陳傳偉，付 鑠，韓振宇，富宏亞

(哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150001)

0 引言

與傳統(tǒng)數控系統(tǒng)相比，嵌入式數控系統(tǒng)具有低成本，穩(wěn)定性、可靠性高等優(yōu)勢[1]。近年來，隨著嵌入式多核處理器的出現和發(fā)展，嵌入式處理器性能大幅提升，為嵌入式數控系統(tǒng)的發(fā)展提供了有力的支持，使其能夠朝著高速高精、復合加工、多通道多軸聯(lián)動、智能化等方向[2]發(fā)展，圍繞多核調度算法、并行數控系統(tǒng)等方向的研究相繼展開。文獻[3]對嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II進行擴展，實現了其對嵌入式對稱多核處理器多任務調度的支持。文獻[4]針對數控系統(tǒng)各任務間數據流不平衡問題題建立了數據流反饋調度模型。文獻[5]提出了基于多處理器的最早截止期優(yōu)先調度算法的測試方法。

本文對并行數控系統(tǒng)實時任務調度需求進行分析，針對數據依賴任務間數據流不平衡問題，提出了一種混合實時任務算法，基于嵌入式實時操作系統(tǒng)eCos設計并實現了該調度器，其能自動維持數據流平衡，具有良好的負載平衡性和加速比。對GRBL串行數控系統(tǒng)進行多任務劃分，并基于嵌入式對稱多核處理器S698PM[6]和混合實時任務調度器搭建了并行數控系統(tǒng)實驗平臺。

1 并行數控系統(tǒng)實時任務調度需求分析

數控系統(tǒng)任務分為實時任務與非實時任務，本文主要研究實時任務調度。

本文提出的并行數控系統(tǒng)實時內核架構見圖1。其中，虛線框內任務鏈上的任務具有嚴格的時序，G代碼必須依次經過譯碼任務、擬合任務、前瞻規(guī)劃任務、前加減速規(guī)劃任務、插補任務的處理，才能得到正確的運動控制指令，任務間還存在數據依賴關系，即下游任務的執(zhí)行必須依賴上游任務產生的數據，本文稱這類任務為數據依賴任務，通過在任務間構建循環(huán)隊列形成多級流水線結構，實現各任務間解耦，各數據依賴任務在滿足調度條件的前提下，可在多核處理器各處理核心上并發(fā)執(zhí)行。此外，并行數控系統(tǒng)實時內核中還存在傳統(tǒng)的周期性實時任務，該類任務由定時器驅動，按一定的任務周期執(zhí)行，如位置發(fā)送任務，按插補周期將位置指令發(fā)送至伺服電機驅動器，控制電機運動，又如機床狀態(tài)檢測任務，對機床狀態(tài)、標志量等進行周期性檢測，并進行相應的機床狀態(tài)切換和I/O操作。由此，將并行數控系統(tǒng)實時內核任務分為周期性實時任務和數據依賴任務，本文將周期性實時任務用二元組(P,T)描述，其中P為任務優(yōu)先級，T為任務周期(ms)，將數據依賴任務用三元組(O,UL,DL)描述，O為在任務鏈上的位置索引，UL為上游緩存數據量，DL為下游緩存數據量，這兩類實時任務對應的任務集的合集構成混合實時任務集。

并行數控系統(tǒng)在處理G代碼的過程中，由于每條G代碼對應的插補曲線類型、長度不定，造成各任務消耗與產生數據量之比為1:N(N>=1)。如擬合任務對圓弧指令的處理，該任務需按照弦高誤差將圓弧劃分為連續(xù)的直線微段，以滿足圓弧精度的要求，不同的弧長及弦高誤差會導致直線微段數量N的變化，故擬合任務一次作業(yè)時間隨插補曲線類型、長度變化而變化，造成了任務鏈上數據流波動。數據流波動會直接影響加工連續(xù)性，進而影響數控機床加工質量，需要對數據流波動進行有效調節(jié)。

為充分利用對稱多核處理器的運算能力，保證各處理核心負載平衡，同時實現周期性實時任務與數據依賴任務統(tǒng)一調度，保證任務鏈上數據流平衡，需要設計相應的任務調度器，以滿足并行數控系統(tǒng)實時內核混合任務集的調度需求，如圖1所示。

圖1 并行數控系統(tǒng)實時內核架構

2 混合實時任務調度器設計與實現

首先，根據調度需求分析了混合實時任務調度器的調度依據，設計了調度流程，并在分析嵌入式實時操作系統(tǒng)eCos多級隊列調度器的基礎上，對其進行改造，實現了混合實時任務調度器，并根據該調度器提出了數據依賴任務通用框架。

