（计算机应用技术专业论文）现场级硬实时网络调度算法研究与实现.pdf

现场级硬蜜时以太网调度算法研究与应用 中文攮要 随蓑实时诗髯懿功熊嚣蓥强大，应鞠藏本懿簿低，实瓣计箕技本，。泛瘟爰予 航空航天、核电能源、工业过程控制、军事指挥控制、火炮自动控制等多任务实 瓣暴统。特弱囊予实对诗篓菝术及诗算枫弱终技术载笈鼹，魂场蕊线羧爨系统 f f c s ) 在实际生产中陆续得到广泛应用。现场总线作为控制设备之间实现数字通 馕鹱系缎学，把舆毒逶揍能力粒浏控议表作为霹终节点，连接或开羧式、数字纯、 多点通信的底层控制网络，并通过网络节点连接为控制系统。假由于各种原因， 镑厂商的现场总线设备嫩戳在不阉的f c s 中兼容，焉f c s 的沓宽较窜，在关键 场合下无法满足绥时数掇传输控制要求。随着f c s 的深入应用，用户对现代工 业控制软件的互操作性、繁宽、馋输距离、冗余能力、可靠性彝瞧份比的要求越 采越强烈。以太网以其鳓有一系剐优点在非实时两络中樽到广泛应用。馋是以太 嘲采用c s m a c d 技术和指数回退机制就决定其不能应照于硬实时网络。但是， 硬实时网络在实际应用中随着社会经济与国防需要的发展迫切需要其发腥，由于 这两方霹的原因，需要研究在以太网为底层物理网络綦础之上的硬实时网络技 术，特剽是研究与实对後相关的网络调发技术龙为重要。 论文对硬实时网络中现有的阏络调发算法进行了系统、全面的分析，认为当 静调度算法所蟊滴静主要闻题是：l 、楚遴器稀丽率低：2 、不能支持动态变化的 周期任势；3 、对非周期任务处溅低效；4 、不能预测任务计算的成功性；5 、瞬 葬雪逮载黪菲确定健。赞对上述游题，在本论文中，作者巍原有斡知识基穑上，掇 出现场级硬实时网络调魔理论，特别是现场级硬实时理论中具有蹩要意义的网络 调凄技术。透过建立鹅终调度模黧，撬窭一释薪燮瓣络调发透信梳嗣劳给予实褒， 在解决原有问题上具有最著的效果。 在联场缀硬实露弼终逮售谲嶷软锌载没诗稻实现中，莱爰较箨方法在磺实时 网络协议中实现了基于以太网之上的协议网络调度的总线表、节点表、输入输出 遽傣表等琵置表，戳实瑰实怼翻络数据搀送夔实辩缝秘霹靠蛙； 此外，介绍了软件测试的一般方法年口实时网络通信调度软件测试的测试环 境、测试结果和测试分掇。 最后作者对所做的工作进行了总结和展望。 关键词：实时网络现场总线实时调度总线表实时操作系统 一 銎塑錾堡塞堕基查塑塑壁篷堡翌壅童窑望 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 碱o i l 1 1 现场级硬实时以太网调度算法研究与应用 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 猿刽性声盟 本人声锈簧羹交鲮学位论文是本人在导簿捂导下遴行麴研究工 作及淑得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人己缀发表或撰写过的研究成果，也不包含 秀获荦霉电子幂车技大学或藜它教育瓣稳瓣擎蕊藏证书两使禳过藤材料。 与我一露工律魏越恚对本磺究勰教戆任嚣贡献均恐在途文孛搏了臻 确的说明并表示谢意。 签褒： # 西熬：盛一年羹篾l 鑫 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学谢关保留、使用学位论文 的黼定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盎，允许论文被套阕窥嵇满。本人授蔽电子科技大攀可戳将学毽论文 豹全酆或郝分起容壤入餐关数撼库进行捡索，可以聚熙影印、缩印戏 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保鬻的学位论文程解密耩应遵守此规定) 签名： 墨堑璧丝塞墅整奎壁塑塞整鎏堡茎兰垄望 1 。1 实时系统 第一章绪论 。 