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网络控制系统中的若干通信网络实时特性研究 摘要 网络控制系统是一种金分布式、网络化实时反馈控制系统。和传统的控制 系统相比，网络化结构把控制任务下放到智能现场设备上，使危险因素得到分 散，提高了系统的可靠性和安全性。工业通信控制网络的实时特征是确保网络 控制系统性能的关键。本文在国家自然科学基金项目“基于现场总线的实时工业 通讯系统建模与分析( 6 0 0 8 4 0 0 1 ) ”和“中法先进研究计划”课题：“面向工业实 时通讯的高速以太网实时能力分析与优化( p r as l o l 一0 4 ) ”的支持下，提出了“网 络控制系统中的若干通信网络实时特性研究”。在网络控制系统中，p r o f i b u s 是应用最广的一种现场总线；交换式以太网能够克服传统以太网延迟不确定的 缺点，并提高网络控制系统的可靠性：无线控制网络是上面两种控制网络的有 利补充。根据网络控制系统对于实时通信的要求，本文针对上述三种典型网络 的实时介质访问控制和相关问题进行系统的探讨和研究。 ( 1 ) 第一部分以p r o f i b u s 为例，研究现场总线的实时特性。 p r o f i b u s 主要采用主从节点、分布式令牌和优先级等机制管理整个网络的 信息通信，但是对这些机制一直缺乏系统的研究。论文借用实时调度理论的基 本方法对其实时特性进行理论分析，得出满足信息实时传送的充要条件。在此 基础上，采用图论研究分析p r o f i b u s 中令牌环的运行特性，并且给出启发式 调度算法，得出更合理的令牌环顺序，最大可能地降低通信延迟。上述成果能 够为p r o f i b u s 在工业过程中的应用提供借鉴。 ( 2 ) 第二部分着重介绍和分析交换式以太网的实时特性。 在建立交换机的延迟模型基础上，推导出输出缓冲延迟分布、队列大小等 特性；接着比较传统总线型以太网和交换式以太网的端到端延迟，为交换机以 及交换式以太网的设计和分析提供可靠的理论基础。 怎样维护无环路的拓扑结构，为网络节点之间的通信提供快速、高效的路径， 是交换机必须完成的重要功能。本文提出了一种为每个虚拟局域网建造一个树 结构的协商式生成树协议。这个算法能够快速收敛，缩小交换机端口的转发延 迟，提高网络的实时特性。 针对交换式以太网q o s 实现问题，按照网络流量分配优先级、实时性信息 分配较高优先级的原则，本文提出考虑优先级的加权公平队列算法( w f q p ) ，即 对交换机的数据流进行调度处理，降低实时信息的端到端延迟，从而有效提高 实时信息的传输质量。 ( 3 ) 第三部分研究了无线网络的实时特性 考虑到工业控制环境中对于网络的实时性和可靠性的高要求特点，本文首先 研究基本业务群网的特性，提出了一种改进的介质访问控制( m a c ) 协议，来 提高网络处理实时信息的能力；接着分析扩展结构中访问节点( a p ) 站点的轮 询机制，推导出信息的传输时间；最后比较了几种网络拓扑对信息延迟的影响， 仿真结果表明采用i p 网络连接无线网络和有线网络得到的无线延迟最小。 ( 4 ) 工业控制网络在造纸工业中的应用研究 在研究3 种典型工业控制网络的基础上，文章接着分析造纸工业中的信息网 络，提出以p r o f i b u s 为现场级控制网络，交换式网络为工厂级网络的造纸厂 信息系统。 最后，在总结全文的基础上，笔者给出论文研究过程中得出的思考和结论， 提出了一些需要进一步深入研究的问题。 关键词：工业控制网络p r o f i b u s协商式生成树协议w f q p 无线 局域网 a b s t r a c t w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i n d u s t r i a ln e t w o r k i st h e k e y o ft h en e wc o n t r o ls y s t e m n c s ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ) i s ak i n do f f e e d b a c kc o n t r o ls y s t e mw h e r e i nt h ec o n t r o ll o o pi sc l o s e dt h r o u g h r e a l - t i m ec o n t r o l n e t w o r k i t sp e r f o r m a n c em a i n l yd e p e n d so nt h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo f i n d u s t r i a l n e t w o r k s o ，t h i sp a p e rm a i n l ys t u d y s “t h e r e a l - t i m ec h a r a c t e r o fs e v e r a l c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si