一種分布式數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)度策略研究

馮 寧

(廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510515）

0 引言

隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，開放式、模塊化和可重構(gòu)是當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。開放式數(shù)控系統(tǒng)以其資源的開放性、可重構(gòu)和可共享等優(yōu)點(diǎn)，成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。本文提出了一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式數(shù)控系統(tǒng)的架構(gòu)，數(shù)控系統(tǒng)的各個(gè)功能節(jié)點(diǎn)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接通信，各功能節(jié)點(diǎn)之間耦合性低，系統(tǒng)具有良好的開放性和可重構(gòu)性。針對(duì)該架構(gòu)，分別為系統(tǒng)的主站和從站設(shè)計(jì)了不同的調(diào)度策略，充分發(fā)揮系統(tǒng)主站和從站的設(shè)備性能特點(diǎn)，保證系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性和低的作業(yè)丟失率。

1 系統(tǒng)的模型

如圖1所示，數(shù)控系統(tǒng)以PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線作為中心，各個(gè)功能模塊按照PROFIBUS-DP的規(guī)范要求插在總線上，各模塊之間通過(guò)PROFIBUS-DP總線進(jìn)行通信。系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，以帶有CP5611卡的PC機(jī)作為單一主站，各個(gè)智能控制器作為從站。系統(tǒng)主站和從站之間通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線交換加工數(shù)據(jù)信息、故障診斷信息、時(shí)間同步等信息。系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、刀補(bǔ)功能、粗插補(bǔ)功能等在PC機(jī)內(nèi)完成，精插補(bǔ)、位置控制、速度控制由各個(gè)智能控制器完成。系統(tǒng)從加工程序到粗插補(bǔ)過(guò)程所發(fā)生的數(shù)據(jù)交換都在PC機(jī)內(nèi)部進(jìn)行，從精插補(bǔ)到速度控制所發(fā)生的數(shù)據(jù)交換都在智能控制器內(nèi)部進(jìn)行，只有粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)之間的數(shù)據(jù)交換是通過(guò)PROFIBUSDP總線在PC機(jī)和智能控制器之間進(jìn)行，系統(tǒng)各模塊之間數(shù)據(jù)交換量較小，通信額外占用資源較少。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)模型

2 系統(tǒng)主站與從站之間的信息交換與同步

系統(tǒng)的各個(gè)功能節(jié)點(diǎn)通過(guò)PROFIBUS-DP總線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)主站和各個(gè)從站之間的信息交換和同步。系統(tǒng)各功能節(jié)點(diǎn)之間所要交換的信息包括加工數(shù)據(jù)信息、故障診斷信息、時(shí)間同步信息等，其中最主要的是加工數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)的加工數(shù)據(jù)信息流程如圖2所示。從圖2看出，從加工程序到粗插補(bǔ)過(guò)程所發(fā)生的數(shù)據(jù)交換都在PC機(jī)內(nèi)部進(jìn)行，從精插補(bǔ)到速度控制所發(fā)生的數(shù)據(jù)交換都在智能控制器內(nèi)部進(jìn)行，只有粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)之間的數(shù)據(jù)交換是通過(guò)PROFIBUS-DP總線在PC機(jī)和智能控制器之間進(jìn)行。從圖2還可以看出，粗插補(bǔ)的結(jié)果送入精插補(bǔ)緩沖區(qū)，而并非立即進(jìn)行精插補(bǔ)運(yùn)算，也就是說(shuō)粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)并非同步，這就使得PC機(jī)的粗插補(bǔ)運(yùn)算對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不高，可以根據(jù)任務(wù)的負(fù)載情況合理安排，提高了系統(tǒng)主站任務(wù)調(diào)度的成功率。

