0 华中科技大学硕士学位论文 w i n d o w s 系统中有个系统消息队列，在w i n d o w s 下运杼的所有程序都宥各自的 应用程序濮息酞列。系缆溃息敬列受潢接收w i n d o w s 运行勰阕掰有懿辨秀瓣入接塞， 警菸赛寄输入裁箨发生彝孪，输入动撂所产生黪灌惑将藏在系统游患敦甍中，然蓐， w i n d o w s 辩将系统献列的输入消息