DE102017130552B3 - Verfahren zur Datenverarbeitung und speicherprogrammierbare Steuerung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren 300 zur Datenverarbeitung auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS). Wenigstens einem parallelen Bearbeitungsabschnitt eines Programms eines Hauptprozessorkerns 111, 112 einer Steuerungsaufgabe ist eine Priorität mit einer vorgegebenen Prioritätsstufe 340, 345 zugewiesen. Die jeweiligen Prioritätsstufen 340, 345 werden in eine Datenstruktur eingefügt, sobald der jeweilige Hauptprozessorkern 111, 112 im Programm an dem parallelen Bearbeitungsabschnitt angelangt ist. Wenigstens ein Parallelprozessorkern 113, 114 prüft, ob in der Datenstruktur Einträge vorhanden sind und sofern Einträge vorhanden sind, arbeitet er Teilaufgaben 321-324, 331-333 aus einem Arbeitspaket 305, 310 des Hauptprozessorkerns 111, 112 ab, dessen Prioritätsstufe 340, 345 an erster Stelle der Einträge in der Datenstruktur steht. Eine Echtzeitbedingung der Steuerungsaufgabe wird eingehalten, indem Ausführungszeiten der Programme für die jeweiligen Hauptprozessorkerne 111, 112 so festgesetzt sind, dass die mehreren Hauptprozessorkerne 111, 112 in der Lage sind, die Teilaufgaben 321-324, 331-333 aus den Arbeitspaketen 305, 310 ohne die Unterstützung des wenigstens einen Parallelprozessorkerns 113, 114 abzuarbeiten. Die mehreren Hauptprozessorkerne 111, 112 arbeiten ferner Teilaufgaben 321-324, 331-333 ab, die nicht von dem wenigstens einen Parallelprozessorkern 113, 114 abgearbeitet werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenverarbeitung auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS). Die Erfindung betrifft des Weiteren eine speicherprogrammierbare Steuerung, die insbesondere zur Regelung oder Steuerung einer Maschine oder einer Anlage eingesetzt wird.
  • Maschinen oder Anlagen eines Automatisierungssystems werden häufig mithilfe speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPS) gesteuert. Die SPS kann dabei als externes Gerät oder als Software-SPS vorliegen. Zur Steuerung oder Regelung der Aktoren und Sensoren der Maschine oder der Anlage nutzt die SPS meist eine Kommunikationsschnittstelle, die in Form eines Feldbussystems verwirklicht sein kann. Die Aktoren und Sensoren der Maschine oder der Anlage können dann über das Feldbussystem miteinander vernetzt sein.
  • Durch das Auslesen der Messdaten der Sensoren und/oder der aktuellen Ist-Daten der Aktoren, die mit den Eingängen der speicherprogrammierbaren Steuerung verbunden sind, erhält die SPS eine Information über den Status der Maschine oder der Anlage. Die Aktoren sind an die Ausgänge der speicherprogrammierbaren Steuerung angeschlossen und ermöglichen die Steuerung der Maschine oder der Anlage. Zur dynamischen Ansteuerung der Aktoren generiert die SPS auf Basis der Ist-Daten und/oder auf Basis der Messdaten der Sensoren die Ausgabedaten für die Aktoren, wobei sich die genannten Daten um einzelne Werte oder Wertegruppen handeln können. Ebenso kann die Ansteuerung der Aktoren aufgrund von Vorgaben, zum Beispiel anhand von Bewegungsprofilen erfolgen. Um die gewünschte Betriebsweise der Maschine bzw. der Anlage bereitstellen zu können, legt die Steuerungsaufgabe der SPS fest, welche seitens der SPS, in Abhängigkeit von entsprechenden Eingangsdaten, erzeugte Ausgangsdaten den Aktoren zugeführt werden. Die Verarbeitung der Daten durch die SPS erfolgt meist zyklisch und umfasst drei Schritte: Bereitstellen von aktuellen Eingabedaten (beispielsweise Ist-Daten der Aktoren und/oder Messdaten der Sensoren), Verarbeitung der Eingabedaten zu Ausgabedaten, und Ausgabe der Ausgabedaten für die Bewegungssteuerung (beispielsweise Zielpositionen, etc.).
  • Für die Steuerung des Automatisierungssystems ist es zwingend erforderlich, dass die Verarbeitung der Eingabedaten spätestens zu dem Zeitpunkt beendet ist, zu dem die Ausgabedaten für die Aktoren benötigt werden. Dieser Zeitpunkt bezeichnet die Deadline und entspricht gewöhnlich dem Ende eines Programmzyklus der SPS. Für die speicherprogrammierbare Steuerung wird in der Regel eine harte Echtzeitfähigkeit gefordert, was bedeutet, dass Deadlines konsequent eingehalten und niemals überschritten werden dürfen. Zusätzlich muss zum Zeitpunkt der Deadline ein valides Ergebnis für die Aktoren vorliegen. Dies ist vor allem dann relevant, wenn das Überschreiten der Deadline zu Personen- oder Sachschäden führen kann, beispielsweise wenn ein Roboterarm nicht rechtzeitig abgebremst wird.
  • Die Programmausführung der SPS ist beispielweise in der Norm IEC 61131-3 festgelegt. Die SPS besitzt eine Steuerungsaufgabe und diese setzt sich meist aus einem oder mehreren im Allgemeinen zyklisch auszuführenden Programmen mit Aufgaben, den sogenannten „Tasks“ zusammen. Im einfachsten Fall weist die speicherprogrammierbare Steuerung nur einen einzelnen Prozessorkern für mehrere unabhängige Programme mit Aufgaben (Tasks) auf. Deshalb muss die verfügbare Rechenzeit derart aufgeteilt werden, dass alle Programme mit entsprechenden Aufgaben ihre Deadlines einhalten können. Die verschiedenen Zykluszeiten der Programme in der SPS können sich beispielsweise je nach Anwendung in einem Bereich von 100 µs bis 20 ms oder bei komplexen Aufgaben in einem Bereich von 50 ms bis 100 ms befinden. Aufgrund der verschiedenen Zykluszeiten der Programme gilt es zu verhindern, dass Programme mit Aufgaben mit einer längeren Zykluszeit den Start von Programmen mit Aufgaben mit einer kürzeren Zykluszeit verzögern, so dass diese ihre Deadlines nicht mehr einhalten können. Häufig kann dies nur erreicht werden, wenn die Ausführung eines solchen langsamen Programms unterbrochen und später fortgesetzt wird. Aus diesem Grund wird jedem Programm mit entsprechenden Aufgaben gewöhnlich eine vorgegebene Prioritätsstufe zugeteilt. Diese kann aus den Abhängigkeiten der jeweiligen Programme zu den anderen Programmen ermittelt werden, wenn die Programme beispielsweise auf die Ergebnisse der anderen Programme angewiesen sind.
  • Da die meisten SPS Prozessoren mehrere Prozessorkerne und/oder mehrere Prozessoren umfassen, kann die SPS Programme mit entsprechenden Aufgaben auf mehrere Prozessorkerne oder Prozessoren aufteilen, um die Gesamtverarbeitungszeit der Programme mit den entsprechenden Aufgaben zu reduzieren. Aus der DE 10 2012 216 568 B4 ist ein Verfahren zum Ausführen von Programmen mit entsprechenden Aufgaben auf mehreren Prozessorkernen bekannt, wobei die Programme in Programm-Gruppen organisiert sind und der jeweiligen Programmgruppe eine Prioritätsstufe zugeteilt sein kann. Innerhalb einer Programmgruppe ist die Prioritätsstufe der Programme gleich, das heißt es werden keine individuellen Prioritätsstufen für die einzelnen Programme berücksichtigt. Die Programme können zugunsten anderer Programme mit einer höheren Prioritätsstufe auf den parallel arbeitenden Prozessorkernen unterbrochen werden und später auf den parallel arbeitenden Prozessorkernen fortgesetzt werden.
  • Aus Robert I. Davis and Alan Burns. 2011. A survey of hard real-time scheduling for multiprocessor systems. ACM Comput. Surv. 43, 4, Article 35 (October 2011) ist ein Verfahren zur Datenverarbeitung auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung, die mehrere Prozessorkerne umfasst. Eine Steuerungsaufgabe kann dabei Teilaufgaben aufweisen, die parallel von den Prozessorkernen ausgeführt werden, wobei eine Echtzeitbedingung der Steuerungsaufgabe eingehalten wird.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin ein Verfahren zur Datenverarbeitung weiterzuentwickeln, das bei Echtzeitsystemen eingesetzt werden kann und die benötigte Rechenzeit reduziert sowie die vorhandenen Ressourcen optimal nutzt. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte speicherprogrammierbare Steuerung anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Datenverarbeitung auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung vorgeschlagen. Die SPS umfasst mehrere Hauptprozessorkerne und wenigstens einen Parallelprozessorkern, wobei den Hauptprozessorkernen jeweils ein ausführbares Programm einer Steuerungsaufgabe zugeordnet ist. Jedes Programm weist jeweils wenigstens einen parallelen Bearbeitungsabschnitt mit einem Arbeitspaket auf, das mehrere Teilaufgaben umfasst. Den parallelen Bearbeitungsabschnitten in den jeweiligen Programmen ist eine Priorität mit einer vorgegebenen Prioritätsstufe zugewiesen. Die jeweiligen Prioritätsstufen werden in eine Datenstruktur eingefügt, sobald der jeweilige Hauptprozessorkern im Programm an dem parallelen Bearbeitungsabschnitt angelangt ist. Der wenigstens eine Parallelprozessorkern prüft, ob in der Datenstruktur Einträge vorhanden sind. Sofern Einträge in der Datenstruktur vorhanden sind, arbeitet der wenigstens eine Parallelprozessorkern Teilaufgaben aus dem Arbeitspaket des Hauptprozessorkerns ab, dessen Prioritätsstufe an erster Stelle der Einträge in der Datenstruktur steht. Eine Echtzeitbedingung der Steuerungsaufgabe wird eingehalten, indem Ausführungszeiten der Programme für die jeweiligen Hauptprozessorkerne so festgesetzt sind, dass die mehreren Hauptprozessorkerne in der Lage sind, die Teilaufgaben aus den Arbeitspaketen ohne die Unterstützung des wenigstens einen Parallelprozessorkerns abzuarbeiten. Die mehreren Hauptprozessorkerne arbeiten ferner Teilaufgaben ab, die nicht von dem wenigstens einen Parallelprozessorkern abgearbeitet werden.
  • Durch die Verteilung einzelner Aufgaben der entsprechenden Programme der Hauptprozessorkerne auf die mehreren Hauptprozessorkerne und den wenigstens einen Parallelprozessorkern kann die Gesamtbearbeitungszeit der Aufgaben und die Ausführungszeit der jeweiligen Programme reduziert werden. Die Aufgaben selbst können zur Reduzierung der Ausführungszeit in Arbeitspaketen mit unabhängigen Teilaufgaben untergliedert sein und im parallelen Bearbeitungsabschnitt des ausführbaren Programms der Steuerungsaufgabe auf dem entsprechenden Hauptprozessorkern und dem wenigstens einen Parallelprozessorkern abgearbeitet werden. Somit ist es beispielsweise möglich, die freie Rechenkapazität für größere oder komplexere Aufgaben zu nutzen, um die Deadlines einhalten zu können. Die mehreren Hauptprozessorkerne können jeweils nur die Teilaufgaben ihrer eigenen Arbeitspakete abarbeiten und nicht die Teilaufgaben von Programmen auf den anderen Hauptprozessorkernen, wohingegen der wenigstens eine Parallelprozessorkern die Teilaufgaben von allen Hauptprozessorkernen abarbeiten kann. Demnach bietet eine solche Ausgestaltung den Vorteil, dass die vorhandenen Ressourcen optimal genutzt werden, da die mehreren Hauptprozessorkerne und der wenigstens eine Parallelprozessorkern zusammen an der Abarbeitung der Teilaufgaben mitwirken.
  • Die Verteilung der Teilaufgaben der jeweiligen Programme der Hauptprozessorkerne auf die mehreren Hauptprozessorkerne und den wenigstens einen Parallelprozessorkern kann die Datenverarbeitung der SPS weiterhin echtzeitfähig gestalten. Denn durch die Aufgabenverteilung können die Deadlines der jeweiligen Programme optimal eingehalten werden. Von Vorteil ist, dass es durch die Parallelisierung für die am höchsten priorisierten Programme der mehreren Hauptprozessorkerne möglich ist, die kürzere Ausführungszeit der Programme durch die Parallelisierung einzuplanen, und auf diese Weise eine Deadline, die kleiner als eine rein sequentielle Ausführungszeit der Programme ist, einzuhalten. Beispielsweise kann eine Maschine oder Anlage eines Automatisierungssystems dadurch schneller arbeiten.
  • In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Verteilung der Teilaufgaben dynamisch. Die Hauptprozessorkerne und der wenigstens eine Parallelprozessorkern greifen auf unbearbeitete Teilaufgaben der Arbeitspakete zur Abarbeitung zu, wobei die Teilaufgaben, die dem wenigstens einen Parallelprozessorkern für die Bearbeitung zugeteilt werden, auch auf dem entsprechenden Hauptprozessorkern ausführbar sind. Die dynamische Verteilung der Teilaufgaben bietet die Möglichkeit, die verfügbare Rechenkapazität noch besser zu nutzen, als im Fall der statischen Verteilung. Denn die Hauptprozessorkerne und der wenigstens eine Parallelprozessorkern können selbst aktiv beim Arbeitspaket nach freien Teilaufgaben anfragen und den Zugriff auf unbearbeitete Teilaufgaben vom Arbeitspaket erhalten. Ist eine Teilaufgabe vom zugeordneten Hauptprozessorkern fertig abgearbeitet worden und der wenigstens eine Parallelprozessorkern beispielsweise gerade mit einer anderen Teilaufgabe ausgelastet, so kann (und soll) der entsprechende Hauptprozessorkern vom Arbeitspaket eine neue, unbearbeitete Teilaufgabe anfordern und diese abarbeiten, unabhängig davon, was der wenigstens eine Parallelprozessorkern gerade abarbeitet. Auf diese Weise kann die ungenutzte Rechenkapazität für eine frühzeitige Abarbeitung der Teilaufgaben genutzt werden, um die Gesamtbearbeitungszeit des jeweiligen Programms der Steuerungsaufgabe zu reduzieren und die Deadlines einzuhalten.
