Сосонкин_Системы_ЧПУ (Книга - Системы СЧПУ), страница 11

Раскрытыспособы организации совместной работы всех модулей системыуправления в целом. Рассмотрены возможности применения стандартных и оригинальных операционных систем реального времении обосновано решение использования в системе управления расширения реального времени операционной системы Windows NT.2.2.1.

Постановка задачиОптимальное использование вычислительных ресурсов систем управления предполагает распределение работы модели в машинном и реальноммасштабах 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 построениена базе этого решения диспетчера прикладных программ. В этой связи былиисследованы существующие предложения по использованию стандартныхи оригинальных операционных систем реального времени, а также расширений реального времени операционной системы Windows NT; крометого, были выделены типы процессов и потоки системы управления.g4В.Л.

Сосонкин, Г.М. Мартинов. Системы числового программного управления2.2.2. Реальное время в системе управленияТрадиционно системы реального времени, включая модуль диспетчера, строят на базе операционных систем реального времени (ОСРВ). Операционные системы общего назначения, например многопользовательскиетипа 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 вобъекте управления. В этой связи рассмотрим классификацию возможныхрешений.Исполнительные системы реального времени предлагают разные платформы для разработки и исполнения программного обеспечения. Прикладную часть реального времени разрабатывают на хост-компьютере, затемобъединяют с ядром и загружают в систему управления как одну задачу.Такое решение даетвысокую 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, масштабируемыи имеют модульное и хорошо структурированное построение. Типичнымипредставителями служат OS9 (Microwave Systems) и QNX (QNX SoftwareSystems, Канада).Системы управления с операционной системой UNIX реального времени переписывают ядро стандартной операционной системы с учетомтребований реального времени. Такие системы поддерживают весь наборUNIX-приложений. Однако система UNIX реального времени имеет большой объем и низкую реактивность.

Типичным и широко используемымпредставителем семейства UNIX служит операционная система Lynux OS.Современные системы числового программного управления все чащеиспользуют операционную систему Windows NT с расширением реального времени. Поскольку этот вариант представляется нам чрезвычайно перспективным, мы позднее остановимся на нем подробнее.2.2.3. Базовые понятия операционной системыреального времениСистема ОСРВ предсказуема в том смысле, что время, затрачиваемоена определенную работу, не должно превышать заранее установленногоограничения. Время реакции на прерывание (interrupt latency) состоит вспособности 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 вГлава 2. Общие принципы построения систем ЧПУпределах 80 - 160 мкс). Время реакции планировщика (scheduling latency)представляет собой задержку активизации процесса после отработки прерывания (находится в пределах 4 - 16 мкс) [23].В своей работе операционные системы используют набор традиционных механизмов. Механизм приоритетов и диспетчеризации обеспечиваетпланирование задач реального времени на основе использования некоторого кванта времени (time slice). Механизм межзадачного взаимодействиясинхронизирует 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.2.2.4. Использование в системах управленияоперационной системы Windows NTWindows NT не является операционной системой реального времени,поскольку не имеет достаточного диапазона приоритетов потоков (threads),не позволяет управлять наследованием приоритетов (блокирующий потокдолжен наследовать приоритет потока, который он блокирует), механизмсинхронизации 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 WindowsNT практическое значение имеют всего два подхода [24].Первый подход состоит в запуске Windows NT в виде низкоприоритетной задачи операционной системы реального времени (супервизора).

Приэтом предполагается применение ядра классической ОСРВ типа QNX илиVx Works. Существуют решения, в которых в качестве супервизора используется VxWorks.Второй подход заключается в расширении (в смысле реального времени) Windows NT. Это может быть оригинальная разработка изготовителясистемы управления, например система WinCAT (Backhoff IndustrieElectronic, ФРГ)- Другой вариант- использование готового коммерческогорешения, например RTX 4.1 фирмы VenturCom.Оба подхода имеют свои достоинства и недостатки.