nn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ”s p o n s o r e db yn a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ：“m o d e l i n ga n da n a l y s i so ff i e l d b u s b a s e dr e a l t i m e i n d u s t r i a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ”( n o 6 0 0 8 4 0 01 ) a n d “a n a l y s i sa n di m p r o v e m e n t o f h i g hs p e e d e t h e r n e ti nr e a l t i m ec a p a b i l i t y ”( p r as i 一0 1 0 4 ) t h ep a p e ri sd i v i d e d i n t of o u rp a r t s ： i nt h ef i r s tp a r t ，t h er e s e a r c hi sf o c u s e do nr p o f i b u s t h i sp a p e ra n a l y z e st h e t e m p o r a lc h a r a c t e ro fp r o f i b u su s i n gt h ew o r s tc a s es c h e d u l i n ga n do b t a i n st h e s u f f i c i e n ta n dn e c e s s a r yc o n d i t i o ns a t i s f i e dt o s c h e d u l a b i l i t y b a s e do nt h ec h a r a c t e r o fi n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n ，t h i sp a p e rp r o v i d e s ah o l i s t i cs c h e d u l i n gt oc o n t r o lt h e s e q u e n c eo f t o k e nr o t a t i o nu s i n gg r a p ht h e o r y , w h i c hi m p r o v e st h et e m p o r a lf u n c t i o n o f p r o f i b u s t h es e c o n d p a r ti s 曲o u ts w i t c h e de t h e r n e t t h a ti st h em o s t i m p o r t a n tp a r to f t h i s p a p e r t h i sp a p e rp r e s e n t s at h e o r e t i c a n a l y s i s o ft h e t e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c s o f o u t p u tb u f f e r i n s w i t c h ，g i v e s t h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o no fd e l a ya n d a v e r a g eq u e u i n gt i m e ，a n dc o m p a r e st h ee n d t o e n dd e l a yb e t w e e nt r a d i t i o n a la n d s w i t c h e de t h e m e t v l a ni so n eo fi m p o r t a n tt e c h n o l o g i e st h a ts w i t c hh a st o i m p l e m e n t s w i t c hh a st or a p i d l ya n de f f i c i e n t l y f m da n dm a i n t a i na nu n l o o p e d t o p o l o g y t h i sp a p e rc o n f i g u r e s v l a nb a s e do nc i s c o sv t pa n d p r o p o s e s a s p a n n i n gt r e ep r o t o c o lb a s e do np r o p o s a l a g r e e m e n tn e g o t i a t i o n t h i sp r o t o c o lc a n g e tt o p o l o g