CN105308570A - 用于对分布式实时系统中的周期性任务传送时间正确的数据的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在分布式实时系统中的周期性任务之间传送时间正确的数据的方法，该实时系统包含实时通讯系统和多个计算机节点，其中每个计算机节点中本地的实时时钟与全局时间同步，其中所有的用于开始新的周期i的定期触发讯号zi b皆于每个计算机节点同时得自全局时间的前进，其中这些定期触发讯号将该些任务开始，且其中某任务从本地的输入记忆区域读取其它任务的输出数据，其中该实时通讯系统向该输入记忆区域写入，且其中某任务于先验决定的、个别的、于周期结束前的生产时刻zi f将当前周期的结果数据写进本地的输出记忆区域，其与该通讯系统关联，且其中用于该时间控制的通讯系统的时程被配置以致存在于本地输出记忆区域的任务结果数据于时段＜zi f，zi+1 b＞期间被运输至需要该数据的任务的本地输入记忆区域，以致在随后的周期的开始时，于需要这结果数据的任务的本地输入记忆区域中可提供这结果数据。

Description

用于对分布式实时系统中的周期性任务传送时间正确的数据的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于在分布式实时系统中的周期性任务之间传送时间正确的数据的方法，该实时系统包含实时通讯系统和多个计算机节点，其中每个计算机节点中的本地实时时钟与全局时间同步。
本发明亦涉及用于实施这样的方法的分布式实时系统，该实时系统包含实时通讯系统和多个计算机节点，其中每个计算机节点中的本地实时时钟与全局时间同步。
本发明处于计算机科技的技术领域中。它说明用于在分布式实时系统中实施数个平行运行的任务的先验固定时间处理的创新方法。
背景技术
在很多实时应用中的目标被分成多个任务。任务被了解为意指程式控制的封装的计算机进程，其从所提供的输入数据和该任务中储存的内部状态数据计算出所期望的输出数据和新版本的内部状态数据。因应可用的计算机节点的性能，在一个计算机节点上可同时执行单一任务或多个任务(多任务处理)。在多任务处理的系统中，计算机节点的从属操作系统以及切换软件(中间件)的目的在于为处理某任务提供所需的资源、管理通讯渠道，并保护任务免受其它任务未经授权地存取。
所给定的工作由系统层面决定的逻辑限定该些任务的执行的确切顺序。在实时系统中，不止任务执行的逻辑顺序，任务的时间方面的精确计划也是具很大重要性的，因为这样能将系统的反应时间减至最短。
例如在用于车辆的自主控制的系统中，如果不同的传感器系统(例如光学摄像机、激光、雷达)监察车辆周围移动中的环境，例如行人，则必须确保用于探测传感器数据的不同任务监察时间中同一刻的周围环境，从而能够形成于这时刻一致的周围环境的影像。当能存取某传感器系统的任务皆在新的周期开始后马上读取传感器数据，这同时性是必然的，因为所有任务皆于同一时间开始新的周期。
本发明的目的在于指定在分布式周期性时间控制的实时系统中，该些任务和通讯可被同步的方式，这方式确保系统最佳的反应时间。
发明内容
这目的通过如引言中所说明的方法达成，这是因为根据本发明，所有的用于开始新的周期i的定期触发讯号zi b皆于每个计算机节点同时得自全局时间的前进，其中这些定期触发讯号将该些任务开始，且其中某任务从本地的输入记忆区域读取其它任务的输出数据，其中该实时通讯系统向该输入记忆区域写入，且其中某任务于先验决定的、个别的、于周期结束前的生产时刻zi f将当前周期的结果数据写进本地的输出记忆区域，其与该通讯系统关联，且其中用于该时间控制的通讯系统的时程被配置以致存在于本地输出记忆区域的任务结果数据于时段<zif，zi+1 b>期间被运输至需要该数据的任务的本地输入记忆区域，以致在随后的周期的开始时，于需要这结果数据的任务的本地输入记忆区域中可提供这结果数据。
在时间控制的实时系统中，是通过全局时基达成要于不同的计算机节点执行的任务的同步。为了这目的，时间被分成数个跨系统同步的周期。
根据本发明，在一周期的开始(其由全局时间的前进决定)，例如在周期zi的时刻zi b，从所有分布的传感器取得传感器数据。与传感器关联的任务执行传感器数据的初步处理，并一般在当前周期结束前(例如于周期i的生产时刻zi f)将这初步处理的结果提供至该任务的输出记忆区域，使该结果可供给时间控制的通讯系统。在随后的周期开始前的时段<zi f，zi+1 b>中，该时间控制的通讯系统将这些结果运输至需要这些结果以作进一步处理的任务的输入记忆区域。因此，在随后周期的开始，于zi+1 b这时刻，所有必须的输入数据皆于随后的任务的指定输入区域中可提供，以作进一步处理。
于被搜查过的专利文献[1、2]中皆没能发现预示本文中公开的创新的方法。
根据本发明的方法和根据本发明的实时系统的有利实施方案(该些实施方案可个别地或以任何组合地被实施)如下详述：