圖2 系統(tǒng)的加工數(shù)據(jù)信息流程

PC機(jī)粗插補(bǔ)運(yùn)算所得的數(shù)據(jù)以報(bào)文的形式通過(guò)PROFIBUS-DP總線傳送到各個(gè)智能控制器，獨(dú)立完成各軸的控制。粗插補(bǔ)運(yùn)算和精插補(bǔ)運(yùn)算并非同步進(jìn)行，但各個(gè)智能控制器的精插補(bǔ)運(yùn)算必須同步進(jìn)行，以保證各軸之間的正確聯(lián)動(dòng)。各軸的狀態(tài)通過(guò)智能控制器反饋到PC機(jī)，PC機(jī)要完成故障的診斷并對(duì)智能控制器發(fā)出相應(yīng)指令，這也對(duì)主站和從站有同步要求。PROFIBUS-DP通過(guò)MS3報(bào)文，主站將實(shí)時(shí)時(shí)間標(biāo)記發(fā)送給所有的從站，將從站的時(shí)鐘同步到系統(tǒng)時(shí)間，誤差小于1ms，保證了系統(tǒng)具有高精度的同步性。

3 系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)度策略

3.1 數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)分析

系統(tǒng)各項(xiàng)任務(wù)被分配到主站和各個(gè)從站完成，主站完成的任務(wù)包括文件管理、參數(shù)設(shè)置、粗插補(bǔ)程序等非實(shí)時(shí)任務(wù)和實(shí)時(shí)任務(wù)，各個(gè)從站分別控制各軸，完成精插補(bǔ)、速度控制、位置控制等實(shí)時(shí)任務(wù)。由于從站具有高度的自治性，能夠獨(dú)立地完成自己的任務(wù)，主站的粗插補(bǔ)與各個(gè)從站的精插補(bǔ)、速度控制、位置控制不必同步進(jìn)行，主站可以離線進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，然后將運(yùn)算結(jié)果根據(jù)需要傳送到從站，從而降低了主站的實(shí)時(shí)性要求，保證了系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的高成功率。系統(tǒng)的主站和從站都具有高度自治性，所需處理任務(wù)的性質(zhì)不同，因此采用不同的調(diào)度策略。

3.2 系統(tǒng)從站的任務(wù)調(diào)度

系統(tǒng)從站的任務(wù)主要包括精插補(bǔ)、位置控制、速度控制、狀態(tài)檢測(cè)、與主站通信等，這些任務(wù)都是實(shí)時(shí)周期性任務(wù)，特別是位置控制、速度控制等任務(wù)在執(zhí)行過(guò)程中，除系統(tǒng)故障外，不允許被其它任何任務(wù)中斷。由于從站的任務(wù)比較穩(wěn)定，且周期性強(qiáng)，各個(gè)任務(wù)執(zhí)行的順序和所需時(shí)間都是固定的，故采用時(shí)間片輪換調(diào)度的方法，系統(tǒng)的各個(gè)任務(wù)按照固定的順序進(jìn)入任務(wù)隊(duì)列排隊(duì)，在上一個(gè)任務(wù)完成后由調(diào)度程序?qū)⑾乱粋€(gè)任務(wù)轉(zhuǎn)入運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)時(shí)間中斷服務(wù)程序開始計(jì)時(shí)，該任務(wù)在規(guī)定的時(shí)間片內(nèi)完成后，又轉(zhuǎn)到下一個(gè)任務(wù)執(zhí)行，如此不斷循環(huán)執(zhí)行。這是一種單調(diào)速率的調(diào)度算法，具有運(yùn)行開銷小、穩(wěn)定性和可預(yù)測(cè)性好的優(yōu)點(diǎn)。

3.3 系統(tǒng)主站的任務(wù)調(diào)度

3.3.1 主站的彈性周期調(diào)度策略

系統(tǒng)主站是一種混合任務(wù)系統(tǒng)，既包括周期任務(wù)，也包括非周期任務(wù)，其調(diào)度目標(biāo)是:①周期性實(shí)時(shí)任務(wù)采用最早截止時(shí)間優(yōu)先調(diào)度算法(EDF），所有周期任務(wù)能夠在規(guī)定的結(jié)束時(shí)刻Ti之前完成，在周期性任務(wù)執(zhí)行的間隙，能有足夠的資源使得突發(fā)性實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)得以調(diào)度執(zhí)行;②通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整重復(fù)周期Ti，使周期性任務(wù)執(zhí)行間隔時(shí)間盡可能短，CPU的利用率和作業(yè)丟失率維持在一個(gè)合理的水平。