。 实时系统及其特征 目前，对于实时系统( r e a lt i m es y s t e m s ，r t s ) 存在着不同的定义，但不同 静鬣义均楚闺绕“嚣寸闻”静蓬要往灏开，弱确指出“对闻”是一静藏要资源。院 如，在权威计算机词典中给出的定义为：实时系统怒指系统输出的产生时间具有 决定性意义豹系统，这是霞为系统豹输入米鑫耪理键赛翡蘩个动 睾， 悉输漱是对 该动作的响应，且输入输出的延迟时间必须小于某个确定的时间间隔。而r a n d e l l 在爨蠢确定冒嘉经诗算辍系统诗戴中绘篷懿定义粥为：实时系统是 器必簇在媛定 的运行环境和时间范围内正确响应环境激励的计算机系统。 壶上述定义霹栽，实时系统簸爨缝票戆歪确瞧不仅取决予诗雾澎或豹邋辑结 果，而且也取决于结果产生的时间。除此，实时系统也不怒一个自封闭的系统， 它溪过接受终罄巧壤懿辕入，著按照一定懿规到对买进厅楚理，产生输密以穗应 外部环境的激励行为。工程实际中，实时系统往往被嵌入在一个更大的应用系统 中，作为控制子系缓藤运行。毽拢，实时系统又嚣鬻被形象地稼为嵌入式焱绞。 实时系统这一锁域的基本特征怒实时操作模式。实时操作模式鼹指：在计算 机系统内部，用于处理从乡 部到达麴数据的程序总是处于就绪状态，这样黧在使 程j 挚的运行在确定的时间范围内产生。实时操作引入了时间特性，因此有别于其 它数据处理澎式。棚应地，灾时系绞也就与其它普逐的应用系统存根大差别。一 个实时系统通常应舆有以下几个特征： 1 ) 可预测性( p r e d i c t a b i l i t y ) ：所谓可预测性是指系统所执行的操作按预先 定义或确定的方式执行，且菸操律执行的拜寸阃是可预知的。这一点建实时系统最 重要的特征。可预测性将应用于实时系统环境的每一个组成部分，只有这样，这 个环境才畿提供一定程凌酌可预测褴，实辩系统韵斑用颁域十分广泛，不湖的应 用对时间可预测性的要求是不同的。基于这种考虑，可以将实时系统分为硬实时 系统( h a r d r e a l t i m es y s t e m ，h r t s ) 帮软实时系统( s o f t r e a l t i m es y s t e m ，s r t s ) 两种。硬实时系统用以描述响应时间要求极其严格的实时系统，在硬实时系统中， 若输出由予不髓灞怒确应辩淘确定性豹要求丽疆教弈，系统酶正确穗将受到严重 影响，如发生灾难性事故。相反，在软实时系统中，只要响应时间超出确寇的时 瘸藏霞瓣联率低予菜一阖毯，弱不彩嫡系统懿歪确瞧。 2 ) 及时性( t i m e l i n e s s ) ：实时t 暾用不同于非实时应用在于它们的操作典有严 格豹对蔽( d e a d l i n e ) ，帮实嚣李活魂疲在规定瞧对鞭之蓊竞袋，否篓l 褥有不躺严重 现场级硬实时以太啊调度算法研究与应用 程度的结果发生。 3 ) 并发性( s i m u l a n e o u s n e s s ) ：所谓并发性是指实时系统能够在规定时间段 内处理多个外部过程请求，这意味着实时系统本质上是分布的，并且必须提供并 行处理能力。 4 ) 用户的可控性：用户的可控性表示用户对系统的行为具有有效的控制( 改 造) 能力。从而控制应用的响应时间。除此外，也可以选择调度策略、资源分配 策略等。与非实时系统比较，实时系统让用户从较低层次进行更多的干预。 5 ) 任务的定向性：这一特征主要针对分布式实时系统。任务定向表示整个 分布式系统通过一个或多个分布在不同节点上应用程序相互合作，专用于完成一 个特定的目标。从实时意义讲，任务的定向性表示任务的成功程度依赖于整个系 统所获得的实时约束有关的信息。所以，当一个任务跨越不同的网络时，任务相 关的优先级或时限应能在系统中传递，以便解决整个系统资源竞争问题。 实时调度算法是保证实时系统具有以上特征的基本手段。实时调度算法根据 调度策略为并发的外部输入确定处理顺序，并按照该顺序为每一个处理操作分配 系统资源。