2.1 數據依賴任務調度算法設計

任務調度器的作用是計算調度時刻優(yōu)先級最高的就緒任務并執(zhí)行上下文切換，實現任務調度，故首先應當確定調度依據。

混合實時任務集中的周期性任務可由eCos多級隊列調度器進行調度，而任務鏈上的數據依賴任務需根據調度需求設計調度算法完成調度。圖2為某一時刻任務鏈上數據流狀態(tài)，縱坐標表示數據量，橫坐標從左至右表示任務鏈上游至下游，各任務消耗數據量與生產數據量之比為1:N(N>=1)，任務每執(zhí)行一次，任務上下游數據量差值減N+1。為維持數據流平衡，需要使任務上下游數據量差值向0逼近，故任務鏈上擁有最大上下游數據量差值的任務應當優(yōu)先執(zhí)行，即圖2中Task1。結合任務上下游緩存數據量大小、多核處理器特性可總結出四條調度依據：①根據任務是否正在某CPU上運行決定是否調度；②根據任務上游緩存是否有數據，下游緩存是否有剩余空間決定該任務是否調度；③計算任務上下游數據量差值，優(yōu)先執(zhí)行差值最大的任務；④若存在幾個任務有相同的最大差值，優(yōu)先執(zhí)行上游任務。

圖2 某時刻任務鏈上數據流狀態(tài)

根據以上數據依賴任務的調度依據，設計出數據依賴任務調度算法流程，如圖3所示，即從任務鏈上游至下游依次遍歷各數據依賴任務，根據數據依賴任務調度依據，計算得到優(yōu)先級最高的任務并進行調度。

圖3 數據依賴任務調度算法流程圖

2.2 混合實時任務調度器實現

本文基于嵌入式實時操作系統(tǒng)eCos實現混合實時任務調度器。首先對其原有調度器進行分析。eCos通過多級隊列調度算法[7]實現對SMP多核多任務調度的支持。多級隊列表示eCos支持多個不同優(yōu)先級，默認優(yōu)先級為0～31，每個優(yōu)先級對應了一個雙向循環(huán)任務鏈表。其調度算法流程如圖4所示，其中pending[i]表示優(yōu)先級為i的任務鏈表中被掛起的任務數目，pending_map的第i位狀態(tài)表示優(yōu)先級為i的任務鏈表中是否有被掛起的任務，eCos通過這兩個變量的共同作用實現SMP多核多任務調度。

為基于eCos多級隊列調度器實現混合實時任務調度器，將在[0,CRI_N)區(qū)間內的優(yōu)先級定義為周期性任務優(yōu)先級，將[CRI_N,31)區(qū)間內優(yōu)先級定義為數據依賴任務在任務鏈上的位置索引。優(yōu)先級為31的任務為系統(tǒng)空閑任務?；旌先蝿照{度算法流程如圖5所示，若任務鏈表中存在就緒的周期性實時任務，根據多級隊列調度算法，調度優(yōu)先級最高的周期性任務，調度結束；若沒有就緒的周期性實時任務，根據數據依賴任務調度算法遍歷任務鏈上的數據依賴任務任務，找到優(yōu)先級最高的數據依賴任務，調度該任務，若沒有滿足調度條件的數據依賴任務，則調度系統(tǒng)空閑任務。由此，基于eCos多級隊列調度器構建了混合實時任務調度器。

圖4 eCos多級隊列調度算法流程圖

圖5 混合實時任務調度算法

2.3 數據依賴任務通用框架

根據混合實時任務調度器的調度原理，提出數據依賴任務通用框架，其示意圖如圖6所示。按該架構定義各數據依賴任務，從而與混合實時任務調度器相適應。

圖6 數據依賴任務通用架構

3 并行數控系統(tǒng)設計

本文基于GRBL串行數控系統(tǒng)構建并行數控系統(tǒng)，在深入分析GRBL內核的基礎上，對其進行多任務劃分，并在任務間引入循環(huán)隊列實現各任務解耦。由于嵌入式處理器內存空間有限，在上位機與數控系統(tǒng)之間建立了G代碼動態(tài)批處理機制。

3.1 并行數控系統(tǒng)架構設計

并行數控系總體統(tǒng)架構如圖7所示，上位機向數控系統(tǒng)發(fā)送G代碼，開關量控制指令等。選用嵌入式對稱多核處理器S698PM運行并行數控系統(tǒng)，該處理器基于SPARC架構設計，含有4個處理器核心，最高主頻可達500MHz。數控系統(tǒng)采用數據采樣插補，將插補得到的各軸進給量通過網絡端口發(fā)送給POWERLINK[8]通信卡，通信卡將位置信息轉換為POWERLINK協(xié)議幀，發(fā)送給支持POWERLINK協(xié)議的伺服電機驅動，從而控制電機運動。電氣控制柜如圖8所示，三軸銑床如圖9所示。

圖7 并行數控系總體統(tǒng)架構示意圖

圖8 控制柜 圖9 三軸銑床

3.2 并行數控系統(tǒng)任務模塊實現

首先對GRBL串行數控系統(tǒng)內核架構進行分析。其工作流程可概括如下：PC通過串口向GRBL發(fā)送G代碼，GRBL接收到一個完整的G代碼段后，進行譯碼。譯碼結束后，對于接收到的插補指令，首先按精度要求將曲線擬合成連續(xù)直線段，并對直線段序列進行前瞻規(guī)劃，得到各直線段滿足電機加減速性能的最大入口速度，接著對直線段進行前加減速規(guī)劃，得到具體的速度曲線，再進行粗插補，計算插補時間及距離增量，放入微段緩存segment_buffer[N]中，如圖10所示。微段緩存由定時器中斷服務函數進行處理，其過程如圖11所示，根據各微段的粗插補時間及距離增量計算脈沖序列的頻率，采用基準脈沖插補法，利用Bresenham[9]法生成脈沖序列，實現對步進電機的速度及位置控制。

