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實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)要求在有需求時(shí)馬上得到滿足，沒(méi)有時(shí)間上的滯后，即實(shí)時(shí)性是第一要求。在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的使用目的是按時(shí)完成規(guī)定的任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)中對(duì)于任務(wù)必須按要求完成的稱為硬實(shí)時(shí)，不能做任意更改；控制系統(tǒng)中對(duì)于任務(wù)可以做某些時(shí)間上的變更，在某一時(shí)間段完成即可的沒(méi)有嚴(yán)格的完成次序的稱為軟實(shí)時(shí)。一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以在某段應(yīng)用時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)，沒(méi)有必要時(shí)刻實(shí)時(shí)。硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)相比，硬實(shí)時(shí)容易因局部錯(cuò)誤而導(dǎo)致控制失效，軟實(shí)時(shí)則容錯(cuò)率較高，或許會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間失效但系統(tǒng)能很快恢復(fù)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是為應(yīng)用而生，按照需求來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。通用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)之初就考慮其為實(shí)時(shí)系統(tǒng)，例如WindowsNT、OS390，多數(shù)操作系統(tǒng)是分時(shí)操作系統(tǒng)，是多任務(wù)多線程的。目前人們?cè)诜謺r(shí)操作系統(tǒng)中也常常涉及到實(shí)時(shí)應(yīng)用，這種應(yīng)用的實(shí)時(shí)沒(méi)有要求精確到一定級(jí)別，如利用WindowsXP平臺(tái)設(shè)計(jì)某個(gè)工業(yè)控制程序完全可以滿足某些實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求。

1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用分類

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)傳感器裝置采集的一般是模擬信號(hào)，模擬信號(hào)要被計(jì)算機(jī)處理則需要模數(shù)變換的環(huán)節(jié)。當(dāng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出數(shù)字信號(hào)指令時(shí)，這些信號(hào)到達(dá)控制系統(tǒng)的終端時(shí)需要轉(zhuǎn)換為執(zhí)行部件使用的模擬信號(hào)，這種過(guò)程需要數(shù)模轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)。（1）數(shù)據(jù)采集應(yīng)用：通過(guò)控制系統(tǒng)的傳感器采集數(shù)據(jù)信息，要求對(duì)傳感器裝置獲取的瞬時(shí)數(shù)據(jù)信息以最快的速度采集到控制系統(tǒng)中。（2）實(shí)時(shí)控制決策應(yīng)用：對(duì)上述采集的數(shù)據(jù)能夠及時(shí)處理，如立即分析這些數(shù)據(jù)的結(jié)果馬上得出結(jié)論，可以對(duì)下一步的控制系統(tǒng)做出決策性判斷。（3）實(shí)時(shí)控制應(yīng)用：上述做出的決策性判斷信息傳入下一個(gè)環(huán)節(jié)，中心處理單元根據(jù)這些傳入數(shù)據(jù)信息做出迅速響應(yīng)，在適當(dāng)時(shí)機(jī)控制完成整個(gè)控制系統(tǒng)的任務(wù)。

2Windows系統(tǒng)實(shí)時(shí)性應(yīng)用研究

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)，在嵌入式設(shè)備中使用普遍，該類系統(tǒng)由于其外設(shè)相對(duì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，很容易滿足實(shí)時(shí)性要求?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)平臺(tái)使用Windows操作系統(tǒng)的占絕大多數(shù)，Windows系列操作系統(tǒng)功能很強(qiáng)，系統(tǒng)提供的API非常豐富，操作系統(tǒng)本身是多線程多任務(wù)的機(jī)制，工業(yè)控制多采用現(xiàn)在流行的Windowsxp作為軟件平臺(tái)。基于Windwosxp軟件平臺(tái)，利用軟件開(kāi)發(fā)工具設(shè)計(jì)工控軟件，利用這些控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件接口和外部設(shè)備的控制操作。

2.1多線程技術(shù)多線程是Windows系列操作系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，利用該項(xiàng)技術(shù)CPU可以分時(shí)地處理不同的任務(wù)，用戶感覺(jué)就是多個(gè)任務(wù)在同時(shí)進(jìn)行，利用Windows系列平臺(tái)開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，多線程技術(shù)是必須采用的，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作的界面程序作為主線程執(zhí)行，利用輔助線程對(duì)輔助任務(wù)進(jìn)行后臺(tái)處理，多個(gè)線程協(xié)調(diào)工作，滿足用戶對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，當(dāng)然這種實(shí)時(shí)性不是要求很高的。

2.2定時(shí)器Windows的定時(shí)器在控制程序中非常有用，操作系統(tǒng)執(zhí)行的任務(wù)如果耗時(shí)，將占用CPU很多時(shí)間，其他的任務(wù)等待某個(gè)大任務(wù)完成后再去做顯然是不合理的，Windows操作系統(tǒng)有能力把這個(gè)大任務(wù)分解，在分解的時(shí)候如何統(tǒng)籌執(zhí)行就依靠Win－dows的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，在Windows的消息隊(duì)列中有個(gè)WM_TIMER的消息，分解的任務(wù)要等到該消息來(lái)臨時(shí)刻去執(zhí)行，就可以達(dá)到任務(wù)分時(shí)統(tǒng)籌的目的。不過(guò)盡管Windows的機(jī)制可以進(jìn)行分時(shí)，但是由于任務(wù)有優(yōu)先級(jí)的設(shè)定，并不能特別準(zhǔn)確地保證這種控制的實(shí)時(shí)性，適用于要求低的控制系統(tǒng)。

