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《浙江大学》 2006年
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数控实时系统调度理论及应用研究

姚鑫骅  
【摘要】:作为先进制造业的核心技术之一,数控技术的飞速发展,对工业实时计算提出了新的要求。数控实时系统不仅需要保证刀具补偿、插补运算、位置控制等周期性相关任务在确定的时间内完成,也要保证突发事件触发的非周期任务的及时响应,而且在系统的软硬件出现故障时,仍要保证系统安全运行并尽可能在满足各种约束条件下完成任务。因此,要求实时计算能够综合处理多种类型任务共存的混合相关任务集,并且具备一定的故障容错能力。本论文在总结数控任务特点的基础上,提出了数控实时系统调度理论,并通过仿真实验证明了理论的有效性和可行性。主要研究内容包括以下几个方面: 首先,综合分析了国内外调度理论的研究现状和发展趋势,对典型研究成果的原理和适用范围进行剖析,指出了目前调度理论研究中存在的局限性以及现有成果应用于数控实时计算存在的问题。 第二,针对数控系统任务集的特点,建立混合相关任务集的描述模型,以此为基础,提出启发式优化调度算法,给出算法的设计思想及伪代码描述,并对其进行复杂度分析和性能仿真模拟分析。 第三,在全面分析各种容错技术的基础上,针对工业现场复杂环境下易产生暂时性错误的特点,引入低开销回卷恢复技术,将其纳入启发式最优调度算法框架,提出数控系统的容错调度策略。 第四,详细、系统地介绍实时任务最长执行时间(WCET)预测领域的研究情况,并且针对源程序路径分析结果过于“悲观”和分析过程的时间复杂度高的问题,提出了解决方案。该方案综合应用程序结构调整、符号执行以及分支定界等技术,消除程序中的不可达路径,减少需要分析的路径数量,保证WCET预测的精确性和分析效率。 最后,讨论了数控实时系统在设计与实现过程中若干重要问题。着重研究了控制流程的表达方式,建立实时有限状态机模型,并首次提出了使用时间约束网络理论对模型中状态行为时间的取值范围进行分析计算的方法,从而实现控制流程的可调度性判定。
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