WO2011061046A1 - Parallelisierte programmsteuerung - Google Patents

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WO2011061046A1
WO2011061046A1 PCT/EP2010/066172 EP2010066172W WO2011061046A1 WO 2011061046 A1 WO2011061046 A1 WO 2011061046A1 EP 2010066172 W EP2010066172 W EP 2010066172W WO 2011061046 A1 WO2011061046 A1 WO 2011061046A1
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programs
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PCT/EP2010/066172
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Ramon Barth
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Beckhoff Automation GmbH and Co KG
Original Assignee
Beckhoff Automation GmbH and Co KG
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    • G05B2219/34411—Handling time critical and time non critical program sequences

Definitions

  • the invention relates to a control method and a method for executing a plurality of programs on a plurality of parallel processing processing facilities.
  • Controllers of machines and systems are often based on programmable logic controllers (PLCs).
  • PLCs programmable logic controllers
  • a microcomputer is usually used to execute a program which queries the states of a number of sensors connected to the machine or system, and drives a number of actuators connected to the machine or system on the basis of the determined states .
  • Complex machines or systems can include a large number of sensors and actuators and place high demands on the performance of the microcomputer.
  • the microcomputer for controlling the machine or plant performs several programs in parallel.
  • the programs can interact with each other or be independent of each other.
  • Different programs have different requirements to the microcomputer, which for example, a minimum to be guaranteed response time to a change in status of a sensor or a frequency of sampling of a sensor or issuing a Aktorwerts ANBE ⁇ arrived.
  • the object underlying the invention is to provide a method and a system to run multiple programs for controlling a machine on a plurality of parallel operating processing ⁇ facilities efficiently.
  • each of a plurality of parallel processing devices is associated with a respective time signal generator, at the expiration of which a control method for executing programs is executed on the assigned processing device.
  • the control method comprises steps of selecting one for execution on the Processing means, setting the elapsed time signal generator to a predetermined period of time and starting the selected program on the processing means.
  • control method is called in each case at the end of a time period controlled by the time signal generator on the processing device on which a change of the program currently being executed is to be controlled.
  • a common microprocessor can be used with a plurality of processing devices, wherein it is provided that a program can be started on one of the processing means of the microprocessor only by Steuerbe ⁇ missing, which are executed on this processing device.
  • microprocessors of the x86 family with multiple cores are positioned in such a way builds ⁇ and can be advantageous for carrying out the control method to use.
  • the ready to run program can be real-time capability, and in addition, a non-real-time operation ⁇ system to run on the processor core ready.
  • the same processing device can be alternately selected the real-time program and the non-real-time operating system ⁇ tem.
  • the selected program or the operating system can each be assigned a time period during which the processing device can be used by the program or the operating system. This can be used to influence the intervals at which the program is called, how long the program must wait for a maximum of execution and how much computing time is available to the program after it has been called.
  • the non-real-time operating system can be used to perform standard tasks, such as inputting or outputting data of the program to a hard disk or a display.
  • the Be ⁇ operating system or controlled by him programs can run in parallel on one or more computing cores.
  • the durations can be set freely within wide limits.
  • the predetermined durations of the operating system and the real-time capable program may complement one another at a cycle time associated with the processing device. Different processing devices may have different associated cycle times.
  • a behaves ⁇ nis, is distributed in which a cycle time to the operating system and the real-time program can be changed on the basis of a parameter beispielswei ⁇ se. This parameter may be changeable during operation of the processor or microprocessor to accommodate variable load conditions of a machine controlled by the program.
  • the predetermined time duration can be adjusted such that the planned end of the time duration does not change is less than a predetermined period of time away from a scheduled expiration of the time signal generator of another processing device.
  • control program performs additional tasks required to coordinate multiple programs on the multiple processing devices and precludes concurrency of multiple instances of the control program.
  • Such tasks can play, include a allocating shared resources on the program or operating system or controlling communication between programs at ⁇ .
  • the adjustment can be done by changing the scheduled time once; Alternatively, a predetermined period of time, which is associated with the program, who changed to so that the adjustment effect ⁇ in all subsequent calls of the program.