  • In einer weiteren Ausführungsform besteht nur für den die entsprechende Teilaufgabe aktuell abarbeitenden Hauptprozessorkern oder den die entsprechende Teilaufgabe aktuell abarbeitenden wenigstens einen Parallelprozessorkern ein Zugriff auf die entsprechende Teilaufgabe aus einem der Arbeitspakete. Die Teilaufgaben aus den Arbeitspaketen werden einzeln und nacheinander an die Hauptprozessorkerne und den wenigstens einen Parallelprozessorkern verteilt. Hat nur der die entsprechende Teilaufgabe aktuell abarbeitende Hauptprozessorkern oder der die entsprechende Teilaufgabe aktuell abarbeitende wenigstens eine Parallelprozessorkern Zugriff auf die entsprechende Teilaufgabe, so kann eine unnötige Mehrfachabarbeitung derselben Teilaufgabe vermieden werden. Zudem wird eine Mehrfachverteilung der Teilaufgaben unterbunden, indem die Verteilung der Teilaufgaben einzeln und nacheinander erfolgt.
  • In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Verteilung der Teilaufgaben aus den jeweiligen Arbeitspaketen statisch. Dazu wird den Hauptprozessorkernen und dem wenigstens einen Parallelprozessorkern jeweils eine bestimmte Anzahl an Teilaufgaben aus dem gleichen Arbeitspaket zur parallelen Abarbeitung fest zugeteilt. In dieser Ausgestaltung entfällt für den wenigstens einen Parallelprozessorkern die zusätzliche Rechenzeit zum Anfragen der Teilaufgaben aus den Arbeitspaketen. Durch die entsprechende feste Zuteilung, die beispielsweise zu Beginn der Programmausführung oder zu Beginn des parallelen Bearbeitungsabschnitts des Programms erfolgen kann, ist es also möglich den Verwaltungsaufwand zu reduzieren.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden dem wenigstens einen Parallelprozessorkern Änderungen in der Reihenfolge der Einträge der Prioritätsstufen in der Datenstruktur mitgeteilt. In der aktiven Ausgestaltung wird der wenigstens eine Parallelprozessorkern über Änderungen in der Reihenfolge der Einträge der Prioritätsstufen an der ersten Stelle in der Datenstruktur informiert, damit die aktuell bearbeitete Teilaufgabe unterbrochen wird und nach erfolgter Anfrage einer neuen Teilaufgabe aus dem Arbeitspaket des Hauptprozessorkerns mit höherer Prioritätsstufe mit deren Abarbeitung begonnen werden kann. Alternativ dazu ist auch eine passive Ausgestaltung denkbar, in der der wenigstens eine Parallelprozessorkern selbst anfragt, ob sich die Reihenfolge der Einträge der Prioritätsstufen an der ersten Stelle der Einträge in der Datenstruktur geändert hat. Der wenigstens eine Parallelprozessorkern kann gegebenenfalls die Berechnungen, also die Abarbeitung der aktuellen Teilaufgabe, unterbrechen.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden die Berechnungen aktueller Teilaufgaben im parallelen Bearbeitungsabschnitt auf dem wenigstens einen Parallelprozessorkern unterbrochen, wenn ein neuer Eintrag einer Prioritätsstufe an die erste Stelle der Datenstruktur gesetzt wird. Durch die Unterbrechung der Berechnungen von aktuellen Teilaufgaben auf dem wenigstens einen Parallelprozessorkern können die Deadlines der Programme eingehalten und die Echtzeitdatenverarbeitung ermöglicht werden. Ferner kann durch eine solche Ausgestaltung die Rechenkapazität besser ausgenutzt werden, denn es ist beispielsweise möglich, die vom wenigstens einen Parallelprozessorkern unterbrochene Teilaufgabe auf dem entsprechenden Hauptprozessorkern ab dem Unterbrechungspunkt weiter zu berechnen, während der wenigstens eine Parallelprozessorkern mit der Abarbeitung der neuen Teilaufgabe beginnt. Alternativ dazu kann die unterbrochene Teilaufgabe auch nach Fertigstellung der Teilaufgaben aus dem Arbeitspaket mit höherer Prioritätsstufe des parallelen Bearbeitungsabschnitts auf dem wenigstens einen Parallelprozessorkern weiter abgearbeitet werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden die aktuellen Teilaufgaben von dem wenigstens einen Parallelprozessorkern bis zu einem vorgegebenen Unterbrechungspunkt weiter bearbeitet und dann unterbrochen. Eine solche Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass weniger Daten gesichert werden müssen, da bekannt ist, welche Daten bei einer Fortführung der unterbrochenen Teilaufgabe benötigt werden. Auch erfordert die Implementierung der Ausgestaltung einen geringeren Eingriff in das System, als er beispielsweise bei einem sofortigen Unterbrechen der Teilaufgabe auf dem wenigstens einen Parallelprozessorkern und dem anschließenden Weiterausführen auf dem jeweiligen Hauptprozessorkern erforderlich sein kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Unterbrechungspunkt insbesondere in einer Kontrollstruktur in den Teilaufgaben der Arbeitspakete in den entsprechenden Programmen der Hauptprozessorkerne festgelegt. Der Unterbrechungspunkt kann zum Beispiel zu Beginn oder am Ende eines Durchlaufs der Kontrollstruktur gesetzt sein. Die Kontrollstruktur kann als Schleife verwirklicht sein, da bestimmte Instruktionen der entsprechenden Programme der Hauptprozessorkerne mit verschiedenen Variablenwerten mehrmals iterativ ausgeführt werden können. Folglich gestaltet das Setzen des Unterbrechungspunkts in der Kontrollstruktur in den Teilaufgaben der Arbeitspakete die Datensicherung einfach und kompakt, da beispielsweise nur die aktuelle Iteration und dazu gegebenenfalls vorhandene Zwischenergebnisse der Berechnungen gespeichert werden müssen.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird ein Zwischenergebnis der Berechnungen der aktuellen Teilaufgaben der Arbeitspakete gesichert. Wird das Zwischenergebnis der Berechnungen der Teilaufgaben gesichert, so müssen unterbrochene Teilaufgaben nicht mehr von Beginn an auf dem jeweiligen Hauptprozessorkern oder dem wenigstens einen Parallelprozessorkern berechnet werden, da das bisherige Zwischenergebnis nicht verloren ist. In der Regel ist es jedoch nicht bestimmbar, welche Daten für eine Fortführung der Teilaufgabe aus dem entsprechenden Arbeitspaket des zugeordneten Hauptprozessorkerns nach der Unterbrechung relevant sind, da die Teilaufgabe an einer beliebigen Stelle im Programm des Hauptprozessorkerns während der Ausführungszeit des Programms unterbrochen wird. Insofern kann diese Ausgestaltung die Sicherung sämtlicher Daten erfordern, die bei der Berechnung der Teilaufgabe im entsprechenden Programm des zugeordneten Hauptprozessorkerns erstellt bzw. bearbeitet wurden, wenn kein entsprechender Unterbrechungspunkt in den Teilaufgaben gesetzt wurde. Denn mithilfe des vorgegebenen Unterbrechungspunkts, der beispielsweise in der Kontrollstruktur in der Teilaufgabe gesetzt sein kann, ist bekannt, welche Daten bei der Fortführung der unterbrochenen Teilaufgabe benötigt werden. Im Fall des gesetzten Unterbrechungspunkts müssen nicht sämtliche Daten gesichert werden, sondern es ist ausreichend, die aktuelle Iteration der Kontrollstruktur, die sich um eine Schleife handeln kann, und gegebenenfalls vorhandene Zwischenergebnisse der Berechnungen zu speichern.
  • Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Berechnungen der Teilaufgaben auf dem wenigstens einen Parallelprozessorkern umgehend abgebrochen werden und dabei keine Zwischenergebnisse der Berechnungen gesichert werden. Folglich muss eine abgebrochene Teilaufgabe wieder von Beginn an neu berechnet werden. Von Vorteil ist dabei, dass mithilfe der Ausgestaltung eine geringste mögliche Latenz erzielt werden kann, wobei die Latenz die Zeit zwischen dem Abbruch der Berechnungen der aktuellen Teilaufgabe auf dem wenigstens einen Parallelprozessorkern und dem Beginn der Berechnungen der anderen Teilaufgabe auf dem wenigstens einen Parallelprozessorkern, die mit einer höheren Prioritätsstufe verknüpft ist, angibt.
  • Erfindungsgemäß wird des Weiteren eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) vorgeschlagen. Die SPS weist eine Kommunikationsschnittstelle, zum Einlesen von Sensordaten und zum Ausgeben von Aktordaten auf. Weitere Bestandteile der SPS sind eine Datenverarbeitungseinrichtung, die mehrere Hauptprozessorkerne und wenigstens einen Parallelprozessorkern zum Ausführen einer Steuerungsaufgabe umfasst, um aus den Sensordaten Aktordaten zu erzeugen, und eine Steuerungseinrichtung, die einen Speicher zum Speichern einer Datenstruktur mit Prioritätsstufen und einen Prioritätenverwalter zum Verwalten der Prioritätsstufen in der Datenstruktur aufweist. Den Hauptprozessorkernen ist jeweils ein ausführbares Programm der Steuerungsaufgabe zugeordnet, wobei jedes Programm jeweils einen parallelen Bearbeitungsabschnitt mit einem Arbeitspaket aufweist, und das Arbeitspaket mehrere Teilaufgaben umfasst. Den parallelen Bearbeitungsabschnitten in den jeweiligen Programmen ist die vorgegebene Prioritätsstufe zugewiesen. Der Prioritätenverwalter ist ausgebildet, die jeweiligen Prioritätsstufen in die Datenstruktur im Speicher einzufügen, sobald der jeweilige Hauptprozessorkern im Programm an dem parallelen Bearbeitungsabschnitt angelangt ist und dabei den Eintrag mit der höchsten Prioritätsstufe an die erste Stelle der Datenstruktur im Speicher zu setzen. Der wenigstens eine Parallelprozessorkern ist dazu ausgelegt, die Datenstruktur im Speicher auf Einträge der Prioritätsstufen zu prüfen. Der wenigstens eine Parallelprozessorkern ist, sofern Einträge in der Datenstruktur vorhanden sind, ferner ausgebildet, die Teilaufgaben aus dem Arbeitspaket des Hauptprozessorkerns abzuarbeiten, dessen Prioritätsstufe an erster Stelle der Einträge in der Datenstruktur steht. Die speicherprogrammierbare Steuerung ist des Weiteren ausgebildet, eine Echtzeitbedingung der Steuerungsaufgabe einzuhalten, indem Ausführungszeiten der Programme für die jeweiligen Hauptprozessorkerne so festgesetzt sind, dass die mehreren Hauptprozessorkerne in der Lage sind, die Teilaufgaben aus den Arbeitspaketen ohne die Unterstützung des wenigstens einen Parallelprozessorkerns abzuarbeiten. Weiterhin sind die mehreren Hauptprozessorkerne dazu ausgelegt, Teilaufgaben abzuarbeiten, die nicht von dem wenigstens einen Parallelprozessorkern abgearbeitet werden.
  • Speicherprogrammierbare Steuerungen bilden häufig die Grundlage eines Automatisierungssystems und verfügen derzeit über komplexe Rechen- und Regelfunktionen, die eine leistungsstarke Hardware und effiziente Software zur Umsetzung erfordern. Die hohe Rechenleistung kann dabei auf der gleichzeitigen Nutzung von mehreren Hauptprozessorkernen und dem wenigstens einen Parallelprozessorkern basieren, um das System effizient zu betreiben und die vorhandenen Ressourcen bestmöglich auszulasten. Die so konzipierte SPS ermöglicht es, die Deadlines der Programme einzuhalten und sie kann ferner die Echtzeitdatenverarbeitung gewähren.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung auf mehreren Hauptprozessorkernen verteilt ausgeführt. Diese Ausgestaltung bietet die Möglichkeit die Rechenkapazität flexibel zu nutzen und anderen Anwendungen dabei weiterhin Zugriff auf die Hauptprozessorkerne zu gewähren. Der Prioritätenverwalter, der Bestandteil der Steuerungseinrichtung ist, kann beispielsweise mehrere Module umfassen, wobei die einzelnen Module des Prioritätenverwalters auf den mehreren Hauptprozessorkernen ausgeführt werden können. Denkbar ist weiterhin, dass der Prioritätenverwalter nur ein einziges zentrales Modul aufweist, das auf einem der mehreren Hauptprozessorkerne ausgeführt wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Prioritätenverwalter ausgelegt, den ersten Eintrag der Prioritätsstufe der mehreren Hauptprozessorkerne der Datenstruktur durch einen neuen Eintrag zu ersetzen, wenn dieser eine höhere Prioritätsstufe aufweist. Der Prioritätenverwalter ist ferner ausgebildet, den wenigstens einen Parallelprozessorkern über die Änderung der Einträge der Datenstruktur zu informieren, um aktuelle Berechnungen von Teilaufgaben aus dem entsprechenden Arbeitspaket zu unterbrechen. Der Prioritätenverwalter gestaltet somit die Koordination der Einträge der Prioritätsstufen in der Datenstruktur und die Kommunikation mit dem wenigstens einen Parallelprozessorkern einfach.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der wenigstens eine Parallelprozessorkern ausgelegt ist, die Berechnungen der aktuellen Teilaufgaben aus dem entsprechenden Arbeitspaket zu unterbrechen, wenn ein neuer Eintrag einer Prioritätsstufe an die erste Stelle der Einträge in der Datenstruktur im Speicher gesetzt wird und die Zwischenergebnisse der Berechnungen an die Steuerungseinrichtung zu übergeben. Die Steuerungseinrichtung ist dazu ausgebildet, die Zwischenergebnisse der Berechnungen der aktuellen Teilaufgaben aus den jeweiligen Arbeitspaketen auf einer Speichereinheit zu sichern, auf die die mehreren Hauptprozessorkerne und der wenigstens eine Parallelprozessorkern zugreifen. Durch die Steuerungseinrichtung wird die Sicherung der Zwischenergebnisse der Berechnungen übersichtlich gestaltet, da die Daten zentral auf einer Speichereinheit gesichert werden, auf die sowohl die Hauptprozessorkerne und der wenigstens eine Parallelprozessorkern zugreifen können.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Prioritätenverwalter ausgelegt, die Einträge der Prioritätsstufen der mehreren Hauptprozessorkerne aus der Datenstruktur zu entfernen, wenn die Teilaufgaben aus den entsprechenden Arbeitspaketen vollständig abgearbeitet sind. Durch eine solche Ausgestaltung des Prioritätenverwalters kann der Speicher der Steuerungseinrichtung einfach aktualisiert werden.
  • Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich in Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den schemaltischen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Automatisierungssystems mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS);
    • 2 ein Schema eines Verfahrens zur Datenverarbeitung auf der SPS gemäß 1;
    • 3 ein zeitliches Ablaufschema eines Verfahrens zur Datenverarbeitung auf der SPS gemäß 1;
    • 4 ein Programmablaufdiagramm für einen Hauptprozessorkern in der in 1 gezeigten SPS; und
    • 5 ein Programmablaufdiagramm für einen Parallelprozessorkern in der in 1 gezeigten SPS.
  • Anhand der folgenden Figuren wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Datenverarbeitung auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Figuren lediglich schematischer Natur und nicht maßstabsgetreu sind. In diesem Sinne können in den Figuren gezeigte Komponenten und Bauteile zum besseren Verständnis übertrieben groß oder verkleinert dargestellt sein. Ferner wird darauf hingewiesen, dass die Bezugszeichen in den Figuren unverändert gewählt worden sind, wenn es sich um gleich ausgebildete Bauteile und/oder Komponenten und/oder Größen handelt.
  • Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) bilden häufig die Grundlage eines Automatisierungssystems und dienen zur Steuerung oder Regelung einer Anlage oder einer Maschine. Die Ansteuerung der SPS bzw. der Anlage oder der Maschine erfolgt dabei über Sensoren und Aktoren. Die Sensoren und Aktoren können über eine Kommunikationsschnittstelle mit der Maschine oder der Anlage vernetzt sein, wobei die SPS diese Kommunikationsschnittstelle nutzt, um mit den Sensoren und Aktoren zu interagieren. Die Datenverarbeitung der SPS ist meist zyklisch und erfordert von der SPS, genauer gesagt von der Steuerungsaufgabe, dass die Deadlines konsequent eingehalten werden. Es darf in diesem Zusammenhang zum Beispiel nicht vorkommen, dass zu dem Zeitpunkt zu dem die Ausgabedaten für die Aktoren benötigt werden, die Verarbeitung der Eingabedaten noch nicht abgeschlossen ist. Die Steuerungsaufgabe muss also die Echtzeitfähigkeit des Automatisierungssystems gewährleisten können.
  • Meist setzt sich die Steuerungsaufgabe der SPS aus einer oder mehreren zyklisch auszuführenden Programmen mit Aufgaben, den „Tasks“ zusammen. Da die meisten SPS Prozessoren mehrere Prozessorkerne, die zum Beispiel als Haupt- und Parallelprozessorkerne verwirklicht sein können, und/oder mehrere Prozessoren umfassen, kann die SPS die Programme mit Aufgaben (Tasks) auf mehrere Prozessorkerne und/oder mehrere Prozessoren aufteilen, um die Gesamtverarbeitungszeit der Programme mit Aufgaben zu reduzieren und die Einhaltung der Deadlines der Programme zu sichern. Werden die Aufgaben der Programme von mehreren Prozessorkernen (Hauptprozessorkerne und Parallelprozessorkerne) parallel abgearbeitet, so ist es sinnvoll, die Aufgaben der Programme für die Abarbeitung einer vorgegebenen Prioritätsstufe entsprechend klassifizieren zu können. Aus diesem Grund wird jedem Programm mit entsprechenden Aufgaben gewöhnlich eine vorgegebene Prioritätsstufe zugeteilt. Diese kann aus den Abhängigkeiten der jeweiligen Programme zu den anderen Programmen ermittelt werden, wenn die Programme beispielsweise auf die Ergebnisse der anderen Programme angewiesen sind.
  • Die Prioritätsstufe des entsprechenden Programms mit Aufgaben wird von einem Prioritätenverwalter in einer Datenstruktur organisiert. Der Prioritätenverwalter legt den Eintrag der Prioritätsstufe in der Datenstruktur ab. Sofern kein weiterer Eintrag einer Prioritätsstufe in der Datenstruktur vorhanden ist, setzt der Prioritätenverwalter die genannte Prioritätsstufe an die erste Stelle in der Datenstruktur. Der Prioritätenverwalter kann ferner dazu ausgebildet sein, die parallel arbeitenden Prozessorkerne darüber in Kenntnis zu setzen, wenn sich die Reihenfolge der Einträge der Prioritätsstufen in der Datenstruktur ändert. Beispielsweise kann sich die Reihenfolge ändern, wenn ein neuer Eintrag einer Prioritätsstufe in der Datenstruktur hinzukommt, wobei die Prioritätsstufe dann einen höheren Wert als die Prioritätsstufe des bisherigen Eintrags haben kann. In einem solchen Fall können die Parallelprozessorkerne die Abarbeitung der aktuellen Aufgaben des entsprechenden Programms unterbrechen und mit der Abarbeitung der Aufgaben beginnen, die mit einer höheren Prioritätsstufe des entsprechenden Programms korrespondieren, um dessen Deadlines einzuhalten. Die Aufgaben eines entsprechenden Programms können in mehrere Arbeitspakete mit Teilaufgaben untergliedert sein.
  • Auf den Hauptprozessorkernen wird das jeweilige Programm der Steuerungsaufgabe der SPS ausgeführt, wobei die Ausführungszeiten der Programme so festgelegt sind, dass die Hauptprozessorkerne die Teilaufgaben ohne die Unterstützung der Parallelprozessorkerne abarbeiten können. Zur Reduzierung der Ausführungszeiten der Programme können die Parallelprozessorkerne für die Abarbeitung der Teilaufgaben jedoch mit genutzt werden. Der Kern der Erfindung liegt in der Möglichkeit der parallelen Abarbeitung der Teilaufgaben durch die Hauptprozessorkerne und die Parallelprozessorkerne, um die Deadlines der jeweiligen Programme der Hauptprozessorkerne einhalten und die Echtzeitfähigkeit des Automatisierungssystems gewähren zu können. Ferner kann eine optimale Ausnutzung der Ressourcen bereitgestellt werden, indem die Hauptprozessorkerne und die Parallelprozessorkerne gemeinsam Teilaufgaben abarbeiten.
  • 1 zeigt eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 100 zur Steuerung einer Maschine bzw. Anlage 200. Die SPS 100 weist eine Kommunikationsschnittstelle 130 sowie eine Datenverarbeitungseinrichtung 110 auf. Über die Kommunikationsschnittstelle 130, die beispielweise in Form eines hardware- und/oder softwaremäßig ausgebildeten Feldbusmasters eines Feldbussystems verwirklicht sein kann, kann die SPS 100 die entsprechenden Aktoren 210 und Sensoren 220 der Maschine bzw. der Anlage 200 des Automatisierungssystems steuern, wobei die Aktoren 210 und Sensoren 220 mithilfe des Feldbussystems miteinander vernetzt sein können.
  • Um die gewünschte Betriebsweise der Maschine bzw. der Anlage 200 bereitstellen zu können, legt die Steuerungsaufgabe der SPS 100 fest, welche seitens der SPS 100 in Abhängigkeit von entsprechenden Eingangsdaten erzeugte Ausgangsdaten den Aktoren 210 zugeführt werden. Die SPS 100 erhält eine Information über den Zustand der Maschine bzw. der Anlage 200, indem sie die Messdaten der Sensoren 220 und/oder die Ist-Daten der Aktoren 210 ausliest, die entsprechend mit den Eingängen der SPS 100 verbunden sind. Die Sensoren 220 können ein elektrisches Signal zur Erfassung einer Messgröße erzeugen oder die Messgröße selbst analog oder digital aufnehmen. Die Aktoren 210 sind an die Ausgänge der SPS 100 angeschlossen und setzen die elektrischen Signale der Ausgangsdaten der SPS 100 in mechanische Bewegung oder andere physikalische Größen (zum Beispiel Temperatur, Druck, etc.) um.
  • Die dynamische Ansteuerung der Aktoren 210 kann zunächst auf dem Auslesen der aktuellen Ist-Daten der Aktoren 210 beruhen. Auf Basis der Ist-Daten der Aktoren 210 und der Messdaten der Sensoren 220 können aus den Eingabedaten die Ausgabedaten für die Aktoren 210 generiert werden. Alternativ dazu kann die Ansteuerung der Aktoren 210 aufgrund von Vorgaben, zum Beispiel anhand von Bewegungsprofilen, erfolgen.
  • Die Datenverarbeitungseinrichtung 110 umfasst mehrere Prozessorkerne, wobei in 1 beispielsweise ein erster Hauptprozessorkern 111 und ein zweiter Hauptprozessorkern 112 sowie ein erster Parallelprozessorkern 113 und ein zweiter Parallelprozessorkern 114 gezeigt sind. Ebenso denkbar ist eine Ausgestaltung, in der die Datenverarbeitungseinrichtung 110 eine dazu abweichende Anzahl an Hauptprozessorkernen und/oder Parallelprozessorkernen aufweist. Der Vorteil an der Ausgestaltung der Datenverarbeitungseinrichtung 110 mit einem ersten Hauptprozessorkern 111 und einem zweiten Hauptprozessorkern 112 sowie einem ersten Parallelprozessorkern 113 und einem zweiten Parallelprozessorkern 114 liegt darin, dass die abzuarbeitenden Teilaufgaben der jeweiligen Programme der Steuerungsaufgabe der SPS 100 gemäß der folgenden Beschreibung auf die beiden Hauptprozessorkerne 111, 112 und die beiden Parallelprozessorkerne 113, 114 verteilt werden können. Dadurch ist es möglich die Rechenzeit zu reduzieren und zusätzlich eine optimale Auslastung der Ressourcen zu gewähren.
  • Dem ersten Hauptprozessorkern 111 und dem zweiten Hauptprozessorkern 112 ist jeweils das ausführbare Programm der Steuerungsaufgabe zugeordnet, wobei der erste Parallelprozessorkern 113 und der zweite Parallelprozessorkern 114 wie oben genannt unterstützend bei der Abarbeitung der Teilaufgaben, in den entsprechenden Programmen des ersten und zweiten Hauptprozessorkerns 111, 112, mitwirken können. Die Steuerungsaufgabe kann beispielsweise aus einem innerhalb der SPS 100 ausgeführten Programmzyklus bestehen, wobei der Programmzyklus den Empfang der Eingabedaten (die Messdaten der Sensoren 220 und die aktuellen Ist-Daten der Aktoren 210), die Verarbeitung der Eingabedaten zu Ausgabedaten für die Aktoren 210 und die Ausgabe der Ausgabedaten für die Aktoren 210 umfasst. Nach der erfolgten Verarbeitung, also dem Ende des Programmzyklus, beginnt der Programmzyklus der Steuerungsaufgabe von neuem.
  • Im Unterschied zum erfindungsgemäßen Programmzyklus der Steuerungsaufgabe, umfasst ein Feldbuszyklus neben den oben genannten Schritten des Programmzyklus, des Weiteren die Übermittlung der Eingabedaten der Sensoren 220 bzw. Aktoren 210 über den Feldbus an die SPS 100. Die Ausgabedaten, die im Programmzyklus innerhalb der SPS 100 generiert wurden, werden in dem Feldbuszyklus ferner über den Feldbus an die Aktoren 210 übertragen, damit die Aktoren 210 entsprechend der empfangenen Ausgabedaten handeln können.
  • Werden die Teilaufgaben von einem Hauptprozessorkern und mehreren Parallelprozessorkernen parallel abgearbeitet, so können die Teilaufgaben einem parallelen Bearbeitungsabschnitt in dem Programm des ersten Hauptprozessorkerns 111 bzw. in dem Programm des zweiten Hauptprozessorkerns 112 zugeordnet werden. Den parallelen Bearbeitungsabschnitten in den entsprechenden Programmen des ersten Hauptprozessorkerns 111 und des zweiten Hauptprozessorkerns 112 kann eine Priorität mit einer vorgegebenen ersten Prioritätsstufe und einer vorgegebenen zweiten Prioritätsstufe zugewiesen sein, wobei die erste Prioritätsstufe und die zweite Prioritätsstufe von einem Prioritätenverwalter 350 einer Steuerungseinrichtung 120 organisiert werden. Der Prioritätenverwalter 350 dient in erster Linie zum Verwalten der ersten und zweiten Prioritätsstufe in der Datenstruktur. Ferner kann der Prioritätenverwalter 350 dazu ausgelegt sein, den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 über eine Änderung in der Reihenfolge der Einträge der Prioritätsstufen in der Datenstruktur zu informieren.
  • Der Prioritätenverwalter 350 kann auf dem ersten Hauptprozessorkern 111 und/oder dem zweiten Hauptprozessorkern 112 ausgeführt werden. Ebenfalls denkbar ist es, den Prioritätenverwalter 350 als eigenständiges Modul zu verwirklichen, auf den der erste Parallelprozessorkern 113 und der zweite Parallelprozessorkern 114 zugreifen können, um den ersten Hauptprozessorkern 111 und den zweiten Hauptprozessorkern 112 bei der Abarbeitung der Teilaufgaben zu unterstützen.