yr e c o v e r yr a p i d l y , r e d u c et h ef o r w a r d i n gd e l a y , a n di m p r o v e t h et e m p o r a l c a p a c i t y t h e n ，t h i sp a p e rg i v e st h ea p p l i c a t i o no fq o $ i n s w i t c h e de t h e r n e t q o si s o f t e nu s e dt oi m p r o v et h er e a l t i m ef u n c t i o ni nn e t w o r k t h i sp a p e ra d a p t sw f q p r w f qb a s e dp r i o r i t y ) t o s c h e d u l ef r a m e t h i sm e t h o dn o to n l y g u a r a n t e e st h e r e a l t i m et r a f f i c sd e m a n d ，b u ta l s om a k e sl o w p r i o r i t yf r a m eg e tr e s p o n s et i m e l y t h et h i r d p a r tm a i n l yd i s c u s s s e st h e w i r e l e s sc o n t r o ln e t w o r k w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fw i r e l e s st e c h n o l o g y , w i r e l e s sl a ni s m o r ea n dm o r eu s e di n i n d u s t r y w h e r er e a l t i m e r e q u i r e m e n t i s i m p o r t a n t i n a dh o c ，b a s e do nd c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) o f i e e e8 0 2 11 ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e wm a c w h i c hd i v i d e st h e p a c k e t i n t ot h r e e k i n d s ：n o n - p e r i o d i c r e a l t i m e i n f o r m a t i o n ， p e r i o d i cr e a lt i m ei n f o r m a t i o n ，a n dn o nr e a l - t i m ei n f o r m a t i o n t h ep r i o r i t yo ft h e s e t h r e ei n f o r m a t i o np a c k e t sd e m o t e si nt u r n t h r o u g hu s i n gd i f f e r e n ti f s ( i n t e r - f r a m e s p a c e ) t od i s t i n g u i s hd i f f e r e n ti n f o r m a t i o n ，t h en e wm a c u s e sr t s c t st ot r a n s m i t f r a m e sw i t hd i f f e r e n tp r i o r i t i e s ，s ot h er e a l t i m ei n f o r m a t i o nc a r lg e tas m a l l e rd e l a y s i m u l a t i o nv a l i d a t e st h ep r o p o s e d a p p r o a c h w i r e l e s sa n d w i r en e t w o r ka r ec o m b i n e d i n t oat o t a ln e t w o r k ，w h i c hi st h et r e n do fi n d u s t r i a ln e t w o r k t h i s p a p e ra n a l y z e st h e s e v e r a lc o n f i g u r a t i o n s i p b a s e dc o n f i g u r a t i o nl e a d st ot h eb e s tr e s u l t t h ef o u r t h p a r tm a i n l ys t u d i e st h ea p p l i c a t i o no fp