計算機(jī)控制系統(tǒng)實時性的提高策略

楊菲

摘 要

實時系統(tǒng)是能夠在規(guī)定的時間內(nèi)執(zhí)行相應(yīng)的計算或者處理事務(wù)，并同時對外部事件作出反應(yīng)的計算機(jī)系統(tǒng)。很多的嵌入型的系統(tǒng)來說，一個設(shè)計優(yōu)異的實時操作系統(tǒng)會使開發(fā)工程師掌握各類關(guān)鍵事件的時間，滿足系統(tǒng)的實時性要求。因此，本文針對如何提高計算機(jī)控制系統(tǒng)的實時性給出一些建議和方法，希望對相關(guān)工作的人員有所幫助。

【關(guān)鍵詞】計算機(jī) 控制系統(tǒng) 實時性 提高策略

1 計算機(jī)控制系統(tǒng)概述

計算機(jī)控制系統(tǒng)就是CCS。CCS就是應(yīng)用的數(shù)字技術(shù)，又名為數(shù)字控制系統(tǒng)。所謂的數(shù)字控制系統(tǒng)有許多部分和結(jié)構(gòu)組成，多數(shù)的目的都是實現(xiàn)工業(yè)控制。計算機(jī)的核心就是計算機(jī)控制系統(tǒng)，輔助的設(shè)備是與其相關(guān)的輔助部件和對象。大型的系統(tǒng)是以網(wǎng)絡(luò)為一個核心的架構(gòu)的控制網(wǎng)絡(luò)，或者是嵌入式的工業(yè)控制設(shè)備。由于其系統(tǒng)覆蓋的范圍很廣，所以大到巨型計算機(jī)小到微型控制器都能應(yīng)用在這個系統(tǒng)中。其輔助的設(shè)備可以是檢測裝置或者是關(guān)于輸出輸入等的控制設(shè)備，亦或是具體產(chǎn)品的生產(chǎn)線。雖然這些應(yīng)用的目的都不盡相同，但都對要求有較高的實時性。

1.1 實時控制系統(tǒng)概念

實時控制系統(tǒng)，對資源的分配很重視，尤其是動態(tài)分配，為了做到資源的最有效，最合理的使用，該類的系統(tǒng)優(yōu)勢是有較快的處理速度，以方便及時響應(yīng)系統(tǒng)的要求。實時控制系統(tǒng)控制著整個系統(tǒng)的速度，對速度的提升具有很大的作用，能夠改善工作環(huán)境和條件。

實時控制系統(tǒng)在有要求時間的時候會馬上得到回饋，沒有時間上的誤差，即實時性相當(dāng)于是優(yōu)先任務(wù)。這一系統(tǒng)在工業(yè)控制中廣泛的應(yīng)用，實時控制系統(tǒng)的目的是為了及時的完成規(guī)定的任務(wù)。控制系統(tǒng)必須按要求完成任務(wù)，不能隨意更改的叫硬實時，控制系統(tǒng)對于某些任務(wù)可以做一些改動，在某一時間段完成并沒有嚴(yán)格完成次序的叫軟實時。

1.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用分類

計算機(jī)控制系統(tǒng)的傳感器裝置一般都是用的模擬信號，模擬信號會被計算機(jī)處理則需要一系列的環(huán)節(jié)。當(dāng)計算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出指令時，這些信號在到達(dá)系統(tǒng)的終端時候需要轉(zhuǎn)換成能夠執(zhí)行指令的模擬信號，這時候需要數(shù)模轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集應(yīng)用

通過采集的的數(shù)據(jù)信息，這些信息會以最快的速度采集到控制系統(tǒng)中。

1.2.2 實時控制決策應(yīng)用

如果分析出上述采集的數(shù)據(jù)的結(jié)果，就可以得出相關(guān)結(jié)論去對下一步的控制系統(tǒng)作出決定性的判斷。

1.2.3 實時控制應(yīng)用

上述的決策性判斷信息傳到下一個環(huán)節(jié)，中心處理單元根據(jù)這些傳入數(shù)據(jù)作出及時反映，在合適的時候控制完成整個控制系統(tǒng)的任務(wù)。