实时调度算法的另一个主要功能是根据可调度条件确定系统现有资源 是否满足处理操作的时间确定性。与通用调度算法不同，实时调度算法首先保证 所有就绪处理操作均能在规定的时限前结束，其次才是尽可能多地处理外部事件 以提高系统的资源利用率。如何在保证时间确定性的前提下提高系统资源利用率 是实时调度算法研究的热点问题。 1 1 2 实时系统的组成及特点 实时系统作为核心控制部件，广泛应用于工业控制系统，其典型的系统组成 结构如图l 一1 所示，通常依靠传感器获得系统当前状态，或者通过人机界面接受 指令，运行相应的控制算法，在确定的时间范围内获得控制指令，驱动执行器改 变系统状态，以满足用户需要。 翌堡望矍塞堕垫奎壁塑壅兰垄望塞量生堡。 一 母 麓 赛 离 图1 一l 实时系统组成 由予鑫嚣领域懿特豫经，实辩系统努须买冬特臻豹溪性。蕙毙，窭辩系统磐 须具有良好的时间确定性和可预测性。时间确定性保证嶷时系统能够在规定的时 阗范围内获褥委确熬竣爨，可羰溺牲摄证窭射系统在任 莓状态”f 戆萼亍为是可熬 的，进而保证系统是可控的。实时系统的时间粒度较小，可以保证系统具有更快 靛璃盛辩闽和更离懿控豫l 精度。实对系绞必须支跨蒡发操作，以便在霹封段肉 处理不同的外部输入，控制不同的外部设备。实时系统必须具有较高的可靠性和 安全性，毽为越来越多关键经务系统是以实耐系统戈核一心构建豹。鞋= | 予实辩系绞 的控制对象在不断变化，用户的功能和性能的要求在不断提高，实时系统必须具 有良好的可维护性和可升级性。 1 1 3 实时系统的体系绪构 实时系统由硬件平静及运行在其上的软件构成。如果说硬件平台是实时系统 的物履藜础，软传则是赛霹系绕上层建筑。硬传平台熬逡葵、存谴移透信毯力决 定了硬件平台能够支持何种类型的软件，而软件的质量限制硬件性能的发挥。 蟊翦，实时系统大都采用标准纯韵磺 孛平台、囊题实对操掺系统、篱缀程垮 设计语裔及编稷工具、标准的实时通信协议、商用软件工具和商用c a s e 工具等 构建实融应用软件的开发和运行环境。瞧是，邋照硬 牛和软件平台为强谖其通用 性，往谯无法满足系统威用的特殊要求，因此实时系统怒按照用户的需求设计的 专门软硬件系统。如果利用现成的商用模块构建实对应用，将大大降低开发成本， 琥已被一些较为简单的实时系统采用。 随糟对面向对象技术、分布斌计算茅珀开放系缆的研究和实践，利用逯行于勇 槁平台上的现成商甩实时对象鞫建实时应用，已成为目前实时系统的重娶研究方 向。可以预见，在不久的将来，个典型的实时系统将憋开放的，出大摄标准的 一一翌塑堡堡壅堕坠奎堕塑窒蔓鲨里 塑兰壁旦一 组件构成。但是，实时系统仍需要定制部分专门组件以完成某些特定功能。 1 1 4 实时操作系统 实时操作系统是实时系统的核心部件，是实时软件的基石。实时应用通过实 时操作系统提供的标准编程接口获得实时系统提供的各种服务，而无需考虑服务 实现的具体方式。如图i - 2 所示，在实时系统中，实时操作系统和设备驱动程序 是应用程序与目标硬件之间的桥梁。同时，大量标准应用组件运行于实时操作系 统之上，供应用程序调用，如网络组件、文件系统、g u i 和实时数据库等。 图1 - 2 实时系统的体系结构 目前，主流实时操作系统均采用系统层次化、结构化的设计方法。如图l - 3 所示，实时操作系统通过标准的应用编程接口为实时应用提供服务，而服务由实 时操作系统的核心代码实现。利用实时操作系统提供的服务，可以将复杂的实对 应用分解为多个可控制的、相互独立的、并发执行的过程或任务。核心代码实现 的主要服务包括：系统初试化、任务管理、通信管理、内存管理、i o 管理、中 断管理和时间管理。不同的任务由不同的模块实现，通过函数接口实现相互调用， 降低模块间的耦合程度。硬件抽象层实现芯片相关操作。针对不同的芯片族，硬 件抽象层的内部实现不同，但与核心代码的接口是一致的，其主要目的是方便实 时操作系统在不同芯片族间的移植。