本文設(shè)計(jì)了一種彈性周期調(diào)度策略，其調(diào)度框架如圖3所示。任務(wù)調(diào)度服務(wù)程序是整個(gè)調(diào)度框架的核心，它接受就緒任務(wù)的調(diào)度申請(qǐng)，并根據(jù)任務(wù)可調(diào)度性分析結(jié)果，判定是否有足夠的CPU資源和內(nèi)存資源，將該就緒任務(wù)由就緒等待狀態(tài)變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)。具體的調(diào)度算法如下:

(1）一個(gè)新的任務(wù)到來(lái)后，通過(guò)任務(wù)狀態(tài)管理程序?qū)⑵渌腿敕菍?shí)時(shí)就緒任務(wù)隊(duì)列或?qū)崟r(shí)就緒任務(wù)隊(duì)列;

(2）非實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)低，在CPU完成實(shí)時(shí)任務(wù)的間隙，采用分時(shí)調(diào)度策略處理。非實(shí)時(shí)任務(wù)在非實(shí)時(shí)就緒任務(wù)隊(duì)列中排隊(duì)，按先進(jìn)先出的順序等待調(diào)度;

(3）實(shí)時(shí)就緒任務(wù)在實(shí)時(shí)就緒任務(wù)隊(duì)列排隊(duì)，并動(dòng)態(tài)設(shè)置優(yōu)先級(jí)，實(shí)時(shí)任務(wù)采用搶占式調(diào)度策略，優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)得以調(diào)度執(zhí)行;

(4）為了提高調(diào)度的成功率，調(diào)度前進(jìn)行可調(diào)度性分析，只有在CPU資源、內(nèi)存資源、時(shí)序要求等運(yùn)行條件滿足時(shí)，任務(wù)才得以調(diào)度;

(5）當(dāng)滿足運(yùn)行條件時(shí)，任務(wù)調(diào)度服務(wù)程序激活優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，將該任務(wù)由就緒等待狀態(tài)變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)，并分配運(yùn)行所需要的資源。如果該任務(wù)是先前掛起的任務(wù)模塊，則為該任務(wù)進(jìn)行斷點(diǎn)復(fù)原。

(6）由時(shí)間中斷服務(wù)程序提供時(shí)間中斷服務(wù)，運(yùn)行任務(wù)必須在規(guī)定時(shí)限內(nèi)完成。若任務(wù)完成，則在就緒任務(wù)隊(duì)列中注銷該任務(wù)。當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)有可能在完成之前中斷運(yùn)行，轉(zhuǎn)入掛起狀態(tài)，進(jìn)行斷點(diǎn)保護(hù)，并進(jìn)入掛起任務(wù)隊(duì)列，這主要是以下3種情況導(dǎo)致:①就緒任務(wù)隊(duì)列有比當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)，中斷當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)行;②當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的運(yùn)行條件變?yōu)椴粷M足，被迫轉(zhuǎn)入掛起狀態(tài);③當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的時(shí)限已到。對(duì)于第①種和第②種情況，當(dāng)運(yùn)行條件滿足時(shí)，任務(wù)調(diào)度服務(wù)程序?yàn)槠溥M(jìn)行斷點(diǎn)復(fù)原，重新運(yùn)行;對(duì)于第③種情況，若該任務(wù)對(duì)后續(xù)任務(wù)處理無(wú)影響，則在就緒任務(wù)隊(duì)列中注銷該任務(wù)，否則該任務(wù)通過(guò)任務(wù)狀態(tài)管理程序進(jìn)入實(shí)時(shí)就緒任務(wù)隊(duì)列重新排隊(duì);

(7）周期調(diào)節(jié)程序根據(jù)CPU的利用率和作業(yè)丟失率來(lái)調(diào)節(jié)觀測(cè)周期Tt，若CPU利用率太低，則縮短觀測(cè)周期Tt，若作業(yè)丟失率太高，則延長(zhǎng)觀測(cè)周期Tt。