任务在开始后将老化指数设定为零，并且，除了结果数据外，其亦将该老化指数的当前数值写入与该通讯系统关联的输出记忆区域；任务的处理时长取决于数据，所以为任务的结果提供老化指数，其指定于任务处理中有没有发生延迟。将时间控制的通讯和任务的基于时间的排程从任务中的处理逻辑分离，这允许向可用的分布式硬件架构作弹性的任务分配；
于周期i结束前不能于先验决定的生产时刻zi f提供当前周期的结果数据的任务，其将该老化指数加一，并于随后的周期的生产时刻zi+1 f将该结果数据置于该输出区域中；
所有能存取传感器系统的任务皆在新的周期的开始同时读取传感器数据；
任务的生产时刻是彼此错开的；
最迟的生产时刻并因此最长的处理时段皆被分配给具最大处理工作量的任务；
所有时间控制的事件皆为稀疏的事件；
将内部的全局时间与外在的时基同步；
当一个或多个任务的硬件分配被改变时，协作中的任务于系统层面限定的、基于时间的执行时序以及任务软件皆不改变；
在不同的计算机节点上同时执行某任务的某数量的拷贝。
附图说明
将基于附图解释本发明，在附图中
图1示出多任务处理的计算机节点的结构，
图2示出分布式实时系统，其具有三个计算机节点，而
图3示出任务处理的时间进程。
以下的特定例子示出该新方法的多个可能的实施方案的其中之一。
具体实施方式
图1示出实体计算机节点，其被分配了三个任务，任务110、120和130。这三个任务由中间件和操作系统106管理。计算机节点101的硬件通过传感器总线102连接至输入传感器103和致动器104，并通过通讯讯号105连接至时间控制的信息分发器单元203(见图2)。
每件任务具有三个记忆区域。任务110具有输入记忆区域111、内部状态记忆112及输出记忆区域113。任务110的输入记忆111亦是实时通讯系统的输出记忆。由于发送了时间控制的状态数据，所以无需在实时通讯系统中作任何队列管理。状态信息的每个新版本覆写过在输入记忆区域111中的旧版本[6，p.91]。内部状态记忆112包含于任务110中从上一周期传送至其下一周期的数据。状态记忆112在某周期开始后马上被读取，而新的数值在下一周期的开始前y刻被写进所述状态记忆中。于周期i结束前，于生产时刻zi f，数据被写进输出记忆区域113，其包含任务110于周期i中的结果。于<zi f，zi+1 b>的时段中，实时通讯系统以结果信息将该些结果从输出记忆区域113传送进在下一周期中需要这数据的任务的输入记忆中。
任务120和130如任务110般，各具有三个记忆区域。
图2示出分布式实时系统，其包含三个计算机节点201、202和203以及信息分发器单元210。信息分发器单元、控制器(特别是在计算机节点内的通讯控制器)以及信息分发器单元和该些计算机节点或其控制器之间的连接形成该实时通讯系统。该三个计算机节点201、202和203根据图1般建构，并通过状态信息通讯，该些信息于先验决定的一些时刻由时间控制的信息分发器单元210传递。时间触发以太网(TTEthernet)[4]是这种时间控制的通讯系统的一例子。
图3示出连续的周期的时间进程。全局时间的前进于横坐标301上示出。于时刻zi-1 b、zi b、zi+1 b和zi+2 b，在分布式实时系统的所有计算机节点中同时从全局时间引伸出新的周期的触发讯号，而该些任务以这些触发讯号开始。
通过内部全局时间达成该些行动的同时性。全局时钟同步化的精确度决定内部全局时间的粒度并因此决定稀疏的事件(sparseevents)[3，p.64]之间的最短间隔。所有时间控制的行动，例如周期的开始或信息的发送皆是稀疏的事件为有利的。在分布式系统中，只有当所有时间控制的行动皆为稀疏的事件时系统整体中事件的同时性才被清楚确定。
全局时间可以外在时基同步，例如GPS(通用定位系统)时间。GPS允许优于100纳秒的时间准确度。如果某数量的自主系统将其内部全局时间与GPS时间同步，则数据撷取的同时性可被实施以至超过自主系统的系统。
根据本发明，时间控制的通讯的时程必须与任务处理的生产时刻zi f同步，以致信息的运输可在某生产时刻zi f后马上开始。
所有任务的周期皆同时开始，但任务的生产时刻并不是同时被决定，而是为个别任务分别被决定的。任务的错开的生产时刻允许通讯系统没有顺序冲突地将讯息从发送方运送至接收方。最长的处理时段<zi b，zi f>优选地被分配给具最大处理工作量的任务。
以下例子示出某应用中的参数的一般量值：
·计算机节点数量：10
·每个计算机节点平均任务数量：5
·任务数量：50
·TTEthernet通讯系统频宽：1Gbit/秒
·时钟同步准确度：100纳秒
·周期时长：10毫秒
·结果信息中平均字节数量：1000
·结果信息运输时长：10微秒
·任务最短处理时长：9500微秒
·任务最长处理时长：9990微秒
当某任务，例如任务110，的处理时长是取决于输入数据的复杂程度时，可能发生的是在周期i中任务110的处理在订下的生产时刻zi f还未完成。在这情况下，周期i-1的(旧)输出数据被保留于输出区域113中，优选地是依循状态语义(Zustandssemantik)地被保留。任务110于其後的周期i+1继续其处理，并于生产时刻zi+1 f将结果写进输出区域113。
