数控实时系统调度理论及应用研究

论文摘要

作为先进制造业的核心技术之一，数控技术的飞速发展，对工业实时计算提出了新的要求。数控实时系统不仅需要保证刀具补偿、插补运算、位置控制等周期性相关任务在确定的时间内完成，也要保证突发事件触发的非周期任务的及时响应，而且在系统的软硬件出现故障时，仍要保证系统安全运行并尽可能在满足各种约束条件下完成任务。因此，要求实时计算能够综合处理多种类型任务共存的混合相关任务集，并且具备一定的故障容错能力。本论文在总结数控任务特点的基础上，提出了数控实时系统调度理论，并通过仿真实验证明了理论的有效性和可行性。主要研究内容包括以下几个方面： 首先，综合分析了国内外调度理论的研究现状和发展趋势，对典型研究成果的原理和适用范围进行剖析，指出了目前调度理论研究中存在的局限性以及现有成果应用于数控实时计算存在的问题。 第二，针对数控系统任务集的特点，建立混合相关任务集的描述模型，以此为基础，提出启发式优化调度算法，给出算法的设计思想及伪代码描述，并对其进行复杂度分析和性能仿真模拟分析。 第三，在全面分析各种容错技术的基础上，针对工业现场复杂环境下易产生暂时性错误的特点，引入低开销回卷恢复技术，将其纳入启发式最优调度算法框架，提出数控系统的容错调度策略。 第四，详细、系统地介绍实时任务最长执行时间(WCET)预测领域的研究情况，并且针对源程序路径分析结果过于“悲观”和分析过程的时间复杂度高的问题，提出了解决方案。该方案综合应用程序结构调整、符号执行以及分支定界等技术，消除程序中的不可达路径，减少需要分析的路径数量，保证WCET预测的精确性和分析效率。 最后，讨论了数控实时系统在设计与实现过程中若干重要问题。着重研究了控制流程的表达方式，建立实时有限状态机模型，并首次提出了使用时间约束网络理论对模型中状态行为时间的取值范围进行分析计算的方法，从而实现控制流程的可调度性判定。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 数控系统及其实时计算需求
• 1.1.2 实时系统调度理论研究现状
• 1.1.3 本文的研究动机
• 1.2 论文的主要研究内容
• 1.3 论文的结构
• 参考文献
• 第二章 实时系统调度理论
• 2.1 实时任务及其属性
• 2.1.1 任务与任务的时间属性
• 2.1.2 任务的分类
• 2.1.3 任务的相关性
• 2.2 实时调度算法研究
• 2.2.1 实时调度算法概述
• 2.2.2 静态实时调度算法
• 2.2.3 动态实时调度算法
• 2.2.4 混合任务集调度算法
• 2.3 实时任务执行时间预测
• 2.3.1 执行时间预测的原则与思路
• 2.3.2 实时程序执行路径分析
• 2.3.3 机器指令的执行时间
• 2.3.4 影响 WCET因素的综合分析
• 2.4 问题的提出
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 启发式最佳优先实时调度算法
• 3.1 混合任务系统的调度模型
• 3.1.1 任务的时间参数描述
• 3.1.2 任务切换
• 3.1.3 调度目标
• 3.2 启发式最佳优先搜索策略
• 3.2.1 启发式最佳优先搜索策略求解问题的描述
• 3.2.2 启发式评估函数的构造
• 3.3 混合任务集的BF调度算法
• 3.4 算法示例
• 3.5 算法复杂度分析与适用性讨论
• 3.6 算法性能分析
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第四章 混合任务集的容错调度
• 4.1 容错理论
• 4.1.1 容错的概念
• 4.1.2 冗余管理
• 4.1.3 容错处理技术
• 4.2 实时容错调度
• 4.2.1 永久性故障容错调度
• 4.2.2 暂时性故障容错调度
• 4.3 基于回卷恢复和 BF算法的容错调度
• 4.3.1 回卷恢复模型
• 4.3.2 基于回卷恢复和 BF算法的容错调度策略
• 4.4 算法模拟及性能分析
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 实时任务执行时间预测
• 5.1 执行路径分析概述
• 5.2 程序结构的扩展控制流程图描述
• 5.2.1 时间属性扩展控制流程图
• 5.2.2 CPU周期的绝对时间估算
• 5.3 分支条件显式冲突的预处理消除
• 5.3.1 不可达路径与分支语句冲突
• 5.3.2 显式冲突的预处理消除
• 5.4 WCET的启发式分析算法
• 5.4.1 程序的符号执行
• 5.4.2 基于符号执行和分支定界思想的WCET算法
• 5.4.3 算法应用实例
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 实时数控系统的设计与实现
• 6.1 设计对象分析
• 6.1.1 数控系统任务组成与工作过程
• 6.1.2 多任务并行处理
• 6.2 控制流程的表达与设计
• 6.2.1 控制流程表达的实时有限状态机模型
• 6.2.2 基于时间约束网络的控制流程可调度性分析
• 6.2.3 数控系统故障处理流程的设计分析
• 6.3 可容错数控调度程序设计
• 6.4 实时全软件数控系统的实现
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论及进一步的工作
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 进一步的工作
• 攻读博士学位期间发表学术论文和参加科研情况
• 1 发表或录用的学术论文
• 2 参加的科研项目
• 致谢