r o f i b u sa n ds w i t c h e de t h e m e t i n t h ep a p e r m a k i n gi n d u s t r i e s i nt h el a s tp a r t ，t h ep a p e r p r e s e n t st h er e s e a c hc o n c l u s i o n s ，p r o p o s e st h ei n n o v a t i v e i d e a s ，a n dp o i n t so u tt h er e m a i n i n g p r o b l e m s t h a tn e e df u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d ： n c se n d - - t o - e n d d e l a y p r o f i b u s p r o p o s a l a g r e e m e n t n e g o t i a t i o n v t p q o sw f q p w i r e l e s sn e t w o r k 第一章绪论 摘要：工业控制系统是实现工业生产自动化的关键，是衡量一个国家工业水平 的重要指标，而网络控制系统则是最新的工业控制系统，代表着未来。在网络 控制系统中，工业控制网络的实时特性起关键作用，直接影响网络控制系统的 性能。本章在指出网络控制系统中信息通信的特点和实时性等需求后，概述现 场总线、工业以太网、无线控制网络三种控制网络特点，回顾和总结三种控制 网络实时特性的研究历史和现状，最后阐明本文的研究内容。 1 1 工业控制网络的基本概念 随着电子技术、计算机技术、网络技术的发展，工业控制系统经历了不同 的发展阶段：基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、 集中式数字控制系统、集散控制系统( d c s ) 、现场总线控制系统、网络控制系 统等几个阶段【阳宪惠，1 9 9 9 ；吴誉，1 9 9 9 ：侯志林，2 0 0 0 】。电动单元组合式仪 表控制系统反映着电子技术的发展，d c s 技术代表着计算机技术的发展，而以 f c s 和n c s 为代表的新一代控制技术则是和网络技术的发展相适应的。 d c s 系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，控制器是数字的，因而它是 一种模拟数字混合系统。在d c s 系统中，各厂家的产品自成系统，不同厂家的 设备不能互连在一起，难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络 系统存在很多困难。现场总线控制系统是用总线连接单个分散的测量控制设备， 实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的控制系统，它突破了d c s 中封闭 网络所带来的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了公开化、标准化的解 决方案。 网络控制系统( n c s ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ) 是最近几年新提出的概 念。分散在不问位置的传感器、控制器和执行器通过串行实时网络连接组成的 闭环控制回路，这样的反馈控制系统称为网络控制系统f m s b r a n i c k y ，2 0 0 0 ； j n i l s s o n ，1 9 9 8 ；g c w a l s h ，1 9 9 8 ；g c w a l s h ，1 9 9 9 ；w z h a n g ，2 0 0 1 。网络控制系 统的特点是将闭环控制回路分散在串行总线上，典型的网络控制系统如图1 1 所示。简单地说，网络控制系统就是通过网络互连来完成控制功能，网络上的 设备，包括传感器、控制器、执行器等，都看作一个节点，节点之间通过网络 传输实时或者非实时信息。f c s 着重点是节点之间实时或者非实时信息的传输 和共享，而n c s 强调在串行实时总线建立闭环控制回路，从这一点上看，n c s 对于网络的实时性要求更高，网络结构也更加分散化。 图1 1 网络控制系统 工业控制网络连接传感器、控制器、执行器等现场设备，在它们之间传输 数据，是工厂信息网络集成系统的底层，也称为网络的现场控制层。它是网络 技术在控制领域中的体现。工业控制网络使分布在不同位置的设备之间能够共 享信息，从而协调各自的动作。从这个意义上来说，工业控制网络和普通的数 据网络功能上是一致的，但是工业控制网络是服务于控制系统，设计的主要目 标是保证网络控制系统有好的性能和稳定性【w z h a n g ，2 0 0 1 1 。对于控制网络我 们主要关心的是网络的特性能否满足工业控制系统的要求，如实时性能否得到 保证，而通常数据网络中首要考虑的一些性自指标，例如带宽利用率、传输速 率等，放在次要地位考虑 g c w a l s h ，2 0 0 1 1 。 