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)的一個熱點(diǎn)研究內(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)展的一個重要方向。本文提出了一種基于現(xiàn)場總線的分布式數(shù)控系統(tǒng)的架構(gòu)，數(shù)控系統(tǒng)的各個功能節(jié)點(diǎn)通過現(xiàn)場總線連接通信，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。針對該架構(gòu)，分別為系統(tǒng)的主站和從站設(shè)計了不同的調(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)場總線作為中心，各個功能模塊按照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，各個智能控制器作為從站。系統(tǒng)主站和從站之間通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線交換加工數(shù)據(jù)信息、故障診斷信息、時間同步等信息。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、速度控制由各個智能控制器完成。系統(tǒng)從加工程序到粗插補(bǔ)過程所發(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)的各個功能節(jié)點(diǎn)通過PROFIBUS-DP總線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)主站和各個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)算對實(shí)時性的要求不高，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)以報文的形式通過PROFIBUS-DP總線傳送到各個智能控制器，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。各軸的狀態(tài)通過智能控制器反饋到PC機(jī)，PC機(jī)要完成故障的診斷并對智能控制器發(fā)出相應(yīng)指令，這也對主站和從站有同步要求。PROFIBUS-DP通過MS3報文，主站將實(shí)時時間標(biāo)記發(fā)送給所有的從站，將從站的時鐘同步到系統(tǒng)時間，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)各項任務(wù)被分配到主站和各個從站完成，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)時任務(wù)和實(shí)時任務(wù)，各個從站分別控制各軸，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、與主站通信等，這些任務(wù)都是實(shí)時周期性任務(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)，各個任務(wù)執(zhí)行的順序和所需時間都是固定的，故采用時間片輪換調(diào)度的方法，系統(tǒng)的各個任務(wù)按照固定的順序進(jìn)入任務(wù)隊列排隊，在上一個任務(wù)完成后由調(diào)度程序?qū)⑾乱粋€任務(wù)轉(zhuǎn)入運(yùn)行狀態(tài)，同時時間中斷服務(wù)程序開始計時，該任務(wù)在規(guī)定的時間片內(nèi)完成后，又轉(zhuǎn)到下一個任務(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)時任務(wù)采用最早截止時間優(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)時任務(wù)和非實(shí)時任務(wù)得以調(diào)度執(zhí)行;②通過動態(tài)調(diào)整重復(fù)周期Ti，使周期性任務(wù)執(zhí)行間隔時間盡可能短，CPU的利用率和作業(yè)丟失率維持在一個合理的水平。

本文設(shè)計了一種彈性周期調(diào)度策略，其調(diào)度框架如圖3所示。任務(wù)調(diào)度服務(wù)程序是整個調(diào)度框架的核心，它接受就緒任務(wù)的調(diào)度申請，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）一個新的任務(wù)到來后，通過任務(wù)狀態(tài)管理程序?qū)⑵渌腿敕菍?shí)時就緒任務(wù)隊列或?qū)崟r就緒任務(wù)隊列;

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

(3）實(shí)時就緒任務(wù)在實(shí)時就緒任務(wù)隊列排隊，并動態(tài)設(shè)置優(yōu)先級，實(shí)時任務(wù)采用搶占式調(diào)度策略，優(yōu)先級最高的任務(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、時序要求等運(yùn)行條件滿足時，任務(wù)才得以調(diào)度;

(5）當(dāng)滿足運(yùn)行條件時，任務(wù)調(diào)度服務(wù)程序激活優(yōu)先級最高的任務(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）由時間中斷服務(wù)程序提供時間中斷服務(wù)，運(yùn)行任務(wù)必須在規(guī)定時限內(nèi)完成。若任務(wù)完成，則在就緒任務(wù)隊列中注銷該任務(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)隊列，這主要是以下3種情況導(dǎo)致:①就緒任務(wù)隊列有比當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)優(yōu)先級更高的任務(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)的時限已到。對于第①種和第②種情況，當(dāng)運(yùn)行條件滿足時，任務(wù)調(diào)度服務(wù)程序為其進(jìn)行斷點(diǎn)復(fù)原，重新運(yùn)行;對于第③種情況，若該任務(wù)對后續(xù)任務(wù)處理無影響，則在就緒任務(wù)隊列中注銷該任務(wù)，否則該任務(wù)通過任務(wù)狀態(tài)管理程序進(jìn)入實(shí)時就緒任務(wù)隊列重新排隊;

