现场级硬实时以太网调度算法研究与应用

论文摘要

随着实时计算的功能日益强大,应用成本的降低,实时计算技术广泛应用于航空航天、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时系统。特别由于实时计算技术及计算机网络技术的发展,现场总线控制系统(FCS)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FCS 中兼容,而FCS 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FCS 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。以太网以其固有一系列优点在非实时网络中得到广泛应用。但是以太网采用CSMA/CD 技术和指数回退机制就决定其不能应用于硬实时网络。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展,由于这两方面的原因,需要研究在以太网为底层物理网络基础之上的硬实时网络技术,特别是研究与实时性相关的网络调度技术尤为重要。论文对硬实时网络中现有的网络调度算法进行了系统、全面的分析,认为当前调度算法所面临的主要问题是:1、处理器利用率低;2、不能支持动态变化的周期任务;3、对非周期任务处理低效;4、不能预测任务计算的成功性;5、瞬时过载的非确定性。针对上述问题,在本论文中,作者在原有的知识基础上,提出现场级硬实时网络调度理论,特别是现场级硬实时理论中具有重要意义的网络调度技术。通过建立网络调度模型,提出一种新型网络调度通信机制并给予实现,在解决原有问题上具有显著的效果。在现场级硬实时网络通信调度软件的设计和实现中,采用软件方法在硬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、输入输出通信表等配置表,以实现实时网络数据传送的实时性和可靠性。此外,介绍了软件测试的一般方法和实时网络通信调度软件测试的测试环境、测试结果和测试分析。最后作者对所做的工作进行了总结和展望。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 实时系统
• 1.1.1 实时系统及其特征
• 1.1.2 实时系统的组成及特点
• 1.1.3 实时系统的体系结构
• 1.1.4 实时操作系统
• 1.2 实时网络的发展动态
• 1.3 研究的目标及意义
• 1.3.1 研究的目标
• 1.3.2 研究的意义
• 1.4 小结
• 第二章 现场级硬实时通信调度技术研究
• 2.1 实时调度的基本概念
• 2.2 现场实时网络通信特点
• 2.3 调度算法研究模型
• 2.3.1 周期任务模型调度算法
• 2.3.1.1 单调比率（Rate Monotonic, RM）调度算法
• 2.3.1.2 最早死线优先（Earliest Deadline First, EDF）调度算法
• 2.3.1.3 优先级上限协议（Priority Ceiling Protocol, PCP）
• 2.3.2 距离约束任务模型调度算法
• 2.3.2.1 风车调度（Pinwheel Scheduling, PinS）技术
• 2.3.2.2 几种典型的风车调度算法
• 2.3.2.3 RM、EDF、Sr 可调度性比较
• 2.3.3 非周期任务调度算法
• 2.3.3.1 PS 调度算法
• 2.3.3.2 PE 和 DS 调度算法
• 2.3.3.3 非周期任务调度算法比较
• 2.4 已有的调度算法应用于现场级实时网络调度存在的问题
• 2.5 小结
• 第三章 现场硬实时网络调度算法设计
• 3.1 系统结构
• 3.1.1 协议结构模型
• 3.1.2 各软件模块间的关系
• 3.1.3 重要子系统间的关系
• 3.1.4 子系统模块结构
• 3.1.5 总线调度模块同 CMIB 间的关系
• 3.2 调度模型
• 3.2.1 收集信息建立待调度消息集合
• 3.2.2 可调度性判定
• 3.2.2.1 基础判定
• 3.2.2.2 仿真判定
• 3.2.3 生成总线调度表
• 3.2.4 非周期消息执行
• 3.3 小结
• 第四章 现场硬实时网络调度算法实现
• 4.1 概述
• 4.2 实现
• 4.2.1 数据结构及常数定义
• 4.2.2 实现流程
• 4.2.3 总线调度表的程序设计说明
• 4.3 HRTCS 功能及接口
• 4.4 小结
• 第五章 现场级硬实时网络调度算法的测试
• 5.1 软件测试概述
• 5.1.1 测试方法
• 5.1.2 测试步骤
• 5.2 测试
• 5.2.1 测试的主要内容
• 5.2.2 测试环境
• 5.3 测试分析
• 5.3.1 可调度性测试
• 5.3.2 运行开销与快速在线调度机制
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、科研成果、发表论文概况