容错实时调度策略及其在数控系统中的应用研究

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1、圆中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文作者姓名：：奎态指导教师：鄞毯丝班究员虫国科堂瞳沈田让簋技盔研究历学位类别：工堂簋±学科专业：让簋扭廛用撞丕培养单位：虫国抖堂瞳沈田让篡技苤研究压2012年10月ByLiJieADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofComputerApplicationTechnologyShenyangInst

2、ituteofComputingTechnology,ChineseAcademyofSciences10，2012独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。签名：名事o．‘一一关于学位论文使用授权的说明本人完全了解中国科学院大学有关保管、使用学位论文的规定，其

3、中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文：③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容。(涉密的学位论文在解密后应遵守此规定)日期：卫堕坐0摘要二十一世纪以米，实时系统在军事、工业、商业等领域的应用越来越广泛，逐渐渗透到我们生活的各个角落，在一‘定程度上影响和改变着人们的生产及生活方式。与传统的计算机系统=：_fi同，实时系统的正确性不仅包括计算的逻辑结果，还关注得到计算结果的具体时问。如果实时系统中的任务在其时限前没有完成，可能会

4、导致系统出错甚至造成灾难性后果。数控系统作为典型的一种实时系统，不仅需要保证系统的相关任务在确定的时问内完成，还要保证系统出现软件或硬件错误时，仍然能够正常运行。这就要求数控系统中的实时运算能够综合处理多种类型任务共存的混合任务集，同时具备一定的软硬件故障容错能力。本文根据现代数控系统的主要特点和功能需求，在工业控制实时理论及应用方面作了较为深入的研究。重点对容错及相关调度算法进行了研究，并通过实验验证了所提算法的有效性和可行性。本文通过对数控系统加工过程、特点及功能的分析，提出一种面向开放式数控系统的混合任务调度模型SBSSM。在此基础上，对数控系统的容错可生存性、软件容错调度策略和基

5、于多处理器的实时调度策略等问题展开研究，提出数控实时系统容错可生存性分析框架、优先级可提升的实时调度算法、数控系统混合任务容错调度算法和面向多处理器的容错调度算法等实时调度方法。具体研究内容如下：1．通过分析数控系统的功能特点及系统中各种任务的不同特征，提出一种面向开放式数控系统的混合任务调度模型——基于服务器带宽共享的调度模型SBSSM。该模型以服务器调度算法为基础，采用带宽控制策略将CPU带宽在各种调度策略问进行分配，实现了CPU资源的均衡利用。针对数控系统中的混合任务，模型为非实时任务预留一定的带宽，在保证硬实时任务及时完成的基础上，根据系统实际运行情况，通过动态调整软实时任务的带

6、宽，来调节此类任务的QoS，最终实现硬实时、软实时和非实时任务的混合调度，为数控系统中多任务运行提供了更为灵活的调度方式。2．通过对容错技术和数控系统中故障种类的分析研究，结合l中所提出的混合任务调度模型SBSSM的特点，提出了针对数控实时系统的容错可生存性分析方法，并根据系统实时性的特点，在定量分析中引入了容错实时响应能力等指标。通过容错抵抗能力、容错恢复能力和容错响应能力的量化结果，对数控实时系统的可生存能力进行评测。3．分析控制系统中任务的类型和硬实时、软实时任务的特点，提出基于优先容错实时调度策略及其在数控系统中的应用研究级可提升的实时调度算法；根据软件容错模型的特征，在BCE算

7、法的基础上，将常用的调度算法应用于任务替代部分的逆向调度和主部分的正向调度，并通过实验分析比较各种调度组合的性能，在此基础上，从提高主部分执行率方面改进了BCE算法的不足，提出数控系统中混合任务集容错调度算法HTFT。仿真实验结果显示了所提算法的有效性。4．根据多处理器系统特点，提出一种基于主副版本的改进的FTRMBF调度算法——PR．FTRMBF(PrimarycopyReassignedFaultTolerateRMBest．F