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

圖3 彈性周期調(diào)度框架模型

3.3.2 運(yùn)行周期的動態(tài)設(shè)定

定義1 觀測周期Tt:觀測CPU的利用率和作業(yè)丟失率時，以觀測周期Tt為時間基準(zhǔn)進(jìn)行觀測。為了盡量減少任務(wù)跨越觀測周期，提高觀測準(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）為觀測周期Tt內(nèi)，超過時限的實(shí)時任務(wù)的數(shù)量與實(shí)時任務(wù)的總數(shù)之比。對于周期性任務(wù)，如果實(shí)際完成時間超過截止時間T，則該任務(wù)丟失;對于非周期任務(wù)，其實(shí)際執(zhí)行時間為Ts=t-e，其中t為當(dāng)前時刻，e為任務(wù)實(shí)際開始時刻，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，就基本能夠保證作業(yè)丟失率在一個合理的水平;同時，為了防止因周期任務(wù)的周期過長，處理器利用率過低而導(dǎo)致實(shí)時性變差，給出一個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，則處理器利用率過高，會造成過高的作業(yè)丟失率，這時可以采用延長周期性任務(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。為了防止頻繁啟動周期延長程序，每次當(dāng)實(shí)際利用率U＞UH時，通過延長周期任務(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，因為非周期任務(wù)的處理器利用率也會同時降低，則處理器的實(shí)際利用率會低于U1。理想情況下，周期任務(wù)都能夠調(diào)度執(zhí)行，在觀測周期Tt內(nèi)，所有周期任務(wù)的實(shí)際執(zhí)行時間P是固定的，故周期任務(wù)的處理器利用率UP是確定的。在周期延長前，有:

延長周期后，假設(shè)對應(yīng)的觀測周期由Tt延長到Tt+ Δt，則有:UP-ΔU=P/(Tt+Δt） (2）

由式①和式②可得:

對于任一周期任務(wù)，假設(shè)其在一個觀測周期內(nèi)執(zhí)行K個周期，在周期延長前，有:

在周期延長后有:

由式③和式④可得:

(2）當(dāng)處理器實(shí)際利用率U＜UL時，則處理器利用率過低，會造成系統(tǒng)實(shí)時性較差，這時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。為了防止頻繁啟動周期縮短程序，每次當(dāng)實(shí)際利用率U＜UL時，通過縮短周期任務(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，因為非周期任務(wù)的處理器利用率也會同時升高，則處理器的實(shí)際利用率會高于U2。理想情況下，周期任務(wù)都得以調(diào)度執(zhí)行，在觀測周期Tt內(nèi)，所有周期任務(wù)的實(shí)際執(zhí)行時間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)對應(yīng)的觀測周期由Tt縮短到Tt- Δt，則有:

由式⑤和式⑥可得:

對于任一周期任務(wù)，假設(shè)其在一個觀測周期內(nèi)執(zhí)行K個周期，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 彈性周期動態(tài)設(shè)定算法驗證

對彈性周期動態(tài)設(shè)定算法進(jìn)行仿真驗證，在驗證中將 UL、UH、U1、U2分別設(shè)定為 15%、95%、80%、50%，驗證方法為:每隔5ms采樣一次CPU的利用率，統(tǒng)計數(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，通過觸發(fā)一個實(shí)時突發(fā)任務(wù)，該任務(wù)執(zhí)行周期0.1s，檢測到CPU在10ms時刻利用率接近95%，然后在彈性周期調(diào)節(jié)程序作用下，檢測到CPU在20ms時利用率穩(wěn)定在80%左右，系統(tǒng)能夠快速從飽和狀態(tài)收斂到穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 CPU利用率統(tǒng)計表

4 結(jié)論

(1）系統(tǒng)采用基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的分布式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)清晰，軟硬件設(shè)計簡單;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;由于每個智能控制單元控制一個軸，需要實(shí)時處理的任務(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)對主站實(shí)時性的要求。

(3）系統(tǒng)主站采取彈性周期調(diào)度策略，通過動態(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)周期的動態(tài)調(diào)整對從站基本上沒有影響，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)時性;因為系統(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)。

［1］周剛，鄔義杰，潘曉弘.數(shù)控系統(tǒng)軟件模塊實(shí)時調(diào)度方法［J］. 機(jī)械工程學(xué)報，2009(1）:162-166.

［2］秦承剛，于東，吳文江，等.一種面向數(shù)控系統(tǒng)的動態(tài)反饋調(diào)度模型［J］.小型微型計算機(jī)系統(tǒng)，2010(4）:788-792.

［3］梁宏斌，王永章.基于Windows的開放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時問題研究［J］.計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2003(5）:403-406.

［4］郭偉.基于全分布式數(shù)控系統(tǒng)的自治式控制單元及關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［5］謝經(jīng)明，周祖德，陳幼平，等.基于現(xiàn)場總線的開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報，2002(4）:1-4.

［6］姚鑫驊，潘雪增，傅建中，等.數(shù)控系統(tǒng)的混合任務(wù)模型及其最優(yōu)調(diào)度算法研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版），2006(8）:1315-1319.

［7］鄭飛，王時龍，簡毅.可重構(gòu)分布式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2008(4）:637-643.