  • the cycle time of the assigned core can be changed thereby, so that fewer collisions with the cycles of another processing device occur permanently. In particular, cycle times whose ends periodically collide can thus be avoided, making customization less likely.
  • control method may include a previous step of preventing further calls to the control method and a final step of enabling further calls to the control method. If the control method as described above is not executed in parallel on a plurality of processing devices be an additional Absiche ⁇ tion can be done against manufacturing defects through these steps.
  • the multiple accessibility of the control program thereby produced at the same time may also call the control method, for example, on the basis of events which occur asynchronously with the time signal generators, for example by an active call of a program running on a processor.
  • Each processing device may be assigned a list in which programs are available that are ready for execution on this processing device. The selection of the program then takes place under the entries of this list.
  • a single program may thus be associated with a particular processing device.
  • Programs which are preferably to run parallel to one another can be assigned to different processing devices, while programs which are preferably to be executed sequentially can be assigned to the same processing device.
  • Dependencies between the programs which are caused for example by a machine controlled by several programs, can be taken into account in this way.
  • the assignment of a program to a processing device can be performed by a user, so that a system knowledge of the user can be used; in another embodiment, the assignment can be made by the control program by the control program used, for example, a past usage of at least one to the processing ⁇ processing equipment as a decision basis for the assignment. With the help of the assignment by the control program, a uniform utilization of the processing facilities can be achieved. Furthermore, it is possible to free one of the processing devices partially or wholly from the execution of programs or the operating system, as it is that the processing device can be put in a power-saving mode.
  • the entries of the programs in the list may include a priority of the program and the selection of the program may be on the basis of the priority.
  • a high priority program may be allowed to displace a low priority program from a computational kernel.
  • the timing of a controlled machine can be maintained, which can increase the flexibility and reliability of the control. Since the lists are only evaluated locally for the respective processor, programs of different priorities can be executed simultaneously on different processor cores.
  • the control method can proceed or in the form of a Computerprogrammpro ⁇ domestic product on a computer system to be stored on a computer readable recording medium.
  • a system for executing a plurality of programs comprises a plurality of processing means, each processing means being associated with a time signal generator, and the control method described above.
  • the processing facilities may be comprised of an integrated circuit.
  • the processing means may comprise cores or virtual cores, such as those used in hyperthreading. This makes it possible to make use of the close networking of the processing devices on the integrated circuit, so that, for example, a control of a complex technical system can be accomplished more efficiently by a multiplicity of programs connected with one another.
  • the time signal generators may be implemented in the form of counters, which are operated with a clock signal, each one Counter in its associated processing device triggers an interrupt (interrupt, INT) when the counter ei ⁇ NEN reaches a predetermined value.
  • INT interrupt
  • the counter may count down and the predetermined value may be zero.
  • the ⁇ like counter are already provided in common microprocessors with multiple processing facilities.
  • Each counter may include a programmable divider for dividing a common system counter clock count into a clock signal associated with the counter.
  • all time ⁇ are derived from the same time base and are in known proportions to each other.
  • Fig. 1 is a schematic overview of a controlled vehicle
  • Fig. 2 is a schematic representation of a processor
  • FIG. 3 is a flow chart of a method of execution on the processor of FIG. 2;
  • FIG. 4 is an exemplary process table for the method of FIG. 3 and FIG.
  • Fig. 5 shows various heuristics for avoiding collisions of the ends of set time periods on the processor of Fig. 2. Description of exemplary embodiments
  • the controlled technical installation 100 comprises a microcomputer 110, which is connected in a known manner to a main memory 120, a read-only memory 130, a display 140 and an input device 150.
  • the Mik ⁇ rocomputer 110 includes at least typically a micro ⁇ processor (processor, central processing unit, CPU) and di- verse additional components such as a voltage ⁇ supply and interfaces to the main memory 120 and the memory 130.
  • the display 140 and the input device 150 are intended to allow a user to operate the microcomputer 110.