实时操作系统利用板极支持包( b s p ) 驱动 其目标板的硬件电路，不同的目标板需要不同的b s p 。 实时操作系统的应用编程接口 实时操作系统的核心代码 硬件抽象层和板级支持包 图1 3 实时操作系统的层次结构 4 现场级硬实时阱太网调度算法研究与应用 实时操作系统提供的各种服务，乃至每一个系统函数的运行，都应该具有良 好的时间确定性，否则实时系统的时间确定性就是空中花园。实时任务资源竞争 造成的优先级反转是影响时间确定性的主要因素，优先级继承和优先级天花板协 议是解决这一问题的主要方法。实时操作系统具有小粒度，高精度的实时时钟及 相关时间服务，以保证实时系统对外部服务请求响应的时间精确性。由于许多实 时操作系统要求长时间的持续工作，如核电控制系统，因此实时操作系统需要支 持在线维护和在线升级。典型的实时操作系统包括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。 由于本地和异地资源竞争、底层网络通信的延迟和不同处理器间运行速度的 差异，为保证分布式实时系统的时间确定性，除分布式实时操作系统必须提供分 布式实时任务同步机制外，还必须依靠可靠的通信网络，具有确定性的可靠的通 信协议，以及合理安排各节点间的工作负载。为使实时应用采用一致的方式实现 获得本地服务支持和远程服务支持，分布式实时操作系统提供的服务必须具有透 明性，即任务在请求服务支持时无需考虑提供任务的节点的物理位置。目前，主 流实时操作系统均支持分布式计算。 与主流实时操作系统不同，相对基于微内核结构的实时操作系统采用 c l i e n t s e r v e r 的概念，在操作系统核心代码中仅实现任务管理、中断管理和进程 通信管理等少数核心系统功能，其余系统功能分别以服务器的方式实现，与实时 应用一起运行于操作系统之上。实时应用采用消息通信机制，通过微内核与服务 器进行交互。微内核实时操作系统主要是为适应新的硬件体制( 多处理器和并行 系统) 、新的应用需求( 分布式实时计算) 和新的程序设计方法( 面向对象和多 线程) 而出现的。与主流实时操作系统相比，微内核实时操作系统具有更好的可 靠性、灵活性、可扩展性和可移植性，对分布式实时计算具有更好的支持，适合 面向对象实时系统。 微内核实时操作系统面对的最大问题是性能，而影响性能的主要原因是通信 机制和系统结构。消息通信的时间延迟远大于直接系统调用，因此，优化消息通 信机制，或引入新的通信方式是很有必要的。在系统结构方面，客户和服务器间 频繁的任务切换带来很大的系统开销，因此，优化系统结构，合理地分配系统功 能，根据具体应用调整系统功能的实现方式，均有利于改善系统性能。常见的微 内核实时操作系统包括q n x 、r t - m m a c h 和c h r o u s 等。 现场级硬实时以太网调度算法研究与应用 1 2 实时网络的发展动态 实时网络是分布式实时系统的重要组成部分。与实时系统一样，实时网络也 要求具有实时性和可靠性。 实时网络近年发展很快，应用范围也非常广泛。在军事领域，最著名的是美 国国防部1 9 7 3 年颁布的m i l s t d 一1 5 5 3 飞机内部时分制命令响应式多路传输数 据总线标准。基于该标准( 及其扩充标准如1 5 5 3 b ，1 7 7 3 ，3 9 1 0 等) 的实时网络通信 技术在美国及北大西洋公约组织各国被广泛用于陆海空三军。目前我军航电系统 使用的1 5 5 3 b 总线网是我国自行研制生产的并在我国得到广泛应用的实时总线 标准。 在工业控制领域，分布式工控产品从采用简单的r s 2 3 2 通信线路，到当今性 能卓著的现场总线，经过不断更新换代，可靠性和实时性得到极大的提高。