2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的實時性提高策略

對于計算機(jī)控制系統(tǒng)的要求之所以很嚴(yán)格，是為了相關(guān)的要求能夠及時被完成，下面就說幾條具體的策略。

2.1 將中斷響應(yīng)時間降到最短

計算機(jī)控制系統(tǒng)在外部事件觸發(fā)時會馬上做出反應(yīng)，從相應(yīng)到執(zhí)行終端代碼的程序的時間要求很短，這個響應(yīng)時間間隔被定義為終端延遲，能夠隨時相應(yīng)處理中斷是優(yōu)秀的計算機(jī)控制系統(tǒng)必備的?，F(xiàn)實應(yīng)用中某些情況在處理這些程序是會屏蔽中斷。例如在數(shù)據(jù)庫修改過程中可能會出現(xiàn)短暫的屏蔽中斷處理，因為可以保障數(shù)據(jù)庫的正常讀寫操作，因此這種屏蔽是必不可少的，而這個屏蔽時間的最大值是最大中斷延遲。

2.2 將進(jìn)程切換時間降到最低

如果控制系統(tǒng)突然面臨新任務(wù)新情況，這個任務(wù)的級別會被悠閑到最高，尤其是不能協(xié)調(diào)的情況必須先處理新的任務(wù)，不然會拖慢整個系統(tǒng)實施控制，那么中心處理器需要迅速切換任務(wù)，并保持當(dāng)前任務(wù)的所有參數(shù)和設(shè)置。比如可以保存寄存器的信息和內(nèi)存當(dāng)前狀態(tài)和恢復(fù)任務(wù)需要的相關(guān)信息。這個過程相當(dāng)?shù)暮馁M(fèi)時間，如果任務(wù)沒有交叉，這種情況不難處理，直接切換即可，但如果兩個或兩個以上的交互信息的任務(wù)需要處理的信息較多，為了保持其實時性，想辦法把切換消耗的時間降到最低。

2.3 優(yōu)先級繼承

搶占優(yōu)先級并不適合任何突發(fā)事件，操作系統(tǒng)的機(jī)制并不能完全保證把資源搶占資源，也會出現(xiàn)低優(yōu)先級牢牢“控制”資源不放手的情況，因此為了使其實時性得到保證，可以通過控制系統(tǒng)就支持網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)先級繼承方式，通過這種方式獲取對資源的占用，不然會使局部網(wǎng)絡(luò)癱瘓或系統(tǒng)停止的狀態(tài)。

2.4 縮短進(jìn)程資源分配等待時間

多進(jìn)程的計算機(jī)控制系統(tǒng)的資源是共享的，所以如何調(diào)度資源是最重要的問題。對于某個進(jìn)程當(dāng)它急需資源時，資源被搶占，有兩種方法：優(yōu)先級繼承和優(yōu)先級極限。這兩種方法都是通過提高該任務(wù)的優(yōu)先級讓其優(yōu)先級和等待資源的優(yōu)先級相同。

2.5 簡化控制系統(tǒng)，突出實時性

為了突出較高的實時性，摒棄那些美觀的界面，節(jié)省不必要的資源開支，見資源去滿足系統(tǒng)的實時需要，主要突出實時任務(wù)，現(xiàn)在實時控制系統(tǒng)雜多，在設(shè)計之初拋掉多于的考慮并把實時需求作為滿足的最優(yōu)條件。

總結(jié)：計算機(jī)控制技術(shù)并不單單只是計算機(jī)這一領(lǐng)域的技術(shù)，而是多學(xué)科多領(lǐng)域交回的家火速，以計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)為核心，電子工業(yè)控制為過程，同時將自動化應(yīng)用，無線電技術(shù)等等一些相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合在一起。是實現(xiàn)精密儀器生產(chǎn)制造，工業(yè)自動化的前提廣泛的，也為國防科研等領(lǐng)域提供了廣泛的應(yīng)用前景

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作者單位

西北工業(yè)大學(xué) 陜西省西安市 710072