由于特殊的应用环境，工业控制网络的数据传输不同于普通数据网络。工 业控制网络的性能指标主要是实时性、优先级和可靠性，这是由工业控制系统 本身特性所决定的。 ( 1 ) 实时性 在工业控制网络中，需要传输的信息分成三类： 突发性实时信息，如报警信息、控制器之间的互锁信息等。 周期性实时信息，如周期性采样信息的传送等，在系统中以定的周期时间 出现具有可预测性。 非实时信息，如用户编程数据、组态数据、部分系统状态监视数据等。非实 时数据对时间要求不很苛刻，允许有相对较长的延迟，但部分数据的长度较 长且不定。 与传统的以中央控制单元为核心的控制系统相比，工业网络控制中的网络资 源( 如信道等) 属各节点共享。网络资源的获取具有以下四个特点：难以预测 节点需要网络资源的确切时刻；难以预测节点占用网络资源的时间；一旦节点 需要占用网络资源，节点希望能及时得到资源；大部分时间，节点并不需要占 用网络资源。因此，用户对网络资源的需求是一种猝发性的异步需求，而等待 信道空闲、信道竞争、数据帧的冲突等均可能带来不确定性传输时延，这给传 输实时性保证增加了困难。 以v m 甜t e r k ( 2 1 ) d ? 为主节点k 上，信息i 的截至期，靠。表示实际令牌运行周期。 = + ( 2 2 ) 考虑到在最坏条件下，一个主节点k 已经超过令牌周期，它以后的每个主节 浙江大学博士学位论文 2 9 点( k 1 ) 都是令牌到达过迟，这时候最大的令牌延迟为： 瓦，= m a x ( t 2 1 ) ( 2 3 ) 其中璎表示主节点k 的信息周期。 由于每次只能发送个高优先级信息，在最苛刻情况下，节点k 中的每个信 息都要等待”瓦。长时间。结合上面的结果，t o v e r 得到满足高优先级信息截止 期的令牌运行周期关系式： m i n d j 0 正w 上生苎二一咒， ( 2 4 ) 2 3 1 2 第二种情况 这种情况下，适当限制低优先级信息数目，保证令牌到达时所有高优先级 信息都及时响应。这时，令牌到达每个主节点时，必须有足够的时间响应高优 先级信息。v a s q u e s 指出实际令牌运行周期z k 和令牌期望运行周期必须满足 下面的条件： + m a x ( l c j )( 2 5 ) k r a i n ( 0 ) ，v t , k ( 2 6 ) c ：。和p ，分别表示第i 个节点第k 个高优先级信息的通信量和到达间隔。 t o v e r 得到如下的令牌运行周期矗。： mh m = c h ：+ ( c t f ，f ) + r( 2 7 ) f = i k 。if = l 式中，c 免? 表示第i 个节点的第k 个高优先级信息的通信置；i 为第f 个节 点的高优先级信息数目：a ，和分别表示第i 个节点的低优先级信息的最大通 信量和每次令牌到达节点f 时的低优先级信息最多允许发送数；r 表示网络延 迟。 类似。要使系统可调度，实际令牌运行周期丁k 同样要满足信息的截止期要 求，即 玛劬j ( 2 8 ) 由于假设在令牌到远任意节点时，此节点有足够的时间处理待发送的高优 先级信息，即z 南= ，k z k 足够处理所有待发送高优先级信息，可以得到采用 第二种方案时丁k 必须满足的条件： 融) + 蚓圭嘶 耋叁嘶+ 。 r ， ( 2 9 ) ( q t ) + f + 珥觚 芝c 带 i m o 司，”妒l k = lj v a s q u e s 从实时信息截止期和令牌环运行周期的关系方面进行可调度性分 析，但没有分析信息周期和信息最大反应时间。 2 3 2 信息周期的分析 令牌环 图2 2p r o f i b u s 总线存取方法 i ( 龇)( 启动字符) k 目的地址)， c 源嚣址4 。控篇肇节i c 。一凝拿节， f e s ie d ( 帧校验) i ( 终止) 图2 3p r o f i b u s 信息结构 p r o f i b u s 总线的令牌环运行如图2 _ 2 。在p r o f i b u s 总线通信过程中，信 息结构如图2 3 。信息重传次数最多为珂，次，l 表示确认帧的传送时间，。表 示最大数据帧( 数据域为2 4 5 字节) 的发送时间。则带应答的数据发送和请求 具有最大信息周期l 。： l 。= ”，7 0 删+ 死+ 7 0 翻( 行，+ 1 ) 7 乙翻 ( 2 1 0 ) 2 3 3 数据帧的等待时间 在p r o f i b u s 总线上，共有m 个主节点，在任一主节点k 上，所有高优先 级信息同时产生，缓冲区最多可存储”：个信息帧，主节点按照f i f o 原则传递信 息帧，令牌的传递延迟为f 。 如果持牌主节点仅有一个信息，这时信息的最小等待时间为g k = 0 。 如果持牌主节点一次发送完所有高优先级信息，这时信息的最长等待时间 为： q = 珂；z 。+ f + ( ”：一1 ) r l ( 2 1 1 ) 畸1 m 1 且i 诎 如果持牌主节点一次只发送一次高优先级信息，这对信息的最长等待时间 为。 = 聍：e 。+ ：f + ( 片：一1 ) 砭 ( 2 1 2 ) 考虑持牌时间时，假设第一个主节点就用完了整个期望令牌周期，剩下的 主节点一次只发送一次高优先级信息，则有： = ( n ：- 1 ) ( t r 。