Оборудование

Каталог публикаций и обзоров

Проблема реального времени в системах управления (СЧПУ)

1 Оптимальное использование вычислительных ресурсов систем управления предполагает распределение работы модели в машинном и реальном масштабах времени. Управление взаимодействием моделей называют диспетчеризацией; она использует средства операционных систем реального времени. Однако диспетчер ни в коей мере не заменяет операционную систему. Таким образом, поставлена задача найти способы организации совместной работы всех модулей системы управления в целом. Для этого необходимо рациональное решение проблемы реального времени и построение на базе этого решения диспетчера прикладных программ. В этой связи были исследованы существующие предложения по использованию стандартных и оригинальных операционных систем реального времени, а также расширений реального времени операционной системы Windows NT; кроме того, были выделены типы процессов и потоки системы управления.2. Реальное время в системе управленияТрадиционно системы реального времени, включая модуль диспетчера, строят на базе операционных систем реального времени (ОСРВ). Операционные системы общего назначения, например многопользовательские типа UNIX, ориентированы на оптимальное использование распределения ресурсов компьютера между пользователями и выполняемыми процессами. В системах управления подобные задачи уходят на второй план, поскольку основная цель состоит в своевременной реакции на события в объекте управления. В этой связи рассмотрим классификацию возможных решений. Исполнительные системы реального времени предлагают разные платформы для разработки и исполнения программного обеспечения. Прикладную часть реального времени разрабатывают на хост-компьютере, затем объединяют с ядром и загружают в систему управления как одну задачу. Такое решение дает высокую точность и быстродействие. Примером может послужить хорошо известная операционная система реального времени Vx Works. Монолитные ядра реального времени имеют полный набор специфических механизмов реального времени. Ядра компактны, масштабируемы и имеют модульное и хорошо структурированное построение. Типичными представителями служатOS9 (Microwave Systems) и QNX (QNX Software Systems, Канада). Системы управления с операционной системой UNIX реального времени переписывают ядро стандартной операционной системы с учетом требований реального времени. Такие системы поддерживают весь набор UNIX-приложений. Однако система UNIX реального времени имеет большой объем и низкую реактивность. Типичным и широко используемым представителем семейства UNIX служит операционная система Lynux OS. Современные системы числового программного управления все чаще используют операционную систему Windows NT с расширением реального времени. Поскольку этот вариант представляется нам чрезвычайно перспективным, мы позднее остановимся на нем подробнее.3. Базовые понятия операционной системы реального времениСистема ОСРВ предсказуема в том смысле, что время, затрачиваемое на определенную работу, не должно превышать заранее установленного ограничения. Время реакции на прерывание (interrupt latency) состоит в способности своевременной реакции на внешние события (обычно не превышает 2-8 мкс). Время переключения контекста используется для передачи управления от процесса к процессу, от потока к потоку (находится в пределах 80 - 160 мкс). Время реакции планировщика (scheduling latency) представляет собой задержку активизации процесса после отработки прерывания (находится в пределах 4- 16 мкс). В своей работе операционные системы используют набор традиционных механизмов. Механизм приоритетов и диспетчеризации обеспечивает планирование задач реального времени на основе использования некоторого кванта времени (time slice). Механизм межзадачного взаимодействия синхронизирует процессы и передачу данных между ними с использованием семафоров, мютексов, сигналов, событий, разделяемой памяти. Механизм работы с таймерами генерирует прерывания по истечении некоторого настраиваемого интервала времени.4. Использование в системах управления операционной системы Windows NTWindows NT не является операционной системой реального времени, поскольку не имеет достаточного диапазона приоритетов потоков (threads), не позволяет управлять наследованием приоритетов (блокирующий поток должен наследовать приоритет потока, который он блокирует), механизм синхронизации потоков непредсказуем, время реакции на прерывание непредсказуемо. Между тем в силу растущей популярности в системах управления операционной системы Windows NT проблема как-то должна быть решена. Из всех существующих предложений по реализации ОСРВ на базе Windows NT практическое значение имеют всего два подхода. Первый подход состоит в запуске Windows NT в виде низкоприоритетной задачи операционной системы реального времени (супервизора). При этом предполагается применение ядра классической ОСРВ типа QNX или VxWorks. Существуют решения, в которых в качестве супервизора используется Vx Works. Второй подход заключается в расширении (в смысле реального времени) Windows NT. Это может быть оригинальная разработка изготовителя системы управления, например система WinCAT (Backhoff Industrie Electronic, ФРГ)- Другой вариант- использование готового коммерческого решения, например RTX 4.1 фирмы VenturCom. Оба подхода имеют свои достоинства и недостатки. Однако подход на базе расширения реального времени для Windows NT все же более перспективен. Во-первых, в расширении использованы те же типы объектов для управления задачами, что и у ядра Windows NT (мютексы, семафоры и т. д.). В противоположность этому Vx Works использует оригинальные функции и механизмы, формирующие собственный стиль, отличный от стиля Windows. Во-вторых, нет необходимости во второй операционной системе, что сокращает расходы и снимает проблемы установки и стыковки обеих операционных систем на одном персональном компьютере. Решение в пользу расширения реального времени позволяет быстро обновлять систему управления с появлением новых версий Windows NT, осуществлять мощную защиту приложений, которую Windows выполняет с помощью независимого абстрактного уровня HAL, легко отлаживать коды и использовать возможности стандартных механизмов Microsoft для информационного обмена между Windows и задачами реального времени (1РС -механизм межпроцессной связи, OLE - механизм связывания и внедрения объектов, СОМ - механизм компонентных моделей, RPC - механизм удаленного вызова процедур).5. Стратегия диспетчеризации на базе расширения RTX (Real Time extension)Один из самых надежных и распространенных алгоритмов диспетчеризации в многозадачных операционных системах (ОС) - это алгоритм циклической диспетчеризации, когда для выполнения конкретной задачи предоставляется некоторый квант времени (time slice). По истечении каждого кванта времени планировщик просматривает очередь активных задач и принимает решение, которой из них передать управление. Подобный алгоритм может быть использован в системе числового программного управления.

По материалам Сосонкин В. Л., Мартинов Г. М.

О производителях систем ЧПУ смотрите на сайте: rvs-market. Ru