  • In den parallelen Bearbeitungsabschnitten in den Programmen des ersten Hauptprozessorkerns 111 und des zweiten Hauptprozessorkerns 112 werden zudem ein erstes Arbeitspaket und ein zweites Arbeitspaket erstellt. Das erste Arbeitspaket umfasst eine erste Menge an Teilaufgaben und das zweite Arbeitspaket umfasst eine zweite Menge an Teilaufgaben. Die erste Menge an Teilaufgaben und die zweite Menge an Teilaufgaben können von dem ersten Hauptprozessorkern 111 und dem zweiten Hauptprozessorkern 112 bzw. dem ersten Parallelprozessorkern 113 und dem zweiten Parallelprozessorkern 114 entsprechend der ersten und zweiten Prioritätsstufe des zugehörigen parallelen Bearbeitungsabschnitts abgearbeitet werden.
  • Weiterhin denkbar ist, dass mehrere Programme der Steuerungsaufgabe auf einem einzigen Hauptprozessorkern 111, 112 ausgeführt werden können. Die Teilaufgaben aus den entsprechenden Arbeitspaketen der jeweiligen Programme werden einer sequentiellen Prioritätsstufe entsprechend auf dem einen Hauptprozessorkern 111, 112 abgearbeitet. Die sequentielle Prioritätsstufe der Programme kann sich von der Prioritätsstufe der den jeweiligen Programmen zugeordneten parallelen Bearbeitungsabschnitte unterscheiden. Beispielsweise ist es dadurch möglich, dass Teilaufgaben eines Arbeitspakets eines entsprechenden Programms auf den Parallelprozessorkernen 113, 114 ausgeführt werden und gleichzeitig können Teilaufgaben aus diesem Arbeitspaket von dem einen Hauptprozessorkern 111, 112 sequentiell abgearbeitet werden. Falls die sequentielle Abarbeitung der Teilaufgaben des entsprechenden Arbeitspakets durch ein höher priorisiertes Programm auf dem einen Hauptprozessorkern 111, 112 unterbrochen wird, können die Teilaufgaben des entsprechenden Arbeitspakets dennoch weiter parallel von den Parallelprozessorkernen 113, 114 abgearbeitet werden, da den parallelen Bearbeitungsabschnitten in den entsprechenden Programmen eine zur sequentiellen Prioritätsstufe separate Prioritätsstufe zugewiesen sein kann. Folglich kann eine Verdrängung der aktuellen Teilaufgaben durch höher priorisierte andere Teilaufgaben nicht nur im Fall der parallelen Abarbeitung der Teilaufgaben auf den Parallelprozessorkernen 113, 114, sondern auch im Fall einer sequentiellen Abarbeitung der Teilaufgaben auf dem einen Hauptprozessorkern 111, 112 erfolgen.
  • 2 zeigt eine schematische Struktur eines Verfahrens 300 zur Datenverarbeitung auf der SPS mit der in 1 gezeigten Ausführungsform. Die von dem ersten Hauptprozessorkern 111 und dem zweiten Hauptprozessorkern 112 auszuführenden Programme der Steuerungsaufgabe weisen jeweils den parallelen Bearbeitungsabschnitt auf. Der Pfeil mit dem Bezugszeichen 500 stellt das Erstellen des ersten Arbeitspakets 305 zu Beginn des parallelen Bearbeitungsabschnitts des ersten Hauptprozessorkerns 111 dar. Das erste Arbeitspaket 305 umfasst die erste Menge an Teilaufgaben 320, die im dargestellten Beispiel aus einer ersten Teilaufgabe 321, einer zweiten Teilaufgabe 322, einer dritten Teilaufgabe 323 und einer vierten Teilaufgabe 324 besteht. Das erste Arbeitspaket 305 umfasst ferner die Referenz auf die erste Prioritätsstufe 340 des parallelen Bearbeitungsabschnitts des ersten Hauptprozessorkerns 111. Das Übergeben der Referenz auf die erste Prioritätsstufe 340 des parallelen Bearbeitungsabschnitts des ersten Hauptprozessorkerns 111 an den Prioritätenverwalter 350 wird mithilfe des Pfeils mit dem Bezugszeichen 505 verdeutlicht. Der Prioritätenverwalter 350 fügt die erste Prioritätsstufe 340 in eine Datenstruktur 355 ein und speichert die Datenstruktur 355 im Speicher der Steuerungseinrichtung, der im Folgenden Datenstrukturspeicher genannt wird und in den Figuren nicht gezeigt ist. Besitzt die Datenstruktur 355 keine Einträge, so fügt der Prioritätenverwalter 350 die Referenz auf die erste Prioritätsstufe 340 an die erste Stelle der Einträge der Prioritätsstufen in der Datenstruktur 355 ein.
  • Die Pfeile mit den Bezugszeichen 510, 515 zeigen das Anfragen des ersten und des zweiten Parallelprozessorkerns 113, 114 beim Prioritätenverwalter 350 an, welcher Eintrag der Prioritätsstufen an der ersten Stelle der Einträge in der Datenstruktur 355 steht. Beispielsweise kann der erste Eintrag der Prioritätsstufe in der Datenstruktur 355 die Referenz auf die erste Prioritätsstufe 340 des ersten Hauptprozessorkerns 111 sein. Da sich die erste Prioritätsstufe 340 auf den parallelen Bearbeitungsabschnitt des ersten Hauptprozessorkerns 111 bezieht, greifen der erste Parallelprozessorkern 113 und der zweite Parallelprozessorkern 114 auf das dazu korrespondierende erste Arbeitspaket 305 zu. Der Zugriff des ersten und zweiten Parallelprozessorkerns 113, 114 auf das erste Arbeitspaket 305 wird mit den Pfeilen mit den Bezugszeichen 520, 525 angezeigt. Der erste Parallelprozessorkern 113 kann beispielsweise beim ersten Arbeitspaket 305 anfragen, ob es eine freie erste bis vierte Teilaufgabe 321-324 gibt, die noch nicht anderweitig verteilt wurde. Die Anfrage des ersten Parallelprozessorkerns wird mithilfe des Pfeils mit dem Bezugszeichen 520 angezeigt. Beispielsweise kann dies die erste Teilaufgabe 321 sein, die der erste Parallelprozessorkern 113 zur Abarbeitung zugeteilt bekommt. Die erste Teilaufgabe 321 steht dann für die Verteilung vorerst nicht mehr zur Verfügung, um eine Mehrfachvergabe derselben Teilaufgabe vermeiden zu können. Dem zweiten Parallelprozessorkern 114 kann auf diese Weise zum Beispiel die zweite Teilaufgabe 322 zugewiesen werden. Der erste Hauptprozessorkern 111 kann während des parallelen Bearbeitungsabschnitts im Programm auch sequentiell Teilaufgaben abarbeiten, demnach fragt er ebenfalls beim ersten Arbeitspaket 305 nach einer freien ersten bis vierten Teilaufgabe 321-324 zur Abarbeitung an. Die Anfrage des ersten Hauptprozessorkerns 111 wird über den Pfeil mit dem Bezugszeichen 530 dargestellt. Beispielsweise kann ihm die dritte Teilaufgabe 323 zugeteilt werden.
  • Sobald der erste Hauptprozessorkern 111 oder einer der beiden Parallelprozessorkerne 113, 114 ihre erste bis dritte Teilaufgabe 321-323 vollständig abgearbeitet haben, kann die verbleibende vierte Teilaufgabe 324 wie oben beschrieben zugeteilt werden. Es wurde ein Ausführungsbeispiel für die Verteilung der ersten bis vierten Teilaufgabe 321-324 auf den ersten Hauptprozessorkern 111 und den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 gegeben. Ebenfalls denkbar ist es die erste bis vierte Teilaufgabe 321-324 anderweitig auf den ersten Hauptprozessorkern 111 und den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 aufzuteilen.
  • Gelangt der zweite Hauptprozessorkern 112 an seinen parallelen Bearbeitungsabschnitt in seinem Programm, so erstellt er das zweite Arbeitspaket 310 mit der zweiten Menge an Teilaufgaben 330, die im dargestellten Beispiel aus einer fünften Teilaufgabe 331, einer sechsten Teilaufgabe 332 und einer siebten Teilaufgabe 333 besteht. Das Erstellen des zweiten Arbeitspakets 310 vom zweiten Hauptprozessorkern 112 ist mithilfe des Pfeils mit dem Bezugszeichen 535 visualisiert. Ferner umfasst das zweite Arbeitspaket 310 die Referenz auf die zweite Prioritätsstufe 345 des parallelen Bearbeitungsabschnitts im Programm des zweiten Hauptprozessorkerns 112. Die Referenz auf die zweite Prioritätsstufe 345 übergibt er zweite Hauptprozessorkern 112 ferner dem Prioritätenverwalter 350. Das Übergeben der Referenz auf die zweite Prioritätsstufe wird mit dem Pfeil mit dem Bezugszeichen 540 dargestellt. Der Prioritätenverwalter 350 ordnet die Referenz auf die zweite Prioritätsstufe 345 ihrem Wert entsprechend an die zweite Stelle der Einträge der Prioritätsstufen in die Datenstruktur 355 oder an die erste Stelle der Einträge der Prioritätsstufen in die Datenstruktur 355 ein. Befand sich vorher bereits ein anderer Eintrag an der ersten Stelle der Einträge der Prioritätsstufen in der Datenstruktur 355, so wird dieser, für den Fall, dass die erste Prioritätsstufe 340 niedriger ist als die zweite Prioritätsstufe 345 des neuen Eintrags, vom Prioritätenverwalter 350 an die zweite Stelle der Einträge der Prioritätsstufen in der Datenstruktur 355 gesetzt und die Einträge der Datenstruktur 355 im Datenstrukturspeicher gesichert.
  • Ändert sich die Reihenfolge der Einträge der Prioritätsstufen in der Datenstruktur 355, so informiert der Prioritätenverwalter 350 den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 darüber. Der Vorgang geht mit dem Unterbrechen der aktuell von dem ersten Parallelprozessorkern 113 und/oder dem zweiten Parallelprozessorkern 114 bearbeiteten ersten, zweiten und gegebenenfalls vierten Teilaufgabe 321, 322, 324 aus der ersten Menge an Teilaufgaben 320 einher. Die Zwischenergebnisse der Berechnungen können an die in 1 dargestellte Steuerungseinrichtung 120 übergeben werden und auf einer nicht dargestellten Speichereinheit, die im Folgenden als Zwischenergebnisspeichereinheit bezeichnet wird, gesichert werden. Auf die Zwischenergebnisspeichereinheit können sowohl der erste und zweite Hauptprozessorkern 111, 112 als auch der erste und zweite Parallelprozessorkern 113, 114 zugreifen, falls die Bearbeitung der unterbrochenen ersten, zweiten und gegebenenfalls vierten Teilaufgabe 321, 322, 324 auf den Parallelprozessorkernen 113, 114 fortgeführt werden soll.
  • Während der erste Hauptprozessorkern 111 die dritte Teilaufgabe 323 aus der ersten Menge an Teilaufgaben 320 des ersten Arbeitspakets 305 weiter sequentiell abarbeitet, so fragen der erste Parallelprozessorkern 113 und der zweite Parallelprozessorkern 114 sowie der zweite Hauptprozessorkern 112 beim zweiten Arbeitspaket 310 nach der fünften bis siebten Teilaufgaben 331-333 aus der zweiten Menge an Teilaufgaben 330 an. Die Anfragen der jeweiligen Prozessorkerne sind mithilfe der drei Pfeile mit den Bezugszeichen 545, 550, 555 dargestellt. Beispielsweise kann die fünfte Teilaufgabe 331 dem ersten Parallelprozessorkern 113 und die siebte Teilaufgabe 333 dem zweiten Parallelprozessorkern 114 zugeteilt werden. Die sechste Teilaufgabe 332 kann vom zweiten Hauptprozessorkern 112 währenddessen sequentiell abgearbeitet werden. Für die Verteilung der fünften bis siebten Teilaufgabe 331-333 auf den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 und den zweiten Hauptprozessorkern 112 ist ebenso eine vom dargestellten Beispiel abweichende Aufteilung der fünften bis siebten Teilaufgabe 331-333 denkbar.
  • Ist die fünfte, sechste und siebte Teilaufgabe 331, 332, 333 von den oben beschriebenen Prozessorkernen aus der zweiten Menge an Teilaufgaben 330 gänzlich erledigt, so meldet das entsprechende zweite Arbeitspaket 310 dies an den Prioritätenverwalter 350, damit der Prioritätenverwalter 350 die entsprechende Referenz auf die zweite Prioritätsstufe 345 aus den Einträgen der Prioritätsstufen in der Datenstruktur 355 entfernt. Nachdem die fünfte und/oder sechste und/oder siebte Teilaufgabe 331, 332, 333 vollständig von den beiden Parallelprozessorkernen 113, 114 und dem zweiten Hauptprozessorkern 112 abgearbeitet wurden, können die unterbrochene erste und/oder zweite Teilaufgabe 321, 322 auf den beiden Parallelprozessorkernen 113, 114 weiter abgearbeitet werden. Die Verteilung der ersten und zweiten Teilaufgabe 321, 322 auf den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 kann dabei beispielsweise analog zum beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgen, d.h. der erste Parallelprozessorkern 113 bekommt die erste Teilaufgabe 321 und der zweite Parallelprozessorkern 114 die Teilaufgabe 322 vom ersten Arbeitspaket 305 zugeteilt. Die beiden Parallelprozessorkerne 113, 114 greifen auf die Zwischenergebnisspeichereinheit zu, um die Zwischenergebnisse der ersten und zweiten Teilaufgabe 321, 322 für die weitere Abarbeitung der genannten Teilaufgaben nutzen zu können.