+ 一：+ f + 砭) ( 2 1 3 ) i e 2 m 】且，i 这样得到数据帧的最长等待时间为： 一= q 2 = ( n ：一1 ) ( + n b j 。t ：, 。竹+ 砖) ( 2 1 4 ) 2 3 4 信息的最坏响应时间分析 在主节点，信息的最坏响应时间为 r 。= q k + z 曼= ，z 。lz 。i 。+ 以：f + ( h ；一1 ) 互：+ z 皇( 2 1 5 ) t e n m l l l i * k 如果在主节点k ，高优先级的截止期要求为d ：，要满足信息的实时特性， 应有 且sd ： ”：疋。+ 胛；+ ( ：1 ) 吃+ 磕磁 ( 2 1 6 ) i e 【1 m l 且j t 砭s 1 h 一门：r 一玎：巧。) 只要最大信息周期满足这个式子，p r o f i b u s 总线就能满足信息的实时要 求。 当主节点没有信息需要响应时，持牌时间。= 0 ， 当响应所有高优先级信息时，持牌时间为礁= ，l ：瑶； 当仅响应一个高优先级信息时，持牌时间为礁= 砭，主节点的最大持牌 时间为：7 k = m 黔z = m 弘砖磕。所以，令牌环实际运行周期最大值为 = 埘+ f = m m 鲜一：罐+ f ( 2 1 7 ) 令牌环的期望运行周期应满足： 珞+ m a x t l ( 2 1 8 ) 2 3 5 令牌环的运行分析 另一方面，在工业过程控制中，任务和信息之间是相互关联的，信息和任 务相互作用，互相影响。以上对p r o f i b u s 进行实时性能的分析，只考虑到信 息，没有考虑产生信息的任务。只是考虑到了系统令牌期望运行周期和令牌 实际运行周期瓦。，没有考虑令牌环的运行情况。在节点内，我们知道主站介质 存取控制m a c 的主要任务是制定总线上的站点地址，按照地址的升序确定令牌 在各主站中传递顺序，根据主站的信息多少决定持牌时间。 用图论研究实时系统，分析其特性，对其任务和信息进行调度，优化其性 能指标已经成为当前研究的热点。我们采用c p g ( c o n d i t i o n a lp r o c e s sg r a p h ) 理 论研究任务和其产生的信息之间的调度优化，最小化端到端延迟，提高系统的 实时性能。 2 3 5 1 理论基础 图论( g r a p ht h e o r y ) 是数学的一个分支。它以图为研究对象，研究节点 和边组成的图形的数学理论和方法。下面介绍关于图的些基本概念以及常用 定理f 王朝瑞，1 9 9 7 ；肖位枢，1 9 9 3 7 ： 【定义1 】矿是点集，e 是边集， e 一取矿，则称系统g = ( k e ，) 为有 向图。简记为g = ( k e ) ，如图2 4 b 所示。 【定义2 】不考虑边方向的图为无向图，如图2 4 a 、c 所示。 、一l 1 r _ 一l 一 117i e i ，liil 厂、l p _ ：r p 1 一 a 一 b 一 e 一 图2 4 基本概念 【定义3 】边带有数字的图称为有权图。 【定义4 】g = ( k e ) ，g 1 = ( g l ，e 1 ) ，若是v 的子集，e l 是e 的子集， 则g 1 称为g 的子图，若v l 一以则g l 称为g 的生成子圈。 【定义5 】无向图中，与节点矿关联的边数称为v 的度。度为奇数( 偶数) 的点称为奇顶点( 偶顶点) 。 【定理l 】) 设g = ( e e ) ，则所有顶点的度数和为边数的两倍。 p a u l 介绍t c p g 原理 p a t a2 0 0 0 】。由一系列相互作用的过程组成的应用系 统中，假设每个进程的执行时间( 硬实时条件下的最坏执行时间) ，进程之间 的通信时间是己知的。这种系统可以抽象表示为非循环的有向极点图g ( ke s , e c ) ，称为过程图。每一个节点p f 所七表一个过程，函和品分别表示一系列有 条件的简单边。e s o g c = 牮且舔q e c = e ，e 表示所有的边。一条从p f 到只边 e i j e 表示从p 煎出，输入到p 。极性图有两个节点：源过程和汇聚过程。通常 表示第一个任务和最后一个任务。在一个系统中，这两个节点通常是虚拟过程， 运行时间为0 ，没有消耗系统资源。所以在有向极点图中，所有的其它节点都是 源节点的后继节点，汇聚节点的前任节点。 有向极点图g ( ke s , 占曲中，特定边插入表示通信任务的节点，给每个过程 分配系统资源，可以得到映射过程图r ( 矿，五酽，e c * ，加。过程p i ey + 到连接各 个过程的总线的映射表示为：mv * - - - p e ，这皇p e = 伽e l + p e 2 ，p e n p e ，表示 一系列的系统资源。p 庐p p u h p u b ，p p 表示可编程处理器，h p 表示所分配的 的硬件成分，b 表示过程所分配的总线资源。m ( p i ) 表示为执行过程只，系统分配 的资源。分配了资源 “p j ) 的过程只的执行时间为t h 。 圈2 5 c p g 图 在图2 5 中，进程分布如下： 处理嚣p e t ：p 1 ，p 2 ，p 6 ； 处理器p e 2 ：p 3 ，p 4 ，p 5 ，p l o 。 进程之间的通信在一个总线上进行。 