工业以太网周期信息实时调度算法及实验研究

论文摘要

工业以太网是将以太网技术应用于工业控制系统,根据工业控制需求改进后产生的网络控制技术。它具有通信速率高、通信协议简单、开放性良好、价格低廉等特点。这些特点为有效构建一体化的网络控制系统提供了方便。但是以太网固有的通信调度方式——带有冲突检测的载波侦听多路访问机制（CSMA/CD）,是一种非确定性的通信调度方式,它导致的通信延迟不确定性是制约工业以太网应用于小平均等待延迟和高调度成功率要求的瓶颈。因此需要研究在以太网为底层物理网络的实时增强技术。当前实时增强技术面临的要解决的主要问题是:（1）带宽利用率低;（2）无法预测信息调度的成功性;（3）不能支持动态变化的周期信息。本文针对问题（1）和（2）,研究针对工业以太网的一类周期信息,如何降低平均等待延迟和提高调度成功率问题。本文算法的基本思想是从制定实时调度表入手,利用单调速率（Rate Monotonic,RM）算法和给出的可调度性判定规则,制订实时调度表。从而实现小平均等待延迟和高调度成功率的实时调度算法,简称为工业以太网周期信息实时调度（Industrial EthernetPeriodic Message Real-time Scheduling,IEPMRS）算法,并用以取代原来的时分多路访问（Time Division Multiple Access,FDMA）策略并进行了相关实验研究,本文算法应用范围局限于周期信息调度,主要研究工作如下:（1）给出一种工业以太网周期信息实时调度（Industrial Ethernet Periodic MessageReal-time Scheduling,IEPMRS）算法。IEPMRS算法包含三个步骤:①建立待调度信息集合;②可调度性双判定,包括抢占式判定和非抢占式判定;③建立非抢占和非阻塞条件下的实时调度表。（2）对提出的IEPMRS算法进行了代码实现,对此调度模块用到的重要数据结构、函数功能、出入口参数、函数流程图给出了描述。（3）在大连理工大学计算机控制研究所构建的工业以太网实时性测试平台上,对本文算法的调度成功率、平均等待延迟指标进行了测试实验研究。初步测试结果表明了本文IEPMRS算法用于一类周期信息调度的可行性和有效性。本文算法调度成功率高、延迟时间小,实现简单的特点,但算法应用范围具有局限性,进行了初步相关实验,尚不够成熟和完善,距真正工业应用尚有差距。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 工业以太网简介
• 1.2.1 以太网
• 1.2.2 工业以太网
• 1.3 工业以太网的实时性
• 1.3.1 工业以太网实时性研究现状
• 1.3.2 工业以太网的实时级别划分
• 1.4 本文主要内容与章节安排
• 1.5 小结
• 2 实时任务调度算法研究
• 2.1 任务调度的基本概念
• 2.2 单调速率算法
• 2.2.1 任务调度模型
• 2.2.2 可调度性判定条件
• 2.3 截止期单调算法
• 2.4 最小截止期优先算法
• 2.5 实时任务调度算法的比较
• 2.6 小结
• 3 工业以太网周期信息实时调度算法设计
• 3.1 工业以太网的体系结构
• 3.2 工业以太网信息的实时性要求
• 3.3 实时通信调度机制
• 3.4 工业以太网周期信息实时调度算法设计
• 3.4.1 建立信息集
• 3.4.2 可调度性判定
• 3.4.3 生成实时调度表
• 3.4.4 实例研究
• 3.5 小结
• 4 工业以太网周期信息实时调度算法实现
• 4.1 常数定义
• 4.2 主要数据结构
• 4.2.1 节点表数据结构
• 4.2.2 实时调度表数据结构
• 4.2.3 信息表数据结构
• 4.2.4 通信表数据结构
• 4.2.5 四种表的关系
• 4.3 实现流程
• 4.4 小结
• 5 工业以太网周期信息实时调度算法测试实验
• 5.1 测试目的
• 5.2 测试平台
• 5.3 测试内容
• 5.4 测试方法
• 5.5 测试结果与分析
• 5.5.1 调度成功率
• 5.5.2 平均等待延迟
• 5.6 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文研究工作总结
• 6.2 后续的研究工作展望
• 参考文献
• 附录A 工业以太网周期信息实时调度算法源程序
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