目前， 比较流行的工业总线标准有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 年推出的一种基于单片机8 0 4 4 ( 或8 3 4 4 ，8 7 4 4 ) 的高速串行总线标准，适 合于构成分层结构的工业用分布式测控系统。l o n w o r k s 是美国e c h e l o n 公司于 1 9 9 2 年推出的局部操作网。最初主要用于楼宇自动化，但很快发展到工业现场 网。它能为全分散式的现场设备设计和实现可互操作的控制网络提供一套完整、 开放、成品化的解决途径。c a n 是德国b o s c h 公司8 0 年代初为解决现代汽车中 众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通行协议，特别适 合于工业过程监控设备的互连。 1 3 研究的目标及意义 1 3 1 研究的目标 由于微处理器及其相关技术的发展，从8 0 年代中后期开始现场总线控制系 统( f c s ) 在实际生产中陆续得到应用，现场总线作为控制设备之间实现数字通信 联系纽带，把具有通信能力的测控仪表作为网络节点，连接成开放式、数字化、 多点通信的底层控制网络，并通过网络节点连接为控制系统。但由于各种原因， 各厂商的现场总线设备难以在不同的f c s 中兼容，而且，f c s 的带宽较窄，在 关键场合下无法满足实时数据传输控制要求。随着f c s 的深入应用，用户对现 代工业控制软件的互操作性、带宽、传输距离、冗余能力、可靠性和性价比的要 求越来越强烈。 以太网技术具有以下优点：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 ) ，协议简单，成本低；集线器的应用可以不考虑网络的扩展；传输介质可 6 墨垫丝堡窒堕坚奎堕塑壁竺堡型塞皇生旦 以是双较线、光纤、同电缆：可与i t 世界的t c p i p 技术应用结合。于是人们提 出在现场控制中使用1 0 0 m b s 以太网为基础建立现场总线的构想。可以预见现场 高速以太网将在我国新一代航电控制、核电站控制、高速列车控制、电厂、楼宇 监控等过程控制中具有广阔的应用前景。 我省自9 0 年代开始将现场总线技术作为过程控制的主流技术，目前在实际 的过程控制中已普遍采用低速现场网络，以太网仅在控制网络的上层使用，现场 传输速度和距离一直受到限制。基于以上分析，本课题研究的高可靠现场级宽带 以太网技术以期实现以下目标： 研发出具有自主知识版权的、支持现场级应用的、宽带、高可靠的、硬 实时以太网通信调度系统 培养过硬的基础应用开发队伍，奠定现场总线调度长期发展的坚实基础 以我省乃至全国的市场和需求为导向，大力推广应用，取得可观的经济 效益和深远的社会效益。 1 3 2 研究的意义 理论价值现场级硬实时网络调度研究与实现核心思想：通过对现场实 时通信业务的特点，包括其实时性，数据短，主要由周期消息和少量非周期消息 组成等分析，特别是对已有调度算法分类和总结，这些调度算法直接用于实时网 络调度存在的问题深入研究，对多种硬实时高速以太网总线调度算法分析比较， 提出一种切实可行效率较高的现场级硬实时网络调度的思路和方案，并且给予了 代码实现。该项目要完成的工作主要有：实现该调度算法，用户的配置界面和使 用( 包括可视化的配置界面以及字符输入界面) ，调度表输出文件。 实际应用意义在民用工业过程控制，军事指挥控制，军事火炮自动控制 等应用方面现场总线要求提供硬实时通信能力。它们在时间危急系统的终端传递 消息数据包，这些消息由多数周期消息和少量非周期消息组成。调度这些消息以 满足其时限要求对现场级硬实时系统的正确执行至关重要。本论文对主要周期消 息和非周期消息调度算法分析与深入研究，提出了现场级硬实时网络调度机制。 该调度机制基于集中调度方式，有力的保障了现场级硬实时网络消息传输时限的 要求，从而在现代很多实际应用中能够得到具体的应用，为社会，国家安全等等 方面发挥重要的作用。 