計算機控制體系實時性的提升辦法

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實時控制系統要求在有需求時馬上得到滿足，沒有時間上的滯后，即實時性是第一要求。在工業控制中應用廣泛，實時控制系統的使用目的是按時完成規定的任務。控制系統中對于任務必須按要求完成的稱為硬實時，不能做任意更改；控制系統中對于任務可以做某些時間上的變更，在某一時間段完成即可的沒有嚴格的完成次序的稱為軟實時。一個計算機控制系統可以在某段應用時間內實時，沒有必要時刻實時。硬實時和軟實時相比，硬實時容易因局部錯誤而導致控制失效，軟實時則容錯率較高，或許會出現短時間失效但系統能很快恢復。計算機控制系統是為應用而生，按照需求來設計實現的。通用的計算機控制系統從設計之初就考慮其為實時系統，例如WindowsNT、OS390，多數操作系統是分時操作系統，是多任務多線程的。目前人們在分時操作系統中也常常涉及到實時應用，這種應用的實時沒有要求精確到一定級別，如利用WindowsXP平臺設計某個工業控制程序完全可以滿足某些實時應用的需求。

1計算機控制系統的應用分類

計算機控制系統傳感器裝置采集的一般是模擬信號，模擬信號要被計算機處理則需要模數變換的環節。當計算機控制系統發出數字信號指令時，這些信號到達控制系統的終端時需要轉換為執行部件使用的模擬信號，這種過程需要數模轉換的環節。（1）數據采集應用：通過控制系統的傳感器采集數據信息，要求對傳感器裝置獲取的瞬時數據信息以最快的速度采集到控制系統中。（2）實時控制決策應用：對上述采集的數據能夠及時處理，如立即分析這些數據的結果馬上得出結論，可以對下一步的控制系統做出決策性判斷。（3）實時控制應用：上述做出的決策性判斷信息傳入下一個環節，中心處理單元根據這些傳入數據信息做出迅速響應，在適當時機控制完成整個控制系統的任務。

2Windows系統實時性應用研究

計算機控制系統的實時性要求系統能及時響應，在嵌入式設備中使用普遍，該類系統由于其外設相對簡單，系統響應迅速，很容易滿足實時性要求。現在計算機平臺使用Windows操作系統的占絕大多數，Windows系列操作系統功能很強，系統提供的API非常豐富，操作系統本身是多線程多任務的機制，工業控制多采用現在流行的Windowsxp作為軟件平臺。基于Windwosxp軟件平臺，利用軟件開發工具設計工控軟件，利用這些控制軟件實現對硬件接口和外部設備的控制操作。

2.1多線程技術多線程是Windows系列操作系統的一個優勢，利用該項技術CPU可以分時地處理不同的任務，用戶感覺就是多個任務在同時進行，利用Windows系列平臺開發的計算機控制系統，多線程技術是必須采用的，實現實時操作的界面程序作為主線程執行，利用輔助線程對輔助任務進行后臺處理，多個線程協調工作，滿足用戶對實時性的要求，當然這種實時性不是要求很高的。

2.2定時器Windows的定時器在控制程序中非常有用，操作系統執行的任務如果耗時，將占用CPU很多時間，其他的任務等待某個大任務完成后再去做顯然是不合理的，Windows操作系統有能力把這個大任務分解，在分解的時候如何統籌執行就依靠Win－dows的定時器來實現，在Windows的消息隊列中有個WM_TIMER的消息，分解的任務要等到該消息來臨時刻去執行，就可以達到任務分時統籌的目的。不過盡管Windows的機制可以進行分時，但是由于任務有優先級的設定，并不能特別準確地保證這種控制的實時性，適用于要求低的控制系統。

3計算機控制系統的實時性提高策略

對于計算機控制系統的實時性要求很嚴格，這是與其具體需求密切相關的。例如：在整個移動信息網絡中，如果網絡核心設備出問題，要求必須在50ms時間內切到核心備機設備，否則整個公共移動電話服務將中斷，這種情況絕對禁止發生，程控交換網也是如此，諸如此類計算機控制系統實時性要求精確到一定程度。下面分析提高控制系統的實時性的具體策略。