进程p i 的执行时间t p i ： t p l ：3 ：t r y ：4 ；t p 3 ：1 2 ；t p 4 ：5 ；t p s ：3 ：t p 6 ：1 1 。 进程p i 和p j 之间通信需要的时间t i 。j ： t l j ：1 ；t 6 1 0 ：2 ：t 3 1 0 ：2 在图2 3 所示的c p g 中。乃和n 。分别是源过程和汇聚过程。其它8 个节点中， 6 个普通过程户，户? 。 r ，分配到两个处理器陆和阳中的一个，剩下的3 个过 程为通信进程( p 7 ，p s ，p g ) ，用实心圆来表示。在过程图中，通信进程表示分 配到不同处理器的过程之间的相互通信。这些通信过程的运行时问 ，( 只是发 送进程，只是接收进程) 就是相应的通信时间。在图2 5 中，所有的通信都在一个 总线上进行。我们把通信进程称为普通的进程，总线就相当于通常意义上的可 编程处理器。 在图2 5 中，条件边用粗线表示，每一条件边都有相应的条件。只要条件满 足，相应的转换才会发生。否则条件边和简单边一样。在图2 5 中，进程n 的输 出边是有条件的，例如，不同的条件下，进程p 2 可以有选择的和n 、p 5 两个进 程的其中一个通信。 含有条件输出边的进程称为分裂点，相应的进程为分离进程，分离进程执 行时得到条件值。从分离进程出发的可选路经是不连续的，它们在汇聚进程汇 合。在图2 5 中，粗圆环表示分离进程和汇聚进程。从分离进程岛出发的3 条路经 在汇聚进程p m 汇合。 如果一个进程不是汇聚进程，只要输入来到，就会被触发，进程一执行完， 马上输出结果。信息从多个可选路经中的一个来到，汇聚进程就会被触发。在 图2 5 中，进程p ，d 要等到来自进程p ，、p 8 和尸9 输入，或者进程乃和p 7 的输入来到 后才开始执行。如果我们以源进程的执行时间为参考点，汇聚进程的开始执行 的时间就是系统的总延迟。最坏条件下，这个延迟必须小于截止期要求。在源 节点和汇聚节点之间插入多个虚拟节点来表示一个进程的释放时间或者多个 不同的截止期要求，这些虚拟节点有一定的执行时间，但是不占有系统资源。 以上定义就是所谓的单调速率系统，在系统的运行过程中，每个节点只能 执行一次。如果需要处理不同周期的进程，可以产生新的进程实例来解决这个 问题，所有相关进程周期的最小公倍数这个时间段内，发生的一系列进程组成 一个c p g 图。在这个系统中，假设进程的执行时间( 硬实时条件下的最坏执行时 间) 、进程之间的通信时间是已知的。 对一个给定的执行系统，由触发的进程组成的子系统和特定路线相对应， 这个特定路线有系统中的条件值决定。针对每一路线，都有一个最优调度算法， 使整个系统的执行时间最小，有最小的延迟。在图2 s 中，如果条件c 是真值，最 优调度算法就是：进程p 在处理器p e j ，零时刻( 间) 执行，处理器邵? 等待至i j t = 4 ， 执行进程乃。 处理器在执行进程时，根据进程的优先级选择进程执行。进程的优先级由 进程到汇聚进程的关键路径来决定。 节点到汇聚节点的最大执行时间。 k = m 掣锄 e “ 这种情况下，分配给进程的优先级是这个 ( 2 1 9 ) 这里石，。是节点一到汇聚节点的第k 个路径。 如图2 6 ，假设在处理器上，调度算法要决定先执行进程p a 还是进程p b ，此 图描绘出t p a 、p s 进程到汇聚进程p n 关键路径，p x 是进程p a 的后继进程，并且 进程p x 是关键路径上由处理器执行的最后一个进程。p y 对p b 也是同样的关系。t a 、 t b 是分别是关键路径上p a 到p x 、p b 到p ，的执行时间，h 、b 分别是两个关键路径 剩余进程的执行时间，这样，我们可以得到： ，m = t + ，i p s = t 8 + 五8 ( 2 2 0 ) 从而得到进程p a 、p b 的优先级。 二拿j j 图2 6 关键路径 2 3 5 2 分析结果 令牌到达一个主节点，如果该主节点没有信息需要响应，那么令牌不停留， 直接传递到下一个主节点，即主节点的持牌时间为咒。= 0 。 在系统令牌期望运行周期丁k 已知的情况下，我们进一步分析系统的逻辑令 牌环对系统延迟的影响。我们先做以下假设： 在每一个令牌运行周期内，如果需要的信息已在前一个周期到达，主站上的 任务将开始执行。 主站地址可以根据实际工业过程进行调整，即逻辑环可以改变。 结合p a u l 的研究结果，这里采用有向图g ( v ，e ) 表示p r o f i b u s 总线中的任务 和信息之间的相互关系。其中g 的顶点v = v l ，v ：v 。 为分配在p r o f i b u s 主 站上的任务，e = 坂，e ：e 。) 为连接v 的有向边，表示任务之间有信息传送，边 的源头为产生信息的任务，箭头指向接受信息的任务。用实心的小圆圈表示分 布在不同主站点上的任务之间的信息传输：空心的小圆圈表示分布在同一个主 站点上的任务之间的信息传输。后一种信息没有传送延迟，它的传送是立刻完 成的。第一个任务一般为源节点，产生信息，信息汇聚的顶点为汇聚节点。目 的是调度任务和信息，调整令牌环顺序，使源节点到汇聚节点的延迟尽量小。 p r o f i b u s 仅把信息区分为高，低优先级两类，这是不符合工业过程实际情 况的。根据特定工业过程的自然特性，优先等级数量可以不同。