Однако подход набазе расширения реального времени для Windows NT все же более перспективен. Во-первых, в расширении использованы те же типы объектовдля управления задачами, что и у ядра Windows NT (мютексы, семафоры ит.д.). В противоположность этому VxWorks использует оригинальные функции и механизмы, формирующие собственный стиль, отличный от стиляWindows. Во-вторых, нет необходимости во второй операционной систе-66В-Л- Сосонкин, Г.М.

Мартинов. Системы числового программного управленияме, что сокращает расходы и снимает проблемы установки и стыковки обеихоперационных систем на одном персональном компьютере.Решение в пользу расширения реального времени позволяет быстрообновлять систему управления с появлением новых версий Windows NT,осуществлять мощную защиту приложений, которую Windows выполняетс помощью независимого абстрактного уровня HAL, легко отлаживать кодыи использовать возможности стандартных механизмов Microsoft для информационного обмена между Windows и задачами реального времени (IPC механизм межпроцессной связи, OLE - механизм связывания и внедренияобъектов, СОМ - механизм компонентных моделей, RPC - механизм удаленного вызова процедур).2.2.5.

Стратегия диспетчеризации на базе расширения RTX(Real Time extension)Один из самых надежных и распространенных алгоритмов диспетчеризации в многозадачных операционных системах (ОС) - это алгоритмциклической диспетчеризации, когда для выполнения конкретной задачипредоставляется некоторый квант времени (time slice). По истечении каждого кванта времени планировщик просматривает очередь активных задачи принимает решение, которой из них передать управление [25]. Подобный алгоритм может быть использован в системе числового программного управления. Прежде чем сформировать этот алгоритм, рассмотрим особенности режима времени, в котором работает система управления с операционной системой Windows NT и расширением реального времени.Понятие о мягком и жестком реальном временив системе управленияНа рис. 34 представлены многоуровневая структура Windows NT с RTXи размещение основных потоков системы управления.

Внизу находитсяуровень аппаратной абстракции реального времени (HAL), где реализованы быстродействующие часы и таймеры, механизм разграничения прерываний между RTX и Windows NT. Подсистема реального времени RTSSвыполнена в виде драйвера, работает на уровне ядра Windows NT и обеспечивает основные функции и управление ресурсами RTX. Эта подсистемаиспользует сервисные возможности HAL реального времени и Windows NTдля работы с быстрыми часами и таймерами и для обслуживания механизма прерывания. Встроенный в RTSS менеджер потоков (thread manager) ипланировщик, основанные на фиксированной системе приоритетов, управляют прикладными задачами [26, 27].Подсистема RTSS обеспечивает интерфейс между процессами RTX иWindows NT в реальном времени с помощью специального сервисного механизма IPC (Inter Process Communication).Глава 2. Общие принципы построения систем ЧПУ—1167.Win32 процессы | ' Win32 и RTAPI процессы'МашинноевремяМягкое реальноевремяRTAPI процессы I'Жесткоереальное времяWin32 _ J L .

Win32 RTAPI±Ядро Windows NTRTAPIRTSS±±HAL реального времениРис. 34. Основные потоки системы управления с использованиемWindows NT и RTСледует отметить, что RTX полностью соответствует той концепции фирмы Microsoft, которая допускает изменение уровня HAL без изменения ядраоперационной системы. При этом расширение функциональностей уровняаппаратной абстракции осуществляется путем добавления драйверов.В системе работают обычный прикладной интерфейса Win32 дляWindows NT (предусмотренный для машинного времени), а также дополнительные прикладные интерфейсы реального времени RTAPI (Real TimeApplication Interface) и Win32 RT (Real Time). Дополнительные прикладные интерфейсы обеспечивают два режима реального времени: «жесткий»и «мягкий». Это позволяет оптимизировать вычислительные ресурсы системы управления, разделив ее функциональные задачи на три группы:• в режиме жесткого реального времени решаются критические задачи (интерполяция кадров управляющей программы, ввод-вывод и т.д.), реализованные в процессе RT-сервер (рис.