  • Da der erste Hauptprozessorkern 111 die dritte Teilaufgabe 323 des ersten Arbeitspakets 305 weiter abgearbeitet hat, während der erste Parallelprozessorkern 113 die fünfte Teilaufgabe 331 und der zweite Parallelprozessorkern 114 die siebte Teilaufgabe 333 aus dem zweiten Arbeitspaket 310 abgearbeitet hat, ist es möglich, dass der erste Hauptprozessorkern 111 in der Zeit, in der die Parallelprozessorkerne 113, 114 ihre zugeteilte fünfte und siebte Teilaufgabe 331, 333 gänzlich abarbeiten, auch der erste Hauptprozessorkern 111 die Abarbeitung der dritten Teilaufgabe 323 vollständig abschließt. Danach kann der erste Hauptprozessorkern 111 beim ersten Arbeitspaket 305 nach der verbleibenden vierten Teilaufgabe 324 anfragen und diese abarbeiten, während die Parallelprozessorkerne 113, 114 die Abarbeitung der ersten und zweiten Teilaufgabe 321, 322 wieder aufnehmen. Die Anfrage des ersten Hauptprozessorkerns 111 beim ersten Arbeitspaket 305 wird über den Pfeil mit dem Bezugszeichen 520 angezeigt.
  • Ist die erste, zweite und vierte Teilaufgabe 321, 322, 324 vollständig von dem ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 sowie dem ersten Hauptprozessorkern 111 abgearbeitet worden (sowie die dritte Teilaufgabe 323 vom ersten Hauptprozessorkern 111 fertiggestellt worden), so meldet das zugehörige erste Arbeitspaket 305 die Erledigung der ersten, zweiten und vierten Teilaufgabe 321, 322, 324 (sowie dritte Teilaufgabe 323) an den Prioritätenverwalter 350, damit dieser die Referenz auf die erste Prioritätsstufe 340 aus den Einträgen der Prioritätsstufen in der Datenstruktur 355 entfernt. Denkbar ist weiterhin, dass der Prioritätenverwalter 350 selbst bei dem ersten und zweiten Arbeitspaket 305, 310 anfragt, ob noch erste bis siebte Teilaufgaben 321-324, 331-333 aus der ersten und zweiten Menge an Teilaufgaben 320, 330 zur Erledigung bereitstehen, und dann gegebenenfalls die entsprechende Referenz auf die erste und zweite Prioritätsstufe 340, 345 aus der Datenstruktur 355 im Datenstrukturspeicher entfernt.
  • Durch die Verteilung einzelner erster bis siebter Teilaufgaben 321-324, 331-333 auf den ersten und zweiten Hauptprozessorkern 111, 112 und den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 kann die Gesamtbearbeitungszeit der ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 reduziert und die Rechenkapazität optimal ausgenutzt werden. Ferner können Deadlines der Programme eingehalten und die Echtzeitfähigkeit der Steuerungsaufgabe gewährleistet werden, indem die erste und zweite Prioritätsstufe 340, 345 der jeweiligen parallelen Bearbeitungsabschnitte der Programme des ersten und zweiten Hauptprozessorkerns 111, 112 berücksichtigt werden. Denn mithilfe der ersten und zweiten Prioritätsstufe 340, 345 kann die Abarbeitung der ersten bis vierten Teilaufgabe 321-324, aus der ersten Menge an Teilaufgaben 320 zugunsten anderer fünfter bis siebter Teilaufgaben 331-333 aus der zweiten Menge an Teilaufgaben 330 unterbrochen werden, falls diesen eine höhere zweite Prioritätsstufe 345 zugeordnet ist. Ebenso denkbar ist, dass die Abarbeitung der fünften bis siebten Teilaufgabe 331-333 aus der zweiten Menge an Teilaufgaben mit der zweiten Prioritätsstufe 345 aufgrund der höher priorisierten ersten Menge an Teilaufgaben 320 mit der ersten bis vierten Teilaufgabe 321-324 und der ersten Prioritätsstufe unterbrochen wird. Unterbrochene erste bis siebte Teilaufgaben 321-324, 331-333 aus der ersten und zweiten Menge an Teilaufgaben 320, 330 können weiter abgearbeitet werden. Denn die Referenz auf den ersten und zweiten Prioritätsstufeneintrag 340, 345 bleibt in der Datenstruktur 355 im Datenstrukturspeicher erhalten, so lange die entsprechenden ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 aus der ersten und zweiten Menge an Teilaufgaben 320, 330 des ersten und zweiten Arbeitspakets 305, 310 nicht vollständig abgearbeitet worden sind.
  • In einer Ausgestaltung kann der Prioritätenverwalter 350 den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 aktiv über die Änderung des ersten Eintrags der ersten oder zweiten Prioritätsstufe 340, 345 in der Datenstruktur 355 informieren.
  • Damit können der erste und der zweite Parallelprozessorkern 113, 114 jeweils direkt beim entsprechenden ersten oder zweiten Arbeitspaket 305, 310 nach einer freien ersten bis siebten Teilaufgabe 321-324, 331-333 anfragen und frühzeitig mit deren Abarbeitung beginnen. Die Anfragen der jeweiligen Prozessorkerne sind mithilfe der Bezugszeichen 520, 525, 545, 550 dargestellt. Auch kann der Prioritätenverwalter 350 dahingehend ausgestaltet sein, dass der erste und zweite Parallelprozessorkern 113, 114 selbst aktiv beim Prioritätenverwalter 350 anfragen, ob es eine Änderung in der Reihenfolge der Einträge der ersten und zweiten Prioritätsstufe 340, 345 gibt. Das Anfragen des ersten und zweiten Parallelprozessorkerns 113, 114 ist mithilfe der beiden Pfeile mit den Bezugszeichen 510, 515 angedeutet.
  • Denkbar ist weiterhin, dass die Anfragen des ersten und zweiten Hauptprozessorkerns 111, 112 und des ersten und zweiten Parallelprozessorkerns 113, 114 an das erste oder zweite Arbeitspaket 305, 310 von einer zentralen Einrichtung gesteuert werden. Die Anfragen der jeweiligen Prozessorkerne sind mithilfe der Pfeile mit den Bezugszeichen 520, 525, 530, 545, 550, 555 dargestellt. Die zentrale Einrichtung kann des Weiteren die Aufgabenverteilung der ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 aus der ersten und zweiten Menge an Teilaufgaben 320, 330 des ersten und zweiten Arbeitspakets 305, 310 steuern. Ferner kann die zentrale Einrichtung dafür Sorge tragen, dass die Meldung der Erledigung aller ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 aus der ersten und zweiten Menge an Teilaufgaben 320, 330 des ersten und zweiten Arbeitspakets 305, 310 an den Prioritätenverwalter 350 geleitet wird.
  • Haben die erste und zweite Prioritätsstufe 340, 345 der entsprechenden parallelen Bearbeitungsabschnitte in den Programmen der ersten und zweiten Hauptprozessorkerne 111, 112 den gleichen Wert, so können sich der erste und zweite Hauptprozessorkern 111, 112 den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 für die parallelisierte Ausführung 360 der ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 teilen.
  • 3 zeigt ein zeitliches Ablaufschema eines Verfahrens 300 gemäß 2. 3 veranschaulicht die Echtzeitdatenverarbeitung der in 1 dargestellten SPS 100 auf dem ersten und zweiten Hauptprozessorkern 111, 112 und dem ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114. Die Echtzeitdatenverarbeitung stellt den Kern der Erfindung dar und wird über die vier Zeitachsen visualisiert, die die Ausführung der jeweiligen Programme der Steuerungsaufgabe auf dem ersten und zweiten Hauptprozessorkern 111, 112 und dem ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 veranschaulichen.
  • Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass die Ausführungszeiten der Programme des ersten und zweiten Hauptprozessorkerns 111, 112 so festgelegt sind, dass der erste und zweite Hauptprozessorkern 111, 112 in der Lage sind, die ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 aus dem ersten und zweiten Arbeitspaket 305, 310 ohne die Unterstützung des ersten und/oder zweiten Parallelprozessorkerns 113, 114 sequentiell abzuarbeiten. Damit die vorhandenen Ressourcen jedoch optimal ausgenutzt und die Gesamtausführungszeit der ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 in den jeweiligen Programmen der Steuerungsaufgabe reduziert werden, können die ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 ebenfalls auf den ersten und/oder zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 aufgeteilt werden, wobei der erste und zweite Hauptprozessorkern 111, 112 weiterhin sequentiell an der Abarbeitung der ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331- 333 beteiligt sind. Zudem ist es mithilfe der Parallelisierung für die am höchsten priorisierten Programme der jeweiligen Hauptprozessorkerne 111, 112 möglich, die kürzere Ausführungszeit der entsprechenden Programme durch die Parallelisierung einzuplanen, und auf diese Weise eine Deadline, die kleiner als eine rein sequentielle Ausführungszeit der Programme ist, einzuhalten.
  • Die beiden vertikalen Balken zu Beginn der oberen beiden Zeitachsen in 3 markieren den Start 301 der jeweiligen Ausführung der Programme auf dem ersten Hauptprozessorkern 111 und dem zweiten Hauptprozessorkern 112. Diese Balken sind zur besseren Vergleichbarkeit in die unteren beiden Zeitachsen für den ersten Parallelprozessorkern 113 und den zweiten Parallelprozessorkern 114 ebenfalls mit eingezeichnet, um den Start 301 der Ausführung der Programme anzuzeigen. Der erste Hauptprozessorkern 111 und der zweite Hauptprozessorkern 112 arbeiten nach dem entsprechenden Start 301 der Ausführung der Programme beispielsweise jeweils Aufgaben sequentiell 365 ab, während der erste Parallelprozessorkern 113 und der zweite Parallelprozessorkern 114 zunächst keine Berechnungen durchführen (gestrichelte horizontale Linie in den unteren beiden Zeitachsen).
  • Der zweite vertikale Balken mit dem Bezugszeichen 304 in der obersten Zeitachse in 3 zeigt an, dass das Programm des ersten Hauptprozessorkerns 111 nun in den parallelen Bearbeitungsabschnitt 303 gelangt. Daraufhin erstellt der erste Hauptprozessorkern 111 das erste Arbeitspaket 305, das die erste Menge an Teilaufgaben 320 enthält und die Referenz auf die erste Prioritätsstufe 340 des parallelen Bearbeitungsabschnitts 303 des ersten Hauptprozessorkerns 111 beinhaltet. Das Erstellen des ersten Arbeitspakets 305 vom ersten Hauptprozessorkern 111 wird mithilfe des Pfeils mit dem Bezugszeichen 500 dargestellt. Der erste Hauptprozessorkern 111 kann die Referenz auf die erste Prioritätsstufe 340 des parallelen Bearbeitungsabschnitts 303 des ersten Hauptprozessorkerns 111 über den in 2 dargestellten Prioritätenverwalter 350 an den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 übergeben. Die Übergabe der Referenz der ersten Prioritätsstufe 340 an den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 wird anhand der Pfeile mit den Bezugszeichen 560 visualisiert. Der Prioritätenverwalter 350 trägt die Referenz der ersten Prioritätsstufe 340 entsprechend ihrer Prioritätsstufe als Eintrag in die Datenstruktur im Datenstrukturspeicher ein. Direkt unterhalb der beiden oberen Zeitachsen für die jeweiligen Ausführungen der Programme auf dem ersten Hauptprozessorkern 111 und dem zweiten Hauptprozessorkern 112 in 3 sind die entsprechenden Einträge der ersten Prioritätsstufe 340 der Datenstruktur im Zeitverlauf dargestellt.
  • Der erste Parallelprozessorkern 113 und der zweite Parallelprozessorkern 114 fragen beim ersten Arbeitspaket 305 jeweils nach einer freien ersten bis vierten Teilaufgabe 321-324 an, wie bereits oben im Zusammenhang mit 2 beschrieben. Die Anfrage des ersten und zweiten Parallelprozessorkerns 113, 114 wird mithilfe der beiden Pfeile mit den Bezugszeichen 520, 525 angezeigt. Beispielsweise kann der erste Parallelprozessorkern 113 die erste Teilaufgabe 321 für die Abarbeitung zugeteilt bekommen. Die erste Teilaufgabe 321 steht dann für die Verteilung vorerst nicht mehr zur Verfügung, um eine Mehrfachvergabe derselben Teilaufgabe vermeiden zu können. Dem zweiten Parallelprozessorkern 114 kann auf diese Weise zum Beispiel die zweite Teilaufgabe 322 zugewiesen werden. Der erste Hauptprozessorkern 111 arbeitet währenddessen sequentiell 365 und kann beispielsweise die dritte Teilaufgabe 323 zur Abarbeitung zugeteilt erhalten. Der zweite Hauptprozessorkern 112 kann in der Zeit weiterhin sequentiell 365 Aufgaben abarbeiten, die keine Parallelisierung erfordern und folglich nicht in dem ersten oder dem zweiten Arbeitspaket 305, 310 enthalten sind.
  • Der dritte vertikale Balken mit dem Bezugszeichen 306 der zweiten Zeitachse in 3 indiziert den Beginn des parallelen Bearbeitungsabschnitts 303 des zweiten Hauptprozessorkerns 112. Mit einem durchgezogenen Pfeil 535 ist das vom zweiten Hauptprozessorkern 112 erstellte zweite Arbeitspaket 310 angedeutet. Dieses weist die zweite Menge an Teilaufgaben 330 auf und beinhaltet die Referenz auf die zweite Prioritätsstufe 345 des parallelen Bearbeitungsabschnitts 303 des zweiten Hauptprozessorkerns 112. Wie oben beschrieben, kann die Referenz auf die zweite Prioritätsstufe 345 über den in 2 dargestellten Prioritätenverwalter 350 an den ersten Parallelprozessorkern 113 und den zweiten Parallelprozessorkern 114 übergeben und in der Datenstruktur 355 im Datenstrukturspeicher gesichert werden. Das Übergeben der Referenz auf die zweite Prioritätsstufe 345 an den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 wird mit den beiden Pfeilen mit den Bezugszeichen 565 dargestellt. Beispielsweise kann die zweite Prioritätsstufe 345 des parallelen Bearbeitungsabschnitts 303 des zweiten Hauptprozessorkerns 112 höher sein, als die erste Prioritätsstufe 340 des parallelen Bearbeitungsabschnitts 303 im Programm des ersten Hauptprozessorkerns 111. Der Prioritätenverwalter kann daraufhin die Reihenfolge der Einträge in der Datenstruktur ändern, sodass die zweite Prioritätsstufe 345 an die erste Stelle der Einträge der Prioritätsstufen gesetzt wird und kann weiterhin den ersten Parallelprozessorkern 113 und den zweiten Parallelprozessorkern 114 über die Änderung der Reihenfolge der Einträge der Prioritätsstufen informieren. Die Einträge der zweiten Prioritätsstufe 345 und der ersten Prioritätsstufe 340 der Datenstruktur sind unterhalb der oberen beiden Zeitachsen in 3 gezeigt.