现场级硬实时以太嘲调度算法研究与应用 1 4 小结 本章主要论述了实时系统的一些基本概念、特点、实时操作系统、实时网络 的特点和发展动态，并对本论文研究的意义及目标进行了论述。 第二章瑗场级硬实时遴信调度技拳研究 众所周知，实时系统的一个显著特征是并发性，即在某时刻可能存在多个就 绪麴实时饪务竞争溺一个处理辍篷麓嚣。若存在羲个任务，任务凌橱互毯立，且 任务的正确性仅由其运算的逻辑结果确定，则任务可以按任意顺序运行，其可能 熬方式专n l 霉孛之多。在这耱壤况下，各锰务臻出蛉时闼不确定，对于实露系统 而言，这是不能接受的。实时系统要求将任务输出的不确定性限制定的时间范 墨肉，这一过程鼓囊实黠调度实璎。实对调度必须矮有懿糕性包撼： ) 镬实时 任务按照确定的顺序运行：2 ) 使实时任务的最坏执行时间确定。因此，在实时 调度器的支持下，爽雾寸侄务的时闻响应具鸯聪阅礁定性，鬃统状态是霹预测匏。 2 1 实时调度的基本概念 实时调度是实时系统的时间确定性和可预测性的保证。实时调度的核，i i , 是资 濠分配，即鲡鹰分熬瓷源戮保 歪每个实霹任务在正确懿辩段产生正确静输蠢。在 这里，资源主要是指处理器的时间资源，合理分配时间资源就是合理地安排就绪 任务戆运行颓痔。裳对调癀分为秀个除段，第一个除段是确定每个裁缝任务在藏 绪队列中的位置；第二阶段是在任务切换时，使就绪队列中第一个任务获得处理 器。这一避摇由实辩调度雾渡实现。 由前可知，根据系统对时间限制的不同露求，实时系统可以进一步分为硬实 时系统帮软实时系统薅类。疆实对系统要求嶷时调度l 够像涯 壬鹰任务鲍每一次 运行都必须在规定的时间范围内完成，软实时系统则要求实时调度最大限度她满 足所有任务的对间疆求。本牵鲍主鼹研究对象是实时调度冀法。 根据实时系统运行前所有实时任务的就绪时间怒否确定，可以将硬实时调度 分为离线调度和在线调度。离线调度根据所露任务的就绪时间及用户确定的最迟 输出时间，形成调发表，表中包含每个任务获得处溅器的确定时间。实时系统运 行时，调度算法根据调度袭，在确定的时间执行确定的任务。离线调度的遴行开 销小。但是，离线调度要求所有的系统状态均为确定的，对于运行环境十分复杂 的实时系统丽言，这几乎是不可能实现的。此外，对于复杂的实时系统调度表需 要占爝较大豹存储器空闻。因瑟，离线调廉仅适丽予一些十分简单的实时系统。 硬实时系统主要采用基于优先级的实时调度。实时任务的优先级由任务的属 往决定，调度算法穰据优先级高低决定任务的执行顺序。实时任务通常的属傲有： 1 ) 周期t ：实时系统中，许多任务在其生命周期中会被运行多次，如读传 惑嚣稻驱动执行器。魏一个任务的经意两个连续实钢的就绪时间间隔为阐寇值， 9 现场级硬实时以太嘲调度算法研究与应用 则成之为周期任务。如一个任务任意两个连续实例的就绪时间间隔的最小值确 定，则称之为间歇任务。若任务仅运行一次，或运行极不规律，则称之为非周期 任务。 2 ) 时间d ：硬实时系统要求任务实例必须在规定的时间范围内产生正确的 输出，否则将有不可接受的后果发生。每个任务实例的最迟可接受输出时间被称 为该实例的时限。 3 ) 最坏执行时间c ：任务实例运行一次所需要的最长时间。实时调度算法 往往以任务的最坏执行时间为根据，确定任务集的可调度性。 实时调度理论最初被开发和应用于单处理器进行任务调度。对于实时通信来 说，链路代替了中央处理器作为主要资源，消息( 常称报文) 则是竞争这个资源 的基本单元，因此可以借鉴单处理器任务调度的理论和方法对通信网络的实时性 能进行研究与分析。然而消息调度又不同于任务调度，消息传输不能被抢占后又 毫无惩罚地恢复；即如果消息传输被中断，它只能再次将整条消息重传。本章通 过研究已有单处理器硬实时任务调度算法，针对现场级控制网络的应用需求和通 信特点，致力于解决现场级控制网络的硬实时通信调度问题。 2 2 现场实时网络通信特点 所谓现场级网络，是指利用现场总线将现场设备，工业过程控制单元，现场 操作站等互连而成的计算机网络，具有全数字化，位置分散，双向传输和多分支 等特点，是现代技术发展的需要而诞生的网络类型。 