在输出区域113中，优选地提供了供老化指数的数据域。当输入数据从记忆区域111被读出后，这老化指数被设为零。当任务110不能在当下的周期的结束前于该先验决定的生产时刻zi f完成所述周期的结果数据时，被延迟的任务便将该老化指数数值加一。周期i的结果数据于随后的周期的生产时刻zi+1 f被置于输出区域113中。由于该老化指数是和结果数据一起于结果信息中被传送的，时间上位于其後的下一任务可判定上一任务110中发生了延迟，并可在其进一步处理期间将这延迟纳入考虑。
在计算机节点支援多任务处理并通过时间控制的通讯系统通讯的分布式实时系统中，于系统层面决定的任务执行时序可通过不同的硬件分配而被实施。硬件分配被了解为意指将任务分配给计算机节点，即分配给硬件。视乎察见的资源需求，计算机节点的超载的任务(其中该些任务经常超过订下的生产时刻zi f)可被分配至另一更强大的计算机节点。为了这目的，任务激活的时程和时间控制的通讯的时程要被重新配置——任务本身不一定要被改变。硬件分配与任务软件的严格分离以及对时间控制的通讯和任务激活的基于时间的排程都增加灵活性，并允许系统配置快速地适配新的要求。
在所提议的架构中，亦可执行某任务的某数量的拷贝，以增加可靠性。因此，当可以假定故障沉默的故障形式时，某任务其中一个拷贝的故障便可被并行工作的拷贝盖过。
引用文献：
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[3]Kopetz，H.Real-TimeSystems，DesignPrinciplesforDistributedEmbeddedApplications.SpringerPublishing.2011.
[4]SAEStandardvonTTEthernet。网址：http：//standards.sae.org/as6802

Claims (13)

1.用于在分布式实时系统中的周期性任务之间传送时间正确的数据的方法，该实时系统包含实时通讯系统和多个计算机节点，其中每个计算机节点中本地的实时时钟与全局时间同步，其特征在于所有的用于开始新的周期i的定期触发讯号zi b皆于每个计算机节点同时得自全局时间的前进，其中这些定期触发讯号将该些任务开始，且其中某任务从本地的输入记忆区域读取其它任务的输出数据，其中该实时通讯系统向该输入记忆区域写入，且其中某任务于先验决定的、个别的、于周期结束前的生产时刻zi f将当前周期的结果数据写进本地的输出记忆区域，其与该通讯系统关联，且其中用于该时间控制的通讯系统的时程被配置以致存在于本地输出记忆区域的任务结果数据于时段＜zi f，zi+1 b＞期间被运输至需要该数据的任务的本地输入记忆区域，以致在随后的周期的开始时，于需要这结果数据的任务的本地输入记忆区域中可提供这结果数据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于任务在开始后将老化指数设定为零，并且，除了结果数据外，其亦将该老化指数的当前数值写入与该通讯系统关联的输出记忆区域。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，于周期i结束前不能于先验决定的生产时刻zi f提供当前周期的结果数据的任务，其将该老化指数加一，并于随后的周期的生产时刻zi+1 f将该结果数据置于该输出区域中。
4.如权利要求1至3之任一所述的方法，其特征在于所有能存取传感器系统的任务皆在新的周期的开始同时读取传感器数据。
5.如权利要求1至4之任一所述的方法，其特征在于任务的生产时刻是彼此错开的。
6.如权利要求1至5之任一所述的方法，其特征在于最迟的生产时刻并因此最长的处理时段皆被分配给具最大处理工作量的任务。
7.如权利要求1至6之任一所述的方法，其特征在于所有时间控制的事件皆为稀疏的事件。
8.如权利要求1至7之任一所述的方法，其特征在于将内部的全局时间与外在的时基同步。
9.如权利要求1至8之任一所述的方法，其特征在于当一个或多个任务的硬件分配被改变时，协作中的任务于系统层面限定的、基于时间的执行时序以及任务软件皆不改变。
10.权利要求1至9之任一所述的方法，其特征在于在不同的计算机节点上同时执行某任务的某数量的拷贝。
11.分布式实时系统，其用于实施根据权利要求1至10之任一所述的方法，该系统包含实时通讯系统以及多个计算机节点，其中每个计算机节点的本地的实时时钟皆与全局时间同步。
12.权利要求11所述的实时系统，其特征在于当一个或多个任务的硬件分配被改变时，协作中的任务于系统层面限定的、基于时间的执行时序以及任务软件皆不改变。
13.权利要求11或12所述的实时系统，其特征在于在不同的计算机节点上同时执行某任务的某数量的拷贝。
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