  • Die zuvor von dem ersten Parallelprozessorkern 113 und dem zweiten Parallelprozessorkern 114 bearbeiteten ersten und zweiten Teilaufgaben 321, 322 werden aus diesem Grund unterbrochen. Die Zwischenergebnisse der Berechnungen können an die in 1 dargestellte Steuerungseinrichtung 120 übergeben werden und auf der Zwischenergebnisspeichereinheit gesichert werden, falls die unterbrochenen ersten und zweiten Teilaufgaben 321, 322 mit den bisherigen Zwischenergebnissen weiter bearbeitet werden sollen. Ferner besteht die Möglichkeit, die Zwischenergebnisse nicht zu sichern. Dies erfordert jedoch eine erneute Berechnung der ersten und zweiten Teilaufgabe 321, 322 nach deren Abbruch. Weiterhin ist denkbar, die erste und zweite Teilaufgaben 321, 322 bis zu einem vorgegebenen Unterbrechungspunkt weiter zu bearbeiten und die Abarbeitung dann zu unterbrechen. Beispielsweise kann der Unterbrechungspunkt in einer Kontrollstruktur in der ersten und zweiten Teilaufgabe 321, 322 des ersten Arbeitspakets 305 gesetzt sein. Der Unterbrechungspunkt kann zum Beispiel zu Beginn oder am Ende eines Durchlaufs der Kontrollstruktur gesetzt sein. Die Festlegung hat den Vorteil, dass nur die aktuelle Iteration der Kontrollstruktur, bei der es sich beispielsweise um eine Schleife handeln kann, und gegebenenfalls vorhandene Zwischenergebnisse gesichert werden müssen.
  • Der erste Parallelprozessorkern 113 und der zweite Parallelprozessorkern 114 fragen nun wie oben beschrieben beim zweiten Arbeitspaket 310 jeweils nach einer der unbearbeiteten fünften bis siebten Teilaufgaben 331-333 an. Die Anfrage des ersten und zweiten Parallelprozessorkerns 113, 114 ist mithilfe der beiden Pfeile mit den Bezugszeichen 545, 550 dargestellt. Beispielsweise wird dem ersten Parallelprozessorkern 113 die fünfte Teilaufgabe 331 und dem zweiten Parallelprozessorkern 114 die siebte Teilaufgabe 333 zugeteilt. Währenddessen kann zum Beispiel der erste Hauptprozessorkern 111 weiterhin die dritte Teilaufgabe 323 abarbeiten und der zweite Hauptprozessorkern 112 kann auf diese Weise die sechste Teilaufgabe 332 zur sequentiellen Abarbeitung 365 erhalten. Sobald der erste Hauptprozessorkern 111 die dritte Teilaufgabe 323 vollständig abgearbeitet hat, kann er beispielsweise mit der Abarbeitung der vierten Teilaufgabe 324 beginnen, unabhängig davon, dass die zugehörige erste Prioritätsstufe 340 nicht an erster Stelle der Einträge der Prioritätsstufen in der Datenstruktur steht, da diese Reihenfolge der Einträge der Prioritätsstufen nur für die beiden Parallelprozessorkerne 113, 114 relevant ist. Alternativ dazu kann der erste Hauptprozessorkern 111 nach der Fertigstellung der Bearbeitung der dritten Teilaufgabe 323 gegebenenfalls auch eine der zuvor unterbrochenen ersten oder zweiten Teilaufgabe 321, 322 abarbeiten.
    Ist die fünfte bis siebte Teilaufgabe 331-333 des zweiten Arbeitspakets 310 am Ende des parallelen Bearbeitungsabschnitts 303 im Programm des zweiten Hauptprozessorkerns 112 vollständig von den oben genannten Prozessorkernen 112, 113, 114 abgearbeitet, so entfernt der Prioritätenverwalter den Eintrag der zweiten Prioritätsstufe 345 aus der Datenstruktur im Datenstrukturspeicher. Gleichzeitig setzt der Prioritätenverwalter den Eintrag der ersten Prioritätsstufe 340 wieder zurück an die erste Stelle in der Datenstruktur und informiert den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 über die Änderung der Einträge der Prioritätsstufen in der Datenstruktur. Die Einträge der zweiten Prioritätsstufe 345 und/oder der ersten Prioritätsstufe 340 der Datenstruktur sind, wie bereits oben beschrieben, unterhalb der oberen beiden Zeitachsen in 3 zu sehen.
  • Der vierte vertikale Balken mit dem Bezugszeichen 307 der Zeitachse des zweiten Hauptprozessorkerns 112 in 3 zeigt beispielsweise das Ende des parallelen Bearbeitungsabschnitts 303 im Programm des zweiten Hauptprozessorkerns 112 an, d.h. alle Teilaufgaben des zweiten Arbeitspakets 310 wurden abgearbeitet und die zweite Prioritätsstufe 345 wird aus der Datenstruktur entfernt. Dadurch ist die erste Prioritätsstufe 340 des ersten Arbeitspakets 305 wieder an erster Stelle der Einträge in der Datenstruktur, weshalb der erste und zweite Parallelprozessorkern 113, 114 erneut auf das erste Arbeitspaket 305 und die darin enthaltenen ersten bis vierten Teilaufgaben 321-324 zugreifen. Der Zugriff des ersten und zweiten Parallelprozessorkerns 113, 114 auf das erste Arbeitspaket 305 ist durch die beiden Pfeile mit den Bezugszeichen 570, 575 dargestellt. Beispielsweise kann die Zuordnung der Teilaufgaben auf die beiden Parallelprozessorkerne 113, 114 unverändert sein, wie oben beschrieben. Das heißt, die erste Teilaufgabe 321 kann für den ersten Parallelprozessorkern 113, die zweite Teilaufgabe 322 für den zweiten Parallelprozessorkern 114, sowie die vierte Teilaufgabe 324 für den ersten Hauptprozessorkern 111 zugeteilt sein. Die Zuteilung der vierten Teilaufgabe 324 für den ersten Hauptprozessorkern ist mit dem Pfeil mit dem Bezugszeichen 580 angedeutet. Die dritte Teilaufgabe 323 kann währenddessen bereits vollständig vom ersten Hauptprozessorkern 111 abgearbeitet worden sein. Beispielsweise können die Zwischenergebnisse der Berechnungen bei der Unterbrechung der ersten und zweiten Teilaufgabe 321, 322 auf der Zwischenergebnisspeichereinheit gesichert worden sein. Da der erste Hauptprozessorkern 111 und der erste und zweite Parallelprozessorkern 113, 114 auf die Zwischenergebnisspeichereinheit zugreifen, können die genannten ersten und zweiten Teilaufgaben 321, 322 direkt ab dem Unterbrechungspunkt weiter bearbeitet werden.
  • Sobald der zweite Hauptprozessorkern 112 im parallelen Bearbeitungsabschnitt 303 eine weitere Teilaufgabe von seinem Arbeitspaket 310 anfordert, aber keine unbearbeitete Teilaufgaben mehr verfügbar ist, wartet der zweite Hauptprozessorkern 112 bis die Parallelprozessorkerne 113, 114 die aktuell noch ausgeführten Teilaufgaben zu Ende abgearbeitet haben. Dann wird der parallele Bearbeitungsabschnitt 303 des zweiten Hauptprozessorkerns 112 verlassen und das zweite Arbeitspaket 310 gelöscht. Danach führt der zweite Hauptprozessorkern 112 beliebige weitere (nicht parallelisierte) Berechnungen aus, z.B. auf den Ergebnissen des vorherigen parallelen Bearbeitungsabschnitts 303 aufbauend. Das Ende 302 des Programms des zweiten Hauptprozessorkerns 112 wird mithilfe des fünften vertikalen Balkens angezeigt. Das Programm des zweiten Hauptprozessorkerns 112 hat dann sein finales Ergebnis berechnet und ist am Ende 302 angelangt.
  • Beispielsweise kann die Ausführung des Programms des zweiten Hauptprozessorkerns 112 in 3 vor der Ausführung des Programms des ersten Hauptprozessorkerns 111 enden 302. Das Ende 302 der Ausführung des Programms des zweiten Hauptprozessorkerns 112 ist durch den fünften vertikalen Balken der zweiten Zeitachse in 3 gekennzeichnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel führen die Parallelprozessorkerne 113, 114 bis zum Ende 302 der Ausführung des Programms des ersten Hauptprozessorkerns 111 Berechnungen durch, allerdings nur, weil der erste Hauptprozessorkern 111 bis zum Ende 302 der Ausführung seines Programms einen parallelen Bearbeitungsabschnitt 303 aufweist. Daher wurde das Ende 302 der Ausführung des Programms des ersten Hauptprozessorkerns 111 mit in die beiden Zeitachsen der beiden Parallelprozessorkerne 113, 114 eingezeichnet. Da die Parallelprozessorkerne 113, 114 nur parallelisierte Berechnungen durchführen können, das heißt Teilaufgaben aus dem ersten und/oder zweiten Arbeitspaket 305, 310 abarbeiten, führen der erste und zweite Parallelprozessorkern 113, 114 nur solange Berechnungen aus, wie noch Teilaufgaben in den Arbeitspaketen 305, 310 verfügbar sind. Solange mindestens einer der beiden Hauptprozessorkerne 111, 112 aktiv ist, können aber zu einem späteren Zeitpunkt noch weitere neue Arbeitspakete mit Teilaufgaben erstellt werden, die die Parallelprozessorkerne 113, 114 abarbeiten können. Demnach kann das Ende 302 des Programms des zugeordneten Hauptprozessorkerns 111, 112 auch auf einen späteren Zeitpunkt fallen.
  • Sobald der erste Hauptprozessorkern 111 im parallelen Bearbeitungsabschnitt 303 eine weitere Teilaufgabe von seinem Arbeitspaket 305 anfordert, aber keine unbearbeitete mehr verfügbar ist, wartet der erste Hauptprozessorkern 111 bis die Parallelprozessorkerne 113, 114 die aktuell noch ausgeführten Teilaufgaben zu Ende abgearbeitet haben. Dann wird der parallele Bearbeitungsabschnitt 303 des ersten Hauptprozessorkerns 111 verlassen und das erste Arbeitspaket 305 gelöscht. Das Ende 302 des Programms des ersten Hauptprozessorkerns 111 wird mithilfe des fünften vertikalen Balkens angezeigt. Das Programm des ersten Hauptprozessorkerns 111 hat dann sein finales Ergebnis berechnet und ist am Ende 302 angelangt. Ebenfalls denkbar ist, dass der erste Hauptprozessorkern 111 nach dem parallelen Bearbeitungsabschnitt 303 analog zum zweiten Hauptprozessorkern 112 beliebige weitere (nicht parallelisierte) Berechnungen ausführen kann, z.B. auf den Ergebnissen des vorherigen parallelen Bearbeitungsabschnitts 303 aufbauend. Dies ist in 3 nicht dargestellt.
  • In einer Ausgestaltung wird das erste und zweite Arbeitspaket 305, 310 mit der ersten und zweiten Menge an Teilaufgaben 320, 330, sowie der Referenz auf die erste und zweite Prioritätsstufe 340, 345 zum Start 301 der Ausführung des jeweiligen Programms von dem ersten und zweiten Hauptprozessorkern 111, 112 erstellt. Ebenfalls ist denkbar, dass am Anfang eines weiteren parallelen Bearbeitungsabschnitts 303 im Programm des ersten Hauptprozessorkerns 111 und/oder des zweiten Hauptprozessorkerns 112 jeweils ein neues Arbeitspaket erstellt wird.
  • Statt der Unterbrechung der aktuell ausgeführten ersten bis vierten Teilaufgabe 321-324, (fünften bis siebten Teilaufgabe 331-333) ist es ferner denkbar, die erste bis vierte Teilaufgabe 321-324 (fünfte bis siebte Teilaufgabe 331-333) bis zum Ende abzuarbeiten und eine neue fünfte bis siebte Teilaufgabe 331-333 (erste bis vierte Teilaufgabe 321-324) mit höherer Prioritätsstufe des jeweiligen parallelen Bearbeitungsabschnitts 303, geeignet auf den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 und den zweiten Hauptprozessorkern 112 (ersten Hauptprozessorkern 111) aufzuteilen. Die Parallelprozessorkerne 113, 114 werden auf diese Weise nicht gezwungen, ihre Berechnungen umgehend abzubrechen oder sie zu unterbrechen, falls der neuen fünften bis siebten Teilaufgabe 331-333 (ersten bis vierten Teilaufgabe 321-324) eine höhere Priorität zugeordnet ist, als der aktuellen ersten bis vierten Teilaufgabe 321-324 (fünften bis siebten Teilaufgabe 331-333). Beispielsweise kann die Ausgestaltung zum Einsatz kommen, wenn die ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 in dem ersten Arbeitspaket 305 und dem zweiten Arbeitspaket 310 relativ klein sind und die Abarbeitung von den Prozessorkernen demnach zügig erfolgen kann. Der Vorteil an dieser Ausgestaltung ist, dass der Rechendurchsatz ohne Abbruch oder Unterbrechung der ersten bis siebten Teilaufgabe 321-324, 331-333 auf den beiden Parallelprozessorkernen 113, 114 am höchsten ist.