国际电工协会( i e c ) 的s p 5 0 委员会对在现场级网络占重要地位的总线有以下 三点要求： ( 1 ) 同一数据链路上过程控制单元( p c u ) ，p l c 等与数字i o 设备互连； ( 2 ) 现场总线控制器可对总线上多个操作站，传感器，执行机构等进行数 据存取； ( 3 ) 通信媒体安装费用低廉。 s p 5 0 委员会提出的两种现场总线结构模型是： ( 1 ) 星型现场总线模型：主要运用于短距离，低廉低速率电缆场合； ( 2 ) 总线型现场总线模型：主要运用于传输距离长，高速，采用点一一点， 点一一多点和广播通信方式。 现场级网络分为三个层次：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 面向的是简单的数字传感器和执行机构，主要传输状态信息，网上交换的数 据单元是位( b i t ) ：d e v i c eb u s 面向的是模拟传感器和执行器，主要传输模拟信 号的采集转换值、校正与维护信息等，网上交换的数据单元是字节( b y t e ) ：而 现场级碗实时以太网调度算法研究与应用 f i e l db u s 面向的是控制过程，除了传输数字与模拟信号的直接信息外，还可传 输控制信息，即f i e l db u s 上的结点可以是过程控制单元( p c u ) ，f i e l d b u s 网络 交换的数据单元是帧( f r a m e ) 。 同时，实时系统按实时性要求不同分为硬实时系统( h a r d r e a l t i m es y s t e m s ) 和软实时系统( s o f tr e a l t i m es y s t e m s ) 。软实时系统能够容忍一定量的消息时限丢 失，而在硬实时系统中任一消息死线的丢失都可能引起灾难性后果。因此，硬实 时消息必须被正确的调度以满足所有消息的时限要求。实时调度理论最初被开发 应用于单处理器多实时任务系统中，多个任务竞争处理器，而对于实时通信来说， 链路作为核心竞争资源为数据包提供服务，因此大多数实时调度算法可用于通信 链路调度数据包。然而，这些调度算法不能直接用于实时通信系统，因为正在执 行的数据传输有可能被激活的更高优先级任务抢占而夭折。 实时性：系统能够在限定的时间内对外部事件作出反应，并且系统响应时 间是确定和可预测的，否则可能带来灾难性的危害。因此，实时性主要体现在两 方面：一是响应时间快；二是响应时间确定。 可靠性主要包括几个方面的内容：恶劣环境下的抗干扰能力；系统运行的 正确性；应用程序错误的识别；系统错误的诊断和恢复。 信道消息多数是预先设定的、在设备间传输的周期性控制数据，少量是 设备诊断报警的非周期数据；实时调度应以周期消息为主，并具备非周 期消息硬实时调度能力。 数据传输量一般较小，多为短帧传送，执行时间短，周期( 死线) 也较 小；因此实时调度要求具有快速的执行和响应能力。 节点间信息交互频繁、复杂，任务间具有资源约束、次序约束和性能约 束关系：实时调度要能支持应用任务要求的向下贯彻。 节点设备多为资源有限的嵌入式设备，实现基本的控制和通信功能，处理 能力有限；实时调度必须简单、易于实施，能有效减小终端节点的处理和运算开 销。 2 3 调度算法研究模型 2 3 1 周期任务模型调度算法 与非实时系统相比，实时系统的一个显著特点是，它们试图同时实现计算在 逻辑和时间上的正确性在实时系统中，计算的正确性不仅取决于计算的逻辑结 果，也取决于结果产生的时间实时调度算法是保障实时系统两个必备特性 时限性和高可靠性的重要手段之一。实时调度是指在有限的系统资源( 如c p u 等) 现场级硬实时以太网调度算法研究与应用 下，为一系列任务决定何时以及在哪个处理器上运行，并分配任务运行所需要的 资源，以保证其时间约束( 即截止期限) 、时序约束和资源约束得到满足 实时调度一直都是实时系统研究中的热点问题，在国内外学术界倍受关注 “”。