3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提高策略

對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求很嚴(yán)格，這是與其具體需求密切相關(guān)的。例如：在整個(gè)移動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)中，如果網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備出問(wèn)題，要求必須在50ms時(shí)間內(nèi)切到核心備機(jī)設(shè)備，否則整個(gè)公共移動(dòng)電話服務(wù)將中斷，這種情況絕對(duì)禁止發(fā)生，程控交換網(wǎng)也是如此，諸如此類計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求精確到一定程度。下面分析提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的具體策略。

3.1將中斷響應(yīng)時(shí)間降到最短當(dāng)有外部事件觸發(fā)時(shí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要馬上做出響應(yīng)，從響應(yīng)該外部觸發(fā)事件到執(zhí)行中斷代碼程序的時(shí)間要求很短。這個(gè)響應(yīng)時(shí)間間隔定義為中斷延遲，對(duì)于優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要做到隨時(shí)能響應(yīng)并處理中斷，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中處理程序的某些情況有屏蔽中斷的要求，比如在數(shù)據(jù)庫(kù)修改過(guò)程要求短暫屏蔽中斷處理，這種屏蔽是必要的，保障正常數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫(xiě)操作。屏蔽時(shí)間的最大值叫做最大中斷延遲。在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中硬件中斷的次數(shù)不確定，與系統(tǒng)的實(shí)際情況關(guān)系很大，有可能出現(xiàn)若干次的硬件中斷，舉例：病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)也是一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在監(jiān)控一個(gè)病人心臟的實(shí)時(shí)情況時(shí)，假如病人心跳發(fā)生多次變化，這種傳感信息通過(guò)網(wǎng)卡傳入網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)引起護(hù)士注意，護(hù)士響應(yīng)該信息按下相應(yīng)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(yù)測(cè)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能夠在處理上采取最優(yōu)先處理，支持最優(yōu)先響應(yīng)。

3.2將進(jìn)程切換時(shí)間降到最低在控制系統(tǒng)中經(jīng)常面臨新任務(wù)新情況，如果中心處理器在處理某個(gè)任務(wù)時(shí)，有突然的任務(wù)加入，該任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高，處于不能協(xié)調(diào)的情況必須先處理新任務(wù)，否則會(huì)影響這個(gè)系統(tǒng)控制的實(shí)施，那么中心處理器需要馬上切換任務(wù)，保存當(dāng)前正在處理任務(wù)的一切設(shè)置及參數(shù)，例如需要保存寄存器信息和內(nèi)存當(dāng)前狀態(tài)以及當(dāng)恢復(fù)該任務(wù)需要的一切信息等。這個(gè)過(guò)程也需要消耗處理器時(shí)間，對(duì)于任務(wù)沒(méi)有交叉的情況很容易處理，直接切換即可，可是對(duì)于2個(gè)有交互信息的任務(wù)需要處理的信息較多，需要耗費(fèi)一定時(shí)間。為了保持實(shí)時(shí)性，必須盡量將進(jìn)程切換的時(shí)間降到最低。

3.3優(yōu)先級(jí)繼承搶占優(yōu)先級(jí)不是在任何時(shí)候都能奏效，由于操作系統(tǒng)的機(jī)制并不能完全保證高優(yōu)先級(jí)都能搶占低優(yōu)先級(jí)的資源，也會(huì)出現(xiàn)低優(yōu)先級(jí)占用資源不放的狀態(tài)，這種狀態(tài)的解決方法是通過(guò)優(yōu)先級(jí)繼承的方式獲得資源，使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到保證。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有網(wǎng)絡(luò)分布架構(gòu)的，如果一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)擁有網(wǎng)絡(luò)分布的多個(gè)終端，該控制系統(tǒng)就支持網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)先級(jí)繼承方式，通過(guò)優(yōu)先級(jí)繼承方式獲取到對(duì)資源的占用，假如對(duì)于這種情況沒(méi)有解決方法，那么這種多終端的網(wǎng)絡(luò)式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)很容易陷入局部網(wǎng)絡(luò)癱瘓或系統(tǒng)停滯的狀態(tài)。

3.4縮短進(jìn)程資源分配等待時(shí)間多進(jìn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)資源是共享的，那么對(duì)于資源的合理調(diào)度就是首要問(wèn)題。對(duì)于某個(gè)進(jìn)程當(dāng)它急需資源的時(shí)候能夠解決所需這是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求，當(dāng)某個(gè)資源被低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程占用不能釋放的時(shí)候，所需資源被搶占，以至于低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程在停滯狀態(tài)，整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的資源不能協(xié)調(diào)，這種等待是系統(tǒng)不允許的。解決這種實(shí)時(shí)性的方法是2種：優(yōu)先級(jí)繼承和優(yōu)先級(jí)極限。2者的實(shí)現(xiàn)都是通過(guò)提高占有資源的低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，讓其優(yōu)先級(jí)和等待資源的進(jìn)程優(yōu)先級(jí)相同。

3.5簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)，突出實(shí)時(shí)性計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，在控制系統(tǒng)中減少不必要的資源開(kāi)支，不需要關(guān)注美觀的界面，盡量滿足控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)需要，主要將實(shí)時(shí)任務(wù)突出?，F(xiàn)在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)較多，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初要拋掉不必要的考慮，將滿足實(shí)時(shí)需求作為首要條件。

4結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是多學(xué)科多領(lǐng)域交融的技術(shù)，以計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)為核心，以電子工業(yè)控制為過(guò)程，同時(shí)將自動(dòng)化應(yīng)用、無(wú)線電技術(shù)、軟件編程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)融入其中，為實(shí)現(xiàn)精密儀器設(shè)備生產(chǎn)制造、工業(yè)自動(dòng)化的生產(chǎn)過(guò)程、國(guó)防科研應(yīng)用等領(lǐng)域提供廣泛的應(yīng)用前景。

作者：國(guó)海東左永文單位：吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院