  • Der sofortige Abbruch der aktuell ausgeführten ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 auf den beiden Parallelprozessorkernen 113, 114 ohne Sicherung der Daten kann beispielsweise angewendet werden, wenn der erste oder zweite Hauptprozessorkern 111, 112 einen parallelen Bearbeitungsabschnitt 303 mit einer sehr kleinen Zykluszeit aufweisen und die Parallelisierung erforderlich ist, um die Deadlines einhalten zu können. Von Vorteil ist dabei, dass mithilfe der Ausgestaltung eine geringste mögliche Latenz erzielt werden kann, wobei die Latenz die Zeit zwischen dem Abbruch der Berechnungen der aktuellen ersten bis vierten Teilaufgabe 321-324 (fünften bis siebten Teilaufgabe 331-333) auf den Parallelprozessorkernen 113, 114 und dem Beginn der Berechnungen der neuen fünften bis siebten Teilaufgabe 331-333 (ersten bis vierten Teilaufgabe 321-324) auf den Parallelprozessorkernen 113, 114, die mit einer höheren Prioritätsstufe verknüpft ist, angibt. Eine solche Ausführungsform setzt das Erreichen einer möglichst geringen Latenz zum Ziel, daher können Zwischenergebnisse der ersten bis siebten Teilaufgabe 321-324, 331-333 mit einer niedrigen Prioritätsstufe verworfen werden.
  • Die Ausgestaltung, bei der die aktuell bearbeiteten ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 unterbrochen und deren Zwischenergebnisse auf der Zwischenergebnisspeichereinheit gesichert werden, kann einem guten Kompromiss zwischen Latenz und Rechendurchsatz entsprechen. Es ist möglich, die oben beschriebenen verschiedenen Ausgestaltungen der Unterbrechung, des sofortigen Abbruchs oder der passenden Einsortierung der ersten bis siebten Teilaufgabe miteinander zu kombinieren und sie situationsbedingt geeignet umzusetzen.
  • Des Weiteren können die ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 aus dem ersten und zweiten Arbeitspaket 305, 310 zu Beginn des jeweiligen parallelen Bearbeitungsabschnitts 303 im Programm des ersten und zweiten Hauptprozessorkerns 111, 112 verteilt werden. Ferner können die genannten ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 zum Start 301 der Programmausführung fest an den ersten und zweiten Hauptprozessorkern 111, 112 und den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 verteilt werden. Durch die feste Zuteilung der ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 aus dem ersten Arbeitspaket 305 und dem zweiten Arbeitspaket 310 kann der Verwaltungsaufwand reduziert werden, da die Anfrage des ersten und zweiten Parallelprozessorkerns 113, 114 nach einer freien ersten bis siebten Teilaufgabe 321-324, 331-333 entfällt. Auch können der erste Hauptprozessorkern 111 und/oder der zweite Hauptprozessorkern 112 nach erfolgter Abarbeitung der eigenen Teilaufgaben prüfen, ob noch freie erste bis siebte Teilaufgaben 321-324, 331-333 im ersten und/oder zweiten Arbeitspaket 305, 310 vorhanden sind. Diese noch freien ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 können von dem ersten Hauptprozessorkern 111 und/oder dem zweiten Hauptprozessorkern 112 selbst bearbeitet werden, damit die Deadlines der jeweiligen Programme eingehalten werden können.
  • Werden mehr als die in den 1 bis 3 dargestellten zwei Hauptprozessorkerne 111, 112 eingesetzt, so können sich die Anzahl der Arbeitspakete und die Anzahl der Teilaufgaben von der in den 2 und 3 gezeigten und entsprechend beschriebenen Anzahl unterscheiden. In einem solchen Fall können die Anzahl der Arbeitspakete und die Anzahl der Teilaufgaben steigen, da mehr Rechenkapazität zur Verfügung gestellt werden kann. Die Rechenkapazität kann mit mehr Arbeitspaketen und mehr Teilaufgaben bestmöglich ausgenutzt werden. Für die Ausgestaltungen in den 2 und 3 wurde jeweils ein erstes Arbeitspaket 305 und ein zweites Arbeitspaket 310, sowie vier erste bis vierte Teilaufgaben 321-324 des ersten Arbeitspakets 305 und drei fünfte bis siebte Teilaufgaben 331-333 des zweiten Arbeitspakets 310 angenommen. In weiteren Ausgestaltungen können die Anzahl der Arbeitspakete und die Anzahl der Teilaufgaben auch bei unveränderter Zahl an Hauptprozessorkernen zu der in den 2 und 3 dargestellten und beschriebenen Ausführungsform abweichen.
  • In 4 ist ein Programmablaufdiagramm 370 für den ersten und den zweiten Hauptprozessorkern 111, 112 nach den Ausgestaltungen der 1 bis 3 gezeigt. Im ersten Schritt 375 wird die Ausführung des jeweiligen Programms auf dem ersten und zweiten Hauptprozessorkern 111, 112 der 2 und 3 gestartet. Anschließend folgt eine Verzweigung in 4, in der in einem zweiten Schritt 366 geprüft wird, ob eine sequentielle Ausführung 365 des jeweiligen Programms, gemäß 3 vorgesehen ist. Ist dies der Fall, so werden Aufgaben, die keine Parallelisierung erfordern von dem ersten und/oder zweiten Hauptprozessorkern 111, 112 gemäß den 2 und 3 sequentiell 365 bearbeitet. Ist im Programm keine sequentielle Bearbeitung 365 der Teilaufgaben vorgesehen, wird in einer zweiten Verzweigung in einem dritten Schritt 361 in 4 geprüft, ob eine parallele Ausführung 360 der Teilaufgaben, gemäß 3 möglich ist. Wenn dies der Fall ist, so können die Teilaufgaben vom ersten und zweiten Hauptprozessorkern 111, 112 und dem ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 gemäß 2 und 3 bearbeitet werden. Dazu erstellen der erste und zweite Hauptprozessorkern 111,112 zu Beginn des parallelen Bearbeitungsabschnitts 303 gemäß 3, wie oben beschrieben, das erste und zweite Arbeitspaket 305, 310, das die erste und zweite Menge an Teilaufgaben 320, 330 und die Referenz auf die erste und zweite Prioritätsstufe 340, 345 des parallelen Bearbeitungsabschnitts 303 enthält. Zusätzlich wird die Referenz auf die erste und zweite Prioritätsstufe 340, 345 an den in 2 dargestellten Prioritätenverwalter 350 übergeben und dieser trägt sie in die Datenstruktur 355 im Datenstrukturspeicher ein. Die Referenz auf die erste und zweite Prioritätsstufe 340, 345 wird vom Prioritätenverwalter 350 des Weiteren an den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 weitergegeben.
  • In einer dritten Verzweigung wird in einem vierten Schritt 380 im Programm geprüft, ob freie erste bis siebte Teilaufgaben 321-324, 331-333 gemäß der 2 und 3 im entsprechenden ersten und zweiten Arbeitspaket 305, 310 vorhanden sind. Dies geschieht durch die Anfrage des ersten und zweiten Hauptprozessorkerns 111, 112 sowie des ersten und zweiten Parallelprozessorkerns 113, 114 beim ersten und zweiten Arbeitspaket 305, 310, sofern die ersten und zweiten Hauptprozessorkerne 111, 112 bzw. ersten und zweiten Parallelprozessorkerne 113, 114 gerade keine Berechnungen ausführen. Nach erfolgter Zuteilung der ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 an den ersten und zweiten Hauptprozessorkern 111, 112 sowie den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 führen der erste und zweite Hauptprozessorkern 111, 112 bzw. der erste und zweite Parallelprozessorkern 113, 114 die entsprechenden ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 so lange aus, bis sie vollendet sind bzw. bis die ersten und zweiten Hauptprozessorkerne 111, 112 bzw. ersten und zweiten Parallelprozessorkerne 113, 114 vom Prioritätenverwalter 350 informiert werden, dass sich die Reihenfolge der Einträge der Prioritätsstufen in der Datenstruktur 355 geändert hat. Bei der Änderung der Reihenfolge der Einträge der ersten und zweiten Prioritätsstufe 340, 345 in der Datenstruktur 355 werden die bearbeiteten ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 auf den beiden Parallelprozessorkernen 113, 114 unterbrochen und mit der Berechnung der ersten bis siebten Teilaufgabe 331-333, 321-324 des anderen, ersten oder zweiten Arbeitspakets 305, 310 begonnen.
  • Die ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 gemäß der 2 und 3 können sofort unterbrochen werden oder bis zu einem vorgegebenen Unterbrechungspunkt weiter abgearbeitet und dann unterbrochen werden, wie oben beschrieben. Die Zwischenergebnisse können auf der Zwischenergebnisspeichereinheit gesichert werden, was eine Wiederaufnahme der Berechnungen der ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 ab dem Unterbrechungspunkt schnell und einfach gestaltet. Nachdem eine erste bis siebte Teilaufgabe 321-324, 331-333 vollständig von dem ersten oder zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 oder dem ersten oder zweiten Hauptprozessorkern 111, 112 abgearbeitet worden ist, fragen die ersten und/oder zweiten Hauptprozessorkerne 111, 112 bzw. ersten und/oder zweiten Parallelprozessorkerne 113, 114 erneut beim ersten oder zweiten Arbeitspaket 305, 310 an, ob es weitere unbearbeitete bzw. freie erste bis siebte Teilaufgaben 321-324, 331-333 gibt. Dieser vierte Schritt 380 in 4 wird so lange wiederholt, bis keine freien ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 im zugehörigen ersten und zweiten Arbeitspaket 305, 310 mehr vorhanden sind.
  • Die beiden Hauptprozessorkerne 111, 112 müssen warten, bis die Parallelprozessorkerne 113, 114 die dem jeweiligen Hauptprozessorkern 111, 112 zugehörigen aktuellen ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 abgeschlossen haben, da es möglich ist, dass die Hauptprozessorkerne 111, 112 zwar keine freie erste bis siebte Teilaufgabe 321-324, 331-333 zugeteilt erhalten, die Parallelprozessorkerne 113, 114 können jedoch noch mit der Abarbeitung der ersten bis siebten Teilaufgabe 321-324, 331-333 beschäftigt sein. Demnach kann erst mit der sequentiellen Ausführung 365 fortgefahren werden, wenn alle zugehörigen ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 bis zum Ende fertig abgearbeitet wurden.
  • In 4 wird danach in dem zweiten Schritt 366 geprüft, ob im jeweiligen Programm des ersten und/oder zweiten Hauptprozessorkerns 111, 112 eine sequentielle Ausführung 365 vorgesehen ist. Die weiteren Prüfungsschritte der Verzweigungen in 4 werden wie oben beschrieben fortgeführt. Ergibt die Prüfung gemäß 4 hinsichtlich der Art der Abarbeitung der ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 weder eine sequentielle Ausführung 365, noch eine parallele Ausführung 360 der Berechnungen, so wird die Ausführung des Programms auf dem ersten Hauptprozessorkern 111 und/oder dem zweiten Hauptprozessorkern 112 im fünften Schritt 385 gemäß 4 beendet.
  • 5 zeigt das Programmablaufdiagramm 390 für den ersten und zweiten Parallelprozessorkern 113, 114 nach den Ausgestaltungen der 1 bis 4. In einem ersten Schritt 391 wird die Ausführung des jeweiligen Programms gestartet. Danach folgt eine Verzweigung, in der in einem zweiten Schritt 392 geprüft wird, ob in der in 2 dargestellten Datenstruktur 355 ein erster oder zweiter Prioritätsstufeneintrag 340, 345 vorhanden ist. Ist dies der Fall, so fragen der erste und zweite Parallelprozessorkern 113, 114 gemäß den 2 und 3 in einem dritten Schritt 393 beim entsprechenden ersten oder zweiten Arbeitspaket 305, 310 an, ob es freie erste bis siebte Teilaufgaben 321-324, 331-333 zur Bearbeitung gibt. Dieser dritte Schritt 393 zur Prüfung in 5 ist mit der zweiten Verzweigung angedeutet. Stehen freie erste bis siebte Teilaufgaben 321-324, 331-333 zur Verfügung, so arbeiten der erste und zweite Parallelprozessorkern 113, 114 diese ab. Auch hier kann es zu einer Unterbrechung und Sicherung der ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 bzw. einer Weiterberechnung der ersten bis siebten Teilaufgaben 321-324, 331-333 bis zu einem vorgegebenen Unterbrechungspunkt und Sicherung der Zwischenergebnisse kommen, wie im Zusammenhang mit den 2 und 3 beschrieben worden ist. Nachdem eine erste bis siebte Teilaufgabe 321-324, 331-333 vollständig von dem ersten oder zweiten Parallelprozessorkerne 113, 114 abgearbeitet worden ist, erfolgt im entsprechenden Programm des ersten und zweiten Parallelprozessorkerns 113, 114 ein Rücksprung zur ersten Verzweigung, dem zweiten Schritt 392 in 5, in dem geprüft wird, ob ein erster oder zweiter Eintrag der Prioritätsstufe 340, 345 in der Datenstruktur 355 vorhanden ist. Befindet sich aktuell kein Eintrag der Prioritätsstufe 340, 345 in der Datenstruktur 355, so erfolgt nach kurzer Wartezeit eine erneute Prüfung der Einträge in der Datenstruktur 355 entsprechend dem zweiten Schritt 392.
  • Führt die Prüfung der zweiten Verzweigung im dritten Schritt 393 gemäß 5 dazu, dass im entsprechenden ersten und/oder zweiten Arbeitspaket 305, 310 derzeit keine freie erste bis siebte Teilaufgabe 321-324, 331-333 vorhanden ist, so wird in der dritten Verzweigung in 5 in einem vierten Schritt 394 geprüft, ob die Programme des ersten und zweiten Hauptprozessors 111, 112 gemäß der Beschreibung zu 4 bereits zu Ende ausgeführt worden sind. Nur für den Fall, dass die Ausführungen der Programme des ersten und des zweiten Hauptprozessorkerns 111, 112 bereits beendet sind, endet auch das Programm des ersten und zweiten Parallelprozessorkerns 113, 114 in fünften Schritt 395 in 5. Sind die Programme des ersten und zweiten Hauptprozessorkerns 111, 112 hingegen nicht beendet, so erfolgt im Programm des ersten und zweiten Parallelprozessorkerns 113, 114 ein Rücksprung in 5 zu dem zweiten Schritt 392.
