基于MIPS处理器和RTAI的数控系统中调度抖动的研究

3 抖动产生的原因分析

RTAI采用了2种调度算法，分别为单调速率算法和最早时限优先算法．本文采用的是单调速率算法，因为该算法基于
静态优先级，能够保证最高优先级进程的稳定调度-6j．调度程序每次选择的进程总是优先级最高的进程，在同等优先级的各进程之间则采用时间片轮转的方法进行调度．在数控系统的所有进程中，运动控制器的优先级最高，因此，我们只需要研究高优先级的进程产生抖动的原因即可．根据RTAI的调度机制，运动控制器可以抢占其他进程，并且不会被其它任何进程抢占，因此没有进程可以延迟运动控制器的执行．但是存在其它因素可以延缓它的执行，比如总线上锁，关中断，中断嵌套，资源竞争，cache失效，以及操作系统中存在不可抢占的关键区域等．在设计良好的实时系统中，不可抢占的临界区很少，且运动控制器几乎不需要内存以外的其他资源，能够对运动控制器产生影响的主要因素只有关中断，中断嵌套和cache失效．



前面已经介绍过了cache失效会在运动控制器刚加载时对调度抖动产生影响，实际上在运动控制器的运行过程中，其他的非实时进程，如图形显示，网络访问，磁盘读写等都会影响cache，从而间接的影响运动控制器．为了降低cache失效对调度抖动的影响，可以尽量减少除数控软件以外的其它程序的运行．比如使用TinyX代替具有图形加速功能的XServer前面已经介绍过了cache失效会在运动控制器刚加载时对调度抖动产生影响，实际上在运动控制器的运行过程中，其他的非实时进程，如图形显示，网络访问，磁盘读写等都会影响cache，从而间接的影响运动控制器．为了降低cache失效对调度抖动的影响，可以尽量减少除数控软件以外的其它程序的运行．比如使用TinyX代替具有图形加速功能的XServer

RTAI的进程调度是由硬件时钟的定时中断驱动的．图4简略地说明了从时钟给出中断，到运动控制器开始执行的过
程．这个过程包括，系统关中断的时间，中断准备时间和中断处理时间．在关中断的时间内，系统不能对其他任何优先级的中断进行响应，所以时钟中断必须等待，直到系统开中断．中断准备阶段是指，从CPU开始响应时钟中断到进入时钟中断的处理程序所需要的时间，中断处理阶段是指执行中断处理程序rt—timer—handler()，即调度程序所需要的时间 J．中断准备时问和中断处理时间在特定的系统上是固定的，只有几微秒的时间，而且在我们的测试方法中不会对测试结果产生影响．单从时钟中断处理的过程来看，调度延迟主要取决于系统的最大关中断时问 J．在本文的测试平台上最大关中断时间为13．24微秒．

现代操作系统均允许中断嵌套，以便及时响应紧急的中断．那么在中断准备和中断处理阶段，时钟中断的处理有可能被其他的中断抢占，这也会对运动控制器的抖动产生影响．为了降低这种影响，应该尽可能的减少系统中的中断数量，这样不仅可以降低时钟中断被抢占的可能性，也可以降低系统的负载．在数控系统中，由于不需要大批量的读写磁盘数据，不需要电源管理，可以将DMA，APM 和ACPI禁用．这些设备会产生大量的中断，并频繁的对总线上锁．如果该数控系统无需网络通信，也可以将网络禁用．



在禁用了上述设备后，本文在单触发模式下，对运动控制器的调度抖动进行了重新测试．最大抖动为8．02微秒，平均抖动为392纳秒．最大抖动接近没禁用设备以前的1／4．图5是10000组测试样列的散点图．从图上可以看出大部分的测试点都分布在微秒内，这样的抖动在数控系统中是可以接受的．当数控系统以10米／分的速度加工的时候，8微秒的抖动最多能产生1．3微米的随动误差．





4 总结

对实时系统而言，调度抖动是不可避免的．调度抖动的大小与硬件体系结构和操作系统的运作方式密切相关．在数控系统中，大的调度抖动会对加工精度产生影响．本文针对M1PS平台，在不同的调度模式下测试了运动控制器的调度抖动，并采用最小二乘法对结果进行了分析．实验表明，在该数控系统中，周期模式下的平均抖动是单触发模式的8倍多．在数控系统中，可能引起抖动的因素有cache失效，系统关中断以及中断嵌套等，本文针对这些因素对系统做了优化，禁用了DMA，APM，ACPI等与数控系统的运行关系甚微的设备，并将具有图形加速功能的X Server替换成了对资源占用很小的Tiny X．结果在单触发模式下，最大抖动可以缩短到原来的四分之一，平均抖动也有所改善．测试结果证实，在MIPS平台下，RTAI完全能够满足数控系统的需要．

吴文江 ，秦承刚 ，陶耀东
(中国科学院沈阳计算技术研究所，辽宁沈阳11ooo4)
(中国科学院研究生院，北京100039)
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