这时采用优先 级调度法对系统信息进行响应。 在有多个信息的主站上，需要设定系统的优先级。我们采用关键路径方法 设定系统优先级。 l 。，= m 警( ，+ f 。，) ( 2 2 1 ) p e “i”i t i 工。是信息m 。的关键路径值。由于从i t i 。到汇聚任务之间有多条路经，厅，为从信 息m 。到汇聚任务之间第i 条路经之上的所有信息和任务( 不包括没有响应时间的 信息) 。这时，v a s q u e s 和t o v e r 可调度性分析仍然是适用的。 假设整个系统的所有信息同时在0 时刻产生，假设令牌在0 时刻开始循环。 在图2 2 中，考虑极端情况下，令牌环的最后一个主站点变成了第一个主站点， 这时候该站点的最高优先级信息的等待时间为旦k = 0 。 作为令牌环的最后一个主站点，如果持牌主节点一次发送完所有高优先级 信息，这时信息的等待时间为： = 聆：毪+ f ( 2 2 2 ) 如果持牌主节点一次只发送一次高优先级信息，这时信息的等待时间为： q = 越：z 。+ 以：r ( 2 2 3 ) 考虑持牌时间时，假设第一个主节点就用完了整个期望令牌周期，剩下的 主节点一次只发送一次高优先级信息则有： o = + 阿：咒。+ f ( 2 2 4 ) 图2 7p r o f i b u s 结构 有向图2 8 表示了分布在图2 7p r o f i s u s 总线上的任务和信息之削的榻互 关系。它有4 个任务( p - p ) 和4 个信息( m 一) 。系统有三个节点，t t p 仂，议 控制它们之间的通信。对第一个节点n ( 仪表) 的信息进行响应的日一蚓为时隙 ( 即主站的持牌时间) s ，第二个节点( 服务器) 的响应时间为时隙s ! ，第 三个节点n ：，( 工作站) 的响应时间为时隙s ，。任务p ，由节点n 。来执行，任务 p ：由节点n 。来执行，任务p 。和p 。由节点n 。来执行。p 。产生m ，( 要传递给任务 r ) 和m ：( 要传递给任务p 。) ，p ：产生玎1 ，( 要传递给p 。) ，p ，产生m ( 要传递给m 。 在同一个节点的任务之间的信息传送是瞬时完成的，不需要花费时问。 如图2 8 中，l n = ，n + ，】= 7 ，l 。，= f n = 4 ，所以m l 的优先级比d 2 商，先 响应m i ，后响应m 2 ，这样可以降低延迟。如图2 9 中的b 、c 所示。作为采样点 的主站信息需要提前传送，不同的任务的执行时阃有长短。根据工业过程的自 然特性，首先考虑各任务和外部连接信息的执行次序和执行时间，来确定令牌 环运行j 顷序如图2 9 a 。接下来，根据运行结果，调整令牌环顺序和主站的持牌时 间，如图2 ，9 b ，c ：d ，从而尽可能的减少延迟，提高系统的实时特性。 不限制低优先级信息，每次令牌到达时只发送一个高优先级信息的情况下。 如图2 9a ，p r o f i b u s 令牌环的顺序是n 2 - _ n 3 一n l 。即先安排时隙s l ，后安 排时隙s 2 和s 3 ，得到系统的总时间为5 8 m s ；假如在时隙时间长度不变的前提下， 我们颠倒二者的顺序，p r o f i b u s 令牌环的顺序是n l n 2 一n 3 得到图2 9 b ，则 系统的延迟时间为4 4 m s 。 ! 魍6 m 强驾；： g 豁m 2 5 m5 图2 8 任务和信息的运行关系 更进一步，适当限制低优先级信息数目，保证令牌到达时所有高优先级信 息都及时响应。我们增大令牌运行周期7 k ，增大站点n i 的持牌时间，增大时隙 s l 的时间长度，可以在一次循环s 1 中，响应m l 和m 2 ，使整个系统的延迟更少。 如图2 9 d ，系统的总时间减少到3 2 m s ，降低了4 5 。 这个例子说明，运用图论可以分析p r o f i b u s 系统的信息传递，结合主站 点任务分配的响应时间长短和令牌期望运行周期7 k ，确定逻辑令牌环的顺序， 并根据运行结果对顺序动态调整。图2 1 0 比较的结果进一步说明，采用图论方 法可以合理分配资源，最大可能减少系统的延迟，提高系统的实时性能。 圈2 9 不同令牌顺序的延迟情况 图2 1 0 结果比较 2 4 结论 p r o f i b u s 是一种基于分布时间令牌的总线通信协议。本文建立了 p r o f i b u s 信息通信模型，分析p r o f i b u s 的实时特性，推导出主站点信息的 最坏响应时间，令牌环期望运行周期的表达式，得出信息满足实时传送的充要 条件。进一步，基于图论的综合分析方法描述任务之间的次序关系，构造合理 令牌环顺序，减少实时信息的响应时间，降低总延迟，提高p r o f i b u s 宴时性 能。 第三章交换机的实时性能分析 摘要：交换机是交换式以太网的核心设备。本章采用实时调度理论和排 队理论详细分析交换机的输出缓冲延迟。根据不同情况，文中把输出缓冲区分 成p d 1 ，m d 1 ，m m 1 三种队列；推导出这三种队列的延迟分布、队列大小 等特性，为交换机以及交换式以太网的设计和分析提供可靠的理论基础。接着 对比传统总线型以太网和交换式以太网的端到端延迟进行比较。最后，采用 o p n e t 对交