3.1將中斷響應時間降到最短當有外部事件觸發時計算機控制系統要馬上做出響應，從響應該外部觸發事件到執行中斷代碼程序的時間要求很短。這個響應時間間隔定義為中斷延遲，對于優秀的計算機控制系統要做到隨時能響應并處理中斷，現實應用中處理程序的某些情況有屏蔽中斷的要求，比如在數據庫修改過程要求短暫屏蔽中斷處理，這種屏蔽是必要的，保障正常數據庫讀寫操作。屏蔽時間的最大值叫做最大中斷延遲。在嵌入式應用系統中硬件中斷的次數不確定，與系統的實際情況關系很大，有可能出現若干次的硬件中斷，舉例：病人監護系統也是一種計算機控制系統，在監控一個病人心臟的實時情況時，假如病人心跳發生多次變化，這種傳感信息通過網卡傳入網絡信息系統引起護士注意，護士響應該信息按下相應功能按鍵，即中斷得到迅速處理，這是刻不容緩的，否則情況不容預測。計算機控制系統能夠在處理上采取最優先處理，支持最優先響應。

3.2將進程切換時間降到最低在控制系統中經常面臨新任務新情況，如果中心處理器在處理某個任務時，有突然的任務加入，該任務的優先級高，處于不能協調的情況必須先處理新任務，否則會影響這個系統控制的實施，那么中心處理器需要馬上切換任務，保存當前正在處理任務的一切設置及參數，例如需要保存寄存器信息和內存當前狀態以及當恢復該任務需要的一切信息等。這個過程也需要消耗處理器時間，對于任務沒有交叉的情況很容易處理，直接切換即可，可是對于2個有交互信息的任務需要處理的信息較多，需要耗費一定時間。為了保持實時性，必須盡量將進程切換的時間降到最低。

3.3優先級繼承搶占優先級不是在任何時候都能奏效，由于操作系統的機制并不能完全保證高優先級都能搶占低優先級的資源，也會出現低優先級占用資源不放的狀態，這種狀態的解決方法是通過優先級繼承的方式獲得資源，使計算機控制系統的實時性得到保證。計算機控制系統有網絡分布架構的，如果一個計算機控制系統擁有網絡分布的多個終端，該控制系統就支持網絡架構的優先級繼承方式，通過優先級繼承方式獲取到對資源的占用，假如對于這種情況沒有解決方法，那么這種多終端的網絡式計算機控制系統很容易陷入局部網絡癱瘓或系統停滯的狀態。

3.4縮短進程資源分配等待時間多進程計算機控制系統資源是共享的，那么對于資源的合理調度就是首要問題。對于某個進程當它急需資源的時候能夠解決所需這是實時系統的要求，當某個資源被低優先級的進程占用不能釋放的時候，所需資源被搶占，以至于低優先級進程在停滯狀態，整個計算機控制系統的資源不能協調，這種等待是系統不允許的。解決這種實時性的方法是2種：優先級繼承和優先級極限。2者的實現都是通過提高占有資源的低優先級進程的優先級，讓其優先級和等待資源的進程優先級相同。

3.5簡化控制系統，突出實時性計算機控制系統對實時性要求較高，在控制系統中減少不必要的資源開支，不需要關注美觀的界面，盡量滿足控制系統的實時需要，主要將實時任務突出。現在實時控制系統較多，計算機控制系統在設計之初要拋掉不必要的考慮，將滿足實時需求作為首要條件。

4結語

計算機控制技術是多學科多領域交融的技術，以計算機應用技術為核心，以電子工業控制為過程，同時將自動化應用、無線電技術、軟件編程技術、網絡通信技術融入其中，為實現精密儀器設備生產制造、工業自動化的生產過程、國防科研應用等領域提供廣泛的應用前景。

作者：國海東左永文單位：吉林工業職業技術學院