  • Die Erfindung wurde im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Sie ist jedoch nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt, da vom Fachmann andere Variation daraus abgeleitet werden können, ohne dabei den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Speicherprogrammierbare Steuerung
    110
    Datenverarbeitungseinrichtung
    111
    erster Hauptprozessorkern
    112
    zweiter Hauptprozessorkern
    113
    erster Parallelprozessorkern
    114
    zweiter Parallelprozessorkern
    120
    Steuerungseinrichtung
    130
    Kommunikationsschnittstelle
    200
    Maschine/Anlage
    210
    Aktoren
    220
    Sensoren
    300
    Verfahren zur Datenverarbeitung
    301
    Beginn Ausführung Programm
    302
    Ende Ausführung Programm
    303
    paralleler Bearbeitungsabschnitt
    304
    Beginn erster paralleler Bearbeitungsabschnitt
    305
    erstes Arbeitspaket
    306
    Beginn zweiter paralleler Bearbeitungsabschnitt
    307
    Beginn dritter paralleler Bearbeitungsabschnitt
    310
    zweites Arbeitspaket
    320
    erste Menge an Teilaufgaben
    330
    zweite Menge an Teilaufgaben
    321
    erste Teilaufgabe
    322
    zweite Teilaufgabe
    323
    dritte Teilaufgabe
    324
    vierte Teilaufgabe
    331
    fünfte Teilaufgabe
    332
    sechste Teilaufgabe
    333
    siebte Teilaufgabe
    340
    erste Prioritätsstufe
    345
    zweite Prioritätsstufe
    347
    erste sequentielle Prioritätsstufe
    348
    zweite sequentielle Prioritätsstufe
    350
    Prioritätenverwalter
    355
    Datenstruktur
    360
    Parallele Ausführung
    365
    Sequentielle Ausführung
    370
    Programmablaufdiagramm eines Hauptprozessorkerns
    375
    Start
    380
    Freie Teilaufgaben vorhanden im entsprechenden Arbeitspaket?
    385
    Ende
    390
    Programmablaufdiagramm eines Parallelprozessorkerns
    391
    Start
    392
    Prioritätsstufeneintrag in Datenstruktur vorhanden?
    393
    Freie Teilaufgaben vorhanden im entsprechenden Arbeitspaket?
    394
    Alle Programme ausgeführt?
    395
    Ende
    500
    erster Pfeil
    505
    zweiter Pfeil
    510
    dritter Pfeil
    515
    vierter Pfeil
    520
    fünfter Pfeil
    525
    sechster Pfeil
    530
    siebter Pfeil
    535
    achter Pfeil
    540
    neunter Pfeil
    545
    zehnter Pfeil
    550
    elfter Pfeil
    555
    zwölfter Pfeil
    560
    dreizehnter Pfeil
    565
    vierzehnter Pfeil
    570
    fünfzehnter Pfeil
    575
    sechzehnter Pfeil
    580
    siebzehnter Pfeil

Claims (14)

  1. Verfahren (300) zur Datenverarbeitung auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung (100) zur Steuerung von Maschinen oder Anlagen eines Automatisierungssystems, die mehrere Hauptprozessorkerne (111, 112) und wenigstens einen Parallelprozessorkern (113, 114) umfasst, wobei den Hauptprozessorkernen (111, 112) jeweils ein ausführbares Programm einer Steuerungsaufgabe zugeordnet ist, wobei jedes Programm jeweils wenigstens einen parallelen Bearbeitungsabschnitt (303) mit einem Arbeitspaket (305, 310) aufweist, das mehrere Teilaufgaben (321-324, 331-333) umfasst, wobei den parallelen Bearbeitungsabschnitten (303) in den jeweiligen Programmen eine Priorität mit einer vorgegebenen Prioritätsstufe (340, 345) zugewiesen ist, wobei die jeweiligen Prioritätsstufen (340, 345) in eine Datenstruktur (355) eingefügt werden, sobald der jeweilige Hauptprozessorkern (111, 112) im Programm an dem parallelen Bearbeitungsabschnitt (303) angelangt ist, wobei der wenigstens eine Parallelprozessorkern (113, 114) prüft, ob in der Datenstruktur (355) Einträge vorhanden sind und wobei, sofern Einträge vorhanden sind, Teilaufgaben (321-324, 331-333) aus dem Arbeitspaket (305, 310) des Hauptprozessorkerns (111, 112), dessen Prioritätsstufe (340, 345) an erster Stelle der Einträge in der Datenstruktur (355) steht, von dem wenigstens einen Parallelprozessorkern (113, 114) abgearbeitet werden, wobei eine Echtzeitbedingung der Steuerungsaufgabe eingehalten wird, indem Ausführungszeiten der Programme für die jeweiligen Hauptprozessorkerne (111, 112) so festgesetzt sind, dass die mehreren Hauptprozessorkerne (111, 112) in der Lage sind, die Teilaufgaben (321-324, 331-333) aus den Arbeitspaketen (305, 310) ohne die Unterstützung des wenigstens einen Parallelprozessorkerns (113, 114) abzuarbeiten, wobei die mehreren Hauptprozessorkerne (111, 112) Teilaufgaben (321-324, 331-333) abarbeiten, die nicht von dem wenigstens einen Parallelprozessorkern (113, 114) abgearbeitet werden, und wobei es durch die Parallelisierung für die am höchsten priorisierten Programme der mehreren Hauptprozessorkerne möglich ist, die kürzere Ausführungszeit der Programme durch die Parallelisierung einzuplanen, und auf diese Weise eine Deadline, die kleiner als eine rein sequentielle Ausführungszeit der Programme ist, einzuhalten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verteilung der Teilaufgaben (321-324, 331-333) aus den jeweiligen Arbeitspaketen (305, 310) dynamisch erfolgt, wobei die Hauptprozessorkerne (111, 112) und der wenigstens eine Parallelprozessorkern (113, 114) auf unbearbeitete Teilaufgaben (321-324, 331-333) der Arbeitspakete (305, 310) zur Abarbeitung zugreifen, und wobei die Teilaufgaben (321-324, 331-333), die dem wenigstens einen Parallelprozessorkern (113, 114) für die Abarbeitung zugeteilt werden, auch auf dem entsprechenden Hauptprozessorkern (111, 112) ausführbar sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei nur für den die entsprechende Teilaufgabe (321-324, 331-333) aktuell abarbeitenden Hauptprozessorkern (111, 112) oder den die entsprechende Teilaufgabe (321-324, 331-333) aktuell abarbeitenden wenigstens einen Parallelprozessorkern (113, 114) ein Zugriff auf die entsprechende Teilaufgabe (321-324, 331-333) aus einem der Arbeitspakete (305, 310) besteht, und wobei die Teilaufgaben (321-324, 331-333) aus den Arbeitspaketen (305, 310) einzeln und nacheinander an die Hauptprozessorkerne (111, 112) und den wenigstens einen Parallelprozessorkern (113, 114) verteilt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verteilung der Teilaufgaben (321-324, 331-333) aus den jeweiligen Arbeitspaketen (305, 310) statisch erfolgt, wobei den mehreren Hauptprozessorkernen (111, 112) und dem wenigstens einen Parallelprozessorkern (113, 114) dazu jeweils eine bestimmte Anzahl an Teilaufgaben (321-324, 331-333) aus dem gleichen Arbeitspaket (305, 310) zur parallelen Abarbeitung (360) fest zugeteilt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei dem wenigstens einen Parallelprozessorkern (113, 114) Änderungen in der Reihenfolge der Einträge der Prioritätsstufen (340, 345) in der Datenstruktur (355) mitgeteilt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Berechnungen aktueller Teilaufgaben (321-324, 331-333) im parallelen Bearbeitungsabschnitt (303) auf dem wenigstens einen Parallelprozessorkern (113, 114) unterbrochen werden, wenn ein neuer Eintrag der Prioritätsstufe (340, 345) an die erste Stelle der Datenstruktur (355) gesetzt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die aktuellen Teilaufgaben (321-324, 331-333) von dem wenigstens einen Parallelprozessorkern (113, 114) bis zu einem vorgegebenen Unterbrechungspunkt weiter bearbeitet und dann unterbrochen werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Unterbrechungspunkt insbesondere in einer Kontrollstruktur in den Teilaufgaben (321-324, 331-333) der Arbeitspakete (305, 310) festgelegt ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei ein Zwischenergebnis der Berechnungen der aktuellen Teilaufgaben (321-324, 331-333) der Arbeitspakete (305, 310) gesichert wird.
  10. Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) (100) zur Steuerung von Maschinen oder Anlagen eines Automatisierungssystems, umfassend: eine Kommunikationsschnittstelle (130), zum Einlesen von Sensordaten und zum Ausgeben von Aktordaten, eine Datenverarbeitungseinrichtung (110), die mehrere Hauptprozessorkerne (111, 112) und wenigstens einen Parallelprozessorkern (113, 114) zum Ausführen einer Steuerungsaufgabe umfasst, um aus den Sensordaten Aktordaten zu erzeugen, eine Steuerungseinrichtung (120), die einen Speicher zum Speichern einer Datenstruktur (355) mit Prioritätsstufen (340, 345) und einen Prioritätenverwalter (350) zum Verwalten der Prioritätsstufen (340, 345) in der Datenstruktur (355) aufweist, wobei den Hauptprozessorkernen (111, 112) jeweils ein ausführbares Programm der Steuerungsaufgabe zugeordnet ist, wobei jedes Programm jeweils wenigstens einen parallelen Bearbeitungsabschnitt (303) mit einem Arbeitspaket (305, 310) aufweist, und das Arbeitspaket (305, 310) mehrere Teilaufgaben (321-324, 331-333) umfasst, wobei den parallelen Bearbeitungsabschnitten (303) in den jeweiligen Programmen die vorgegebene Prioritätsstufe (340, 345) zugewiesen ist, wobei der Prioritätenverwalter (350) ausgebildet ist, die jeweiligen Prioritätsstufen (340, 345) in die Datenstruktur (355) im Speicher einzufügen, sobald der jeweilige Hauptprozessorkern (111, 112) im Programm an dem parallelen Bearbeitungsabschnitt (303) angelangt ist und dabei den Eintrag mit der höchsten Prioritätsstufe (340, 345) an die erste Stelle der Einträge in der Datenstruktur (355) im Speicher zu setzen, wobei der wenigstens eine Parallelprozessorkern (113, 114) ausgebildet ist, die Datenstruktur (355) im Speicher auf Einträge der Prioritätsstufen (340, 345) zu prüfen, und sofern Einträge vorhanden sind, Teilaufgaben (321-324, 331-333) aus dem Arbeitspaket (305, 310) des Hauptprozessorkerns (111, 112) abzuarbeiten, dessen Prioritätsstufe (340, 345) an erster Stelle der Einträge in der Datenstruktur (355) steht, wobei die speicherprogrammierbare Steuerung (100) ausgebildet ist, eine Echtzeitbedingung der Steuerungsaufgabe einzuhalten, indem Ausführungszeiten der Programme für die jeweiligen Hauptprozessorkerne (111, 112) so festgesetzt sind, dass die mehreren Hauptprozessorkerne (111, 112) in der Lage sind, die Teilaufgaben (321-324, 331-333) aus den Arbeitspaketen (305, 310) ohne die Unterstützung des wenigstens einen Parallelprozessorkerns (113, 114) abzuarbeiten, und wobei die mehreren Hauptprozessorkerne (111, 112) ausgelegt sind, Teilaufgaben (321-324, 331-333) abzuarbeiten, die nicht von dem wenigstens einen Parallelprozessorkern (113, 114) abgearbeitet werden, und und wobei durch die Parallelisierung für die am höchsten priorisierten Programme der mehreren Hauptprozessorkerne möglich ist, die kürzere Ausführungszeit der Programme durch die Parallelisierung einzuplanen, und auf diese Weise eine Deadline, die kleiner als eine rein sequentielle Ausführungszeit der Programme ist, einzuhalten.
  11. Speicherprogrammierbare Steuerung nach Anspruch 10, wobei die Steuerungseinrichtung (120) auf mehreren Hauptprozessorkernen (111, 112) verteilt ausgeführt ist.
  12. Speicherprogrammierbare Steuerung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Prioritätenverwalter (350) ausgelegt ist, den ersten Eintrag der Prioritätsstufen (340, 345) der mehreren Hauptprozessorkerne (111, 112) der Datenstruktur (355) durch einen neuen Eintrag zu ersetzen, wenn dieser eine höhere Prioritätsstufe (340, 345) aufweist, und wobei der Prioritätenverwalter (350) ausgebildet ist, den wenigstens einen Parallelprozessorkern (113, 114) über die Änderung der Einträge der Prioritätsstufen (340, 345) der mehreren Hauptprozessorkerne (111, 112) in der Datenstruktur (355 zu informieren, um aktuelle Berechnungen von Teilaufgaben (321-324, 331-333) aus dem entsprechenden Arbeitspaket (305, 310) zu unterbrechen.
  13. Speicherprogrammierbare Steuerung nach Anspruch 12, wobei der wenigstens eine Parallelprozessorkern (113, 114) ausgelegt ist, die Berechnungen der aktuellen Teilaufgaben (321-324, 331-333) aus dem entsprechenden Arbeitspaket (305, 310) zu unterbrechen, wenn ein neuer Eintrag der Prioritätsstufen (340, 345) an die erste Stelle der Einträge in der Datenstruktur (355) im Speicher gesetzt wird und die Zwischenergebnisse der Berechnungen an die Steuerungseinrichtung (120) zu übergeben, und wobei die Steuerungseinrichtung (120) ausgebildet ist, die Zwischenergebnisse der Berechnungen der aktuellen Teilaufgaben (321-324, 331-333) aus den jeweiligen Arbeitspaketen (320, 330) auf einer Speichereinheit zu sichern, auf die die mehreren Hauptprozessorkerne (111, 112) und der wenigstens eine Parallelprozessorkern (113, 114) zugreifen.
  14. Speicherprogrammierbare Steuerung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Prioritätenverwalter (350) ausgelegt ist, die Einträge der Prioritätsstufen (340, 345) der mehreren Hauptprozessorkerne (111, 112) aus der Datenstruktur (355) zu entfernen, wenn die Teilaufgaben (321-324, 331-333) aus den entsprechenden Arbeitspaketen (305, 310) vollständig abgearbeitet sind.
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