圖10 GRBL內核架構示意圖

圖11 定時器中斷處理過程

將GRBL串行數控系統(tǒng)劃分為圖12所示的各個數據依賴任務，通過在任務間構建循環(huán)隊列實現任務解耦和數據傳遞，從而在嵌入式對稱多核處理器上實現多級流水線數據并行產銷，最后由周期性任務位置發(fā)送任務按插補周期向伺服電機驅動器發(fā)送位置指令。由于各循環(huán)隊列的上下游任務可能同時對其進行訪問，需通過互斥量[10]對循環(huán)隊列進行保護，保證運算過程的正確性。

圖12 并行數控系統(tǒng)架構

3.3 G代碼動態(tài)批處理

由于數控系統(tǒng)的G代碼存儲空間有限，而G代碼大小與工件復雜程度相關，為防止數控系統(tǒng)G代碼的存儲空間溢出，須在上位機數控系統(tǒng)之間建立G代碼動態(tài)批處理機制。首先根據數控系統(tǒng)G代碼存儲空間大小設置上溢值和下溢值，啟動上位機發(fā)送G代碼后，數控系統(tǒng)在接收G代碼的同時，檢測G代碼存儲空間的數據量，當數據量超過上溢值時，向上位機發(fā)送停止發(fā)送指令，此時數控系統(tǒng)繼續(xù)消耗G代碼，當檢測到數據量小于下溢值時，向上位機發(fā)送啟動發(fā)送指令，從而實現G代碼動態(tài)批處理。

4 實驗驗證

首先對調度器進行測試，驗證其正確性及數據流平衡效果，測試了負載平衡性和加速比。通過加工實驗驗證了并行數控系統(tǒng)的正確性。

4.1 調度器測試

圖13 各緩存數據量變化情況

為驗證混合實時任務調度器的正確性，建立了2個周期性任務，其參數為(0，500)，(1，500)，同時建立了6個數據依賴任務，其在任務鏈上的位置索引依次為16、17、18、19、20、21。各任務每執(zhí)行一次將對應指示燈取反。測試程序運行后，周期性任務按500ms周期執(zhí)行。當在最上游緩存放置數據時，數據依賴任務按位置關系順序執(zhí)行，驗證了混合實時任務調度器的正確性。

為驗證調度過程中任務鏈上數據流平衡效果，基于QT[11]編寫了數據流狀態(tài)演示軟件，在最上游緩存放入150個待處理數據，調度過程中各緩存數據量趨于平衡，如圖13所示，驗證了調度器的數據流平衡效果。

用硬延時語句for循環(huán)1千萬次模擬任務的數據處理過程，在最上游緩存內放置150個待處理的數據，統(tǒng)計程序執(zhí)行過程中各CPU執(zhí)行各任務的次數，由于各任務數據處理過程相同，執(zhí)行次數可類比于CPU運行時間，統(tǒng)計結果如表1所示。實驗表明，該條件下，各CPU執(zhí)行次數占總執(zhí)行次數基本相同，驗證了各CPU負載平衡。

通過定時器測試各任務執(zhí)行時間及并行時間，單位為ms，測試結果如表2所示，測得并行時間為17649ms，加速比為3.895，具有較好的加速效果。

表1 各CPU任務執(zhí)行情況統(tǒng)計

表2 加速比測試

4.2 并行數控系統(tǒng)測試

為驗證并行數控系統(tǒng)的正確性，進行了加工實驗，設定插補周期為2ms，進給速度100mm/min，加速度72000mm/min2，選用4mm直徑銑刀，加工軌跡如圖14所示，將并行數控系統(tǒng)安裝至三軸銑床，進行蠟模加工，其實際加工效果如圖15所示。由此，驗證了并行數控系統(tǒng)系統(tǒng)的正確性。

圖14 加工軌跡 圖15 加工效果

5 結束語

本文在分析并行數控系統(tǒng)任務調度需求的基礎上提出了混合實時任務調度器，通過改造嵌入式實時操作系統(tǒng)eCos實現了該任務調度器，并基于嵌入式對稱多核處理器S698PM搭建了并行數控系統(tǒng)實驗平臺。實驗結果明，混合實時任務調度器實現了周期性任務與數據依賴任務統(tǒng)一調度，能自動維持數據流平衡，保證良好的負載平衡性和加速比，在調度數控系統(tǒng)實時任務方面具有眾多優(yōu)點，基于該調度器的并行數控系統(tǒng)能正確運行，證明了該調度器具備實用性。未來將繼續(xù)完善該并行數控系統(tǒng)，以體現出多核并行數控系統(tǒng)在運算性能方面的優(yōu)勢。

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