  • An operator of the Mikrocom- puter 110 can optionally or additionally by means of an access via a network interface and a thereto ⁇ closed at another computer system. Accordingly, in one embodiment, the display 140 and input device 150 may be omitted.
  • a production machine 160 comprises a plurality of sensors 165 which are connected to a sensor interface 170, and a plurality of actuators 175 that are connected to a point Aktorites ⁇ 180th
  • the interfaces 170 and 180 are respectively connected to the microcomputer 110.
  • a real-time capable network can be provided in order to connect the sensors 165 to the sensor interface 170 or the actuators 175 to the actuator interface 180 and / or the interfaces 170 and 180 to the microcomputer 110, for example EtherCat.
  • the production machine 160 is shown stellvertre ⁇ tend to any machine or system that is controlled by the microcomputer 110th
  • the production machine 160 may, for example, a CNC machine tool or a
  • the sensors 165 may be analog and / or digital sensors, for example in the form of travel, light, temperature, speed, sound or other sensors.
  • the number of sensors 165 may be more than 100.
  • the actuators 175 can implement analog and / or digital actuator values, for example in the form of Venti ⁇ len, drives, light and heat control systems and other actuators.
  • a complex production machine 160 may include actuators for controlling 80 axes or more.
  • the computer system formed from the components 110-150 samples the sensors 165 and drives the actuators 175 in response to the sampled values. Depending on the nature of the production machine 160, the determination of the
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a processor 200 of the microcomputer 110 of FIG. 1.
  • the processor 120 sums up to ⁇ a housing 210 are disposed in the four cores (cores) C0-C3.
  • cores may be cores C0-C3 included in the processor 200, a different number, the usual numbers of cores C0-C3 in a processor 200 are 2, 4, 8, 16 or 32.
  • the cores C0-C3 may be physika ⁇ lisch implemented in the processor 200 or provided by with a virtual technology, such as Hyper-Threading.
  • Each of the cores C0-C3 is connected to a respective assigned to it Zäh ⁇ ler T0-T3, which is in turn connected to a associated with it divider D0-D3.
  • All dividers D0-D3 are connected to a common clock 220.
  • the clock 220 may be located in the microcomputer 110 of FIG. 1 or, alternatively, within the housing 210 of the processor 200.
  • clock signals used to clock calculation cores C0-C3 and the clock signal provided by clock 220 are provided from a common clock signal.
  • Each of the calculation cores C0-C3 can write and preferably also read access to its associated counter T0-T3 and divider D0-D3.
  • the dividers D0-D3 can be programmed by writing by the associated processor core C0-C3 on a divisor such that the divided responsiblyge ⁇ presented from clock 220 clock signal in frequency by the programmed divisor and the resulting clock signal to the respective counter T0-T3 provided.
  • the counters T0-T3 are down counter that trigger upon reaching a count of zero an interrupt (Interrupt) to the parent ⁇ calculation engine C0-C3. A count from which down counting occurs may be written to the counter T0-T3 by the associated arithmetic core C0-C3.
  • the counters T0-T3 may also be stopped and started by the associated processor C0-C3.
  • the assignment of the dividers D0-D3 and counters T0-T3 to the cores C0-C3 is transparent, that is, a program running on one of the calculation cores C1 to C3 merely has access to the divider D0-D3 and the counter T0-T3, which is assigned to the arithmetic core C0-C3, on which the program runs from ⁇ .
  • the program instructions for accessing the assigned divider D0-D3 and counters T0-T3 are identical for all cores C0-C3. Access to a divider D0-D3 or a counter T0-T3 of another arithmetic logic C0-C3 is not possible due to the architecture of the processor 200. If, for example, an expiring on the arithmetic core Cl
  • the control program is the same for all cores C0-C3.
  • the control program assigns the arithmetic kernel C0-C3, which was last interrupted by its associated counter T0-T3, to a program which is ready for execution on this arithmetic kernel C0-C3.
  • a time slice mechanism is implemented to run multiple programs distributed on the multiple cores C0-C3.
  • Fig. 3 shows a flow diagram of a method 300 for off ⁇