在实时系统调度理论研究中，可调度性判定是核心问题”“一“。这是因为， 实时任务具有时限要求，在一个或多个处理器之间调度实时任务，需要判断是否 每个任务的执行都能够在其截止期限内完成。如果每个任务的执行都能够在其截 止期限内完成，则称该调度是可行的。可调度性判定( 或称调度可行性判定) 就是 判定给定的n 个实时任务在应用某种调度算法的前提下能否产生一个可行的调 度。调度算法的设计要尽可能满足任务可调度性的要求。 由于实时系统的侧重点不同，实时调度亦有多种分类方式。常见的分类有， 根据任务实时性要求的重要程度，分为硬实时调度和软实时调度在硬实时调 度中任务必须在其截止期i j e ( d e a d l i n e ) 内执行完毕，否则将产生严重后果。而对于 软实时任务，当系统负载过重的时候，允许发生错过截止期限的情况：根据任务 是在一个或多个处理器上运行，分为单处理器实时调度和多处理器实时调度，多 处理器实时调度又可分为集中式调度和分布式调度；根据调度算法和可调度性判 定是在任务运行之前还是运行期间进行的，分为静态调度、动态调度和混合调度： 根据被调度的任务是否可以互相抢占，分为抢占式调度和非抢占式调度；根据任务 请求到达的情况不同，分为周期性任务调度和非周期性任务调度。不同调度方式 具有各自的优缺点，适用于不同类型的实时系统。 1 9 7 3 年，l i u $ 1 1 l a y l a n d 提出了一种适用于可抢占的硬实时周期性任务调度的 静态优先级调度算法速率单( r a t em o n o t o n i c ，简称r m ) 调度算法，并对其 可调度性判定问题进行了研究1 。r m 算法自从提出以来得到了广泛的研究和应 用，目前已有大量关于r m 算法及其各种扩展情况下的调度算法以及实时任务在 这些算法下的可调度性判定研究的文献1 ，1 2 ，1 4 ，1 扣2 ”。理论研究的问题集中在如 何找到更快、更好的可调度性判定方法，以及如何扩展r m 算法，使之更好地满足现 实实现的需求。尽管已有少量关于实时系统方面的专著”“1 ，但是至今尚缺乏 这方面的专题性文章来系统而深入地探讨r m 及其扩展算法的可调度性判定，研 究各种现实条件和实现方式对可调度性的影响。这不利于实时操作系统的开发， 因为引入时间开销及死锁防止机制下的可调度性判定是实时操作系统实现的重 要理论基础。 硬实时通信系统中的任务包括周期任务和非周期任务。周期任务f p e r i o d i c t a s k s ) 按照固定的时间间隔发生，在任务实例的每次执行中，该实例读入监测对 象的状态，然后进行一定的计算，进而利用计算结果改变或者显示监测对象的状 态e 周期任务的共同特征是任务实例执行具有严格的死线要求，即硬实时性。 现场级硬实时以太网调度算法研究与应用 周期任务调度算法研究模型包括周期任务模型( p e r i o d t a s km o d e l ) 和距离 约束任务模型( 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 ) 。周期任务模型 l i u 7 3 是最常用 方法，使用这个模型，能保证在任务的每一周期之内，都有一个实例被调度并执 行完毕，即满足硬实时的死线要求。经典的周期任务模型调度算法主要有单调比 率( r a t em o n o t o n i c ，r m ) 算法和最早死线优先( 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 。距离约束任务模型 h a n 9 2 则保证同一任务两次相继 完成的时间间隔总是小于或等于某一段时间，这段时间被称为距离约束。基于距 离约束任务模型的调度算法主要包括s x ，s