圖3 彈性周期調(diào)度框架模型

3.3.2 運(yùn)行周期的動(dòng)態(tài)設(shè)定

定義1 觀測(cè)周期Tt:觀測(cè)CPU的利用率和作業(yè)丟失率時(shí)，以觀測(cè)周期Tt為時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行觀測(cè)。為了盡量減少任務(wù)跨越觀測(cè)周期，提高觀測(cè)準(zhǔn)確性，Tt取值為各周期性任務(wù)周期T的最小公倍數(shù)。

定義2 處理器利用率:為混合任務(wù)中所有任務(wù)對(duì)處理器的利用率之和。

處理器利用率U=UP+UN。

定義3 作業(yè)丟失率:作業(yè)丟失率L(k）為觀測(cè)周期Tt內(nèi)，超過(guò)時(shí)限的實(shí)時(shí)任務(wù)的數(shù)量與實(shí)時(shí)任務(wù)的總數(shù)之比。對(duì)于周期性任務(wù)，如果實(shí)際完成時(shí)間超過(guò)截止時(shí)間T，則該任務(wù)丟失;對(duì)于非周期任務(wù)，其實(shí)際執(zhí)行時(shí)間為Ts=t-e，其中t為當(dāng)前時(shí)刻，e為任務(wù)實(shí)際開始時(shí)刻，當(dāng)達(dá)到條件Ts＞Tmax，則該任務(wù)丟失。

理想情況下，只要滿足U＜1，則所有的任務(wù)都能夠調(diào)度執(zhí)行。但實(shí)際上在觀測(cè)周期Tt內(nèi)，不可能所有任務(wù)都按理想情況均勻發(fā)生，突發(fā)性任務(wù)的發(fā)生是隨機(jī)的，當(dāng)U越接近1，作業(yè)丟失的概率越高，為了保證任務(wù)調(diào)度的成功率，給出一個(gè)處理器利用率的上限參考值UH，當(dāng)處理器的實(shí)際利用率U＜UH時(shí)，就基本能夠保證作業(yè)丟失率在一個(gè)合理的水平;同時(shí)，為了防止因周期任務(wù)的周期過(guò)長(zhǎng)，處理器利用率過(guò)低而導(dǎo)致實(shí)時(shí)性變差，給出一個(gè)處理器利用率的下限參考值UL。

(1）當(dāng)處理器實(shí)際利用率U＞UH時(shí)，則處理器利用率過(guò)高，會(huì)造成過(guò)高的作業(yè)丟失率，這時(shí)可以采用延長(zhǎng)周期性任務(wù)重復(fù)周期的方法，降低系統(tǒng)處理器的利用率到合理水平。為了防止頻繁啟動(dòng)周期延長(zhǎng)程序，每次當(dāng)實(shí)際利用率U＞UH時(shí)，通過(guò)延長(zhǎng)周期任務(wù)的重復(fù)周期T而使處理器利用率達(dá)到U1，U1的取值為處理器的允許最高利用率UH和最低利用率UL之間的一個(gè)值。

為了將處理器利用率由U降到U1，則需要降低利用率ΔU=U-U1，如果使周期任務(wù)的處理器利用率降低ΔU，因?yàn)榉侵芷谌蝿?wù)的處理器利用率也會(huì)同時(shí)降低，則處理器的實(shí)際利用率會(huì)低于U1。理想情況下，周期任務(wù)都能夠調(diào)度執(zhí)行，在觀測(cè)周期Tt內(nèi)，所有周期任務(wù)的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間P是固定的，故周期任務(wù)的處理器利用率UP是確定的。在周期延長(zhǎng)前，有:

延長(zhǎng)周期后，假設(shè)對(duì)應(yīng)的觀測(cè)周期由Tt延長(zhǎng)到Tt+ Δt，則有:UP-ΔU=P/(Tt+Δt） (2）

由式①和式②可得:

對(duì)于任一周期任務(wù)，假設(shè)其在一個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)執(zhí)行K個(gè)周期，在周期延長(zhǎng)前，有:

在周期延長(zhǎng)后有:

由式③和式④可得:

(2）當(dāng)處理器實(shí)際利用率U＜UL時(shí)，則處理器利用率過(guò)低，會(huì)造成系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差，這時(shí)可以采用縮短周期性任務(wù)重復(fù)周期的方法，維持系統(tǒng)處理器的利用率到合理水平。為了防止頻繁啟動(dòng)周期縮短程序，每次當(dāng)實(shí)際利用率U＜UL時(shí)，通過(guò)縮短周期任務(wù)的重復(fù)周期T而使處理器利用率達(dá)到U2，U2的取值為處理器的允許最高利用率UH和最低利用率UL之間的一個(gè)值。

為了將處理器利用率由U升到U2，則需要升高利用率ΔU=U2-U，如果使周期任務(wù)的處理器利用率升高ΔU，因?yàn)榉侵芷谌蝿?wù)的處理器利用率也會(huì)同時(shí)升高，則處理器的實(shí)際利用率會(huì)高于U2。理想情況下，周期任務(wù)都得以調(diào)度執(zhí)行，在觀測(cè)周期Tt內(nèi)，所有周期任務(wù)的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間P是固定的，故周期任務(wù)的處理器利用率UP是確定的。在周期縮短前，有:

縮短周期后，假設(shè)對(duì)應(yīng)的觀測(cè)周期由Tt縮短到Tt- Δt，則有:

由式⑤和式⑥可得:

對(duì)于任一周期任務(wù)，假設(shè)其在一個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)執(zhí)行K個(gè)周期，在周期縮短前，有:

在周期縮短后有:

由式⑦和式⑧可得:

3.3.3 彈性周期動(dòng)態(tài)設(shè)定算法驗(yàn)證

對(duì)彈性周期動(dòng)態(tài)設(shè)定算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在驗(yàn)證中將 UL、UH、U1、U2分別設(shè)定為 15%、95%、80%、50%，驗(yàn)證方法為:每隔5ms采樣一次CPU的利用率，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示，數(shù)控系統(tǒng)在正常運(yùn)行情況下CPU的利用率為60%左右，通過(guò)觸發(fā)一個(gè)實(shí)時(shí)突發(fā)任務(wù)，該任務(wù)執(zhí)行周期0.1s，檢測(cè)到CPU在10ms時(shí)刻利用率接近95%，然后在彈性周期調(diào)節(jié)程序作用下，檢測(cè)到CPU在20ms時(shí)利用率穩(wěn)定在80%左右，系統(tǒng)能夠快速?gòu)娘柡蜖顟B(tài)收斂到穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 CPU利用率統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

(1）系統(tǒng)采用基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)清晰，軟硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單;分布式結(jié)構(gòu)大大提高了系統(tǒng)的組態(tài)性能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的柔性和開放性;由于每個(gè)智能控制單元控制一個(gè)軸，需要實(shí)時(shí)處理的任務(wù)少，可以達(dá)到更好的控制性能。

(2）系統(tǒng)從站自治性較強(qiáng)，主站和從站相對(duì)獨(dú)立;由于系統(tǒng)的粗插補(bǔ)與精插補(bǔ)并非同步進(jìn)行，從而降低了系統(tǒng)對(duì)主站實(shí)時(shí)性的要求。

(3）系統(tǒng)主站采取彈性周期調(diào)度策略，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整周期任務(wù)的重復(fù)周期，使主站CPU的利用率和作業(yè)丟失率維持在一個(gè)最佳平衡點(diǎn);智能從站采取一種單調(diào)速率調(diào)度算法，主站周期任務(wù)重復(fù)周期的動(dòng)態(tài)調(diào)整對(duì)從站基本上沒(méi)有影響，而從站直接控制各軸，系統(tǒng)的加工質(zhì)量直接取決于從站的實(shí)時(shí)性;因?yàn)橄到y(tǒng)根據(jù)任務(wù)的特點(diǎn)，主站和從站采取不同的任務(wù)調(diào)度策略，使得主站和從站均能充分發(fā)揮自身設(shè)備性能的特點(diǎn)，系統(tǒng)達(dá)到整體性能最優(yōu)。

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