计算机控制第3章详解.ppt

分布式控制系统中的实时通信。 此外，本章也介绍两种不使用实时操作系统的多任务方法，前台/后台系统和循环调度系统，它们由于简单可靠，至今仍在控制系统中广泛使用。 3.2、实时系统和实时操作系统 1、实时系统 实时计算机系统的定义是：能够在确定的时间内运行其功能并对外部的异步事件作出响应的计算机系统。应注意到，“确定的时间”是对实时系统的最根本的要求，实时系统处理的正确性不仅取决于处理结果的逻辑上的正确性，更取决于获得该结果所需的时间。例如，一个在大多数情况下能在20us作出响应，但是偶然需要100us响应时间的系统，它的实时性能要劣于一个能在任何情况下以500us作出响应的系统。 高性能的实时系统，其硬件结构应该具有高的计算速度、高速中断处理和高的I/O通过能力。但是应该认识到，“实时”和“快速”是两个不同的概念。计算机系统处理速度的快慢，主要取决于它的硬件系统，尤其是所采用的处理器的性能。对一个特定的计算机系统，它的处理速度无论怎样高，如果采用的是普通操作系统，就没有实时性可言。在现代控制系统中，实时操作系统是实时系统的核心。 在控制系统中广泛采用实时计算机组成应用系统，实时系统通常运行两类典型的工作。 一类是在预期的时间限制内，确认和响应外部的事件; 另一类处理和储存大量的来自被控系统的数据。对于第1类工作，任务响应时间、中断等待时间和中断处理能力是最重要的，将它称为中断型的。第2类是计算型的工作，要求很好的处理速度和吞吐能力。在实际应用中，经常遇到的是兼具两种要求的中断/计算混合型的实时系统。 不同的实时应用，对任务响应时间、中断等待时间、计算和吞吐能力是有不同的要求。 限定时间（deadline）是指一个任务不被处理的最长时间。 根据对限定时间的不同要求，实时系统可以分为硬实时系统、强实时系统和弱实时系统。而在一般的实时应用中，往往既包含强实时性任务也包含弱实时性任务。 弱实时（soft real time）系统的基本特征是:要求的响应时间和处理时间既短又要确定，如果超出限定时间，所产生的结果就不可用。 硬实时（hard real time）系统，如果超出限定时间，就会造成灾难性后果。例如一个核电站，它对数据采集和处理的要求就高的多，必须密切地、连续地监测和控制电站设备的各项功能，以防止核事故或者突然的停电或关机，响应时间稍有超出，就可能造成灾难性后果，或者对安全生产或发电成本有很大影响。从总体性能来说强实时和硬实时更注重峰值（I/O）负载下的性能。 在单处理器的嵌入式应用中，可以s要求，通常是在设备控制级实现;对前端计算机（IOC）的实时要求通常低于设备控制器;而操作员接口计算机（OPI）则往往是弱实时或者非实时的，它们运行通用的桌面操作系统。 2、实时操作系统 操作系统是计算机运行以及所有资源的管理者，包括任务管理、任务间的信息传递、I/O设备管理、内存管理和文件系统的管理等等。从外部来看，操作系统提供了与使用者、程序及硬件的接口，操作系统与计算机I/O硬件设备的接口是设备驱动器，应用程序与操作系统之间的接口是系统调用。 通用计算机系统中运行的桌面操作系统，Windows和UNIX（Linux）。控制系统主要使用实时操作系统。大多数实时操作系统的结构依照UNIX操作系统的风格，所以它们又称为“类UNIX”操作系统。 3.3微内核 现代的实时操作系统的内核（kernel）通常采用客户/服务者方式，或称为微内核（microkernel）方式，微内核通常只保留任务调度和任务间通讯等几项功能，它依据客户－报务者模型概念，把所有其他的操作系统功能都变成一个个用户态的服务器，而用户任务则被当做客户。客户要用到操作系统时，其实就是通过微内核与服务器通讯而已，微内核验证消息的有效性，在客户和服务器之间传递它们并核准对硬件的存取，这样，微内核仅仅成为传递消息的工具。 微内核将与CPU有关的硬件细节都包含在很小的内核里，其他部分与硬件无关，这样，整个操作系统就很容易移植。如果要扩展功能，仅只是增加相应的服务器而已。在微内核方式下，各个服务器都是独立的用户态任务，有自己的内存保护空间，以标准的方式通讯，一个服务器出错，不会导致整个系统崩溃。此外，微内核操作系统的各种服务器可以分别在不同的处理机上运行，适合分布式系统。 计算机系统里的所有活动，被分解为一个个任务（task）运行。简单地说，任务就是装入计算机内正在运行的程序。程序是由指令和数据集所组成的可运行文件，而任务则是运行中的程序，它包括程序和与这个程序有关的数据及计算机资源等，每个任务都占有自己的地址空间，包括堆栈区、代码区和数据区。 UNIX操作系统与实时操作系统的核心区别是它们任务调度方式的不同，UNIX公平地对待所有的任务，采用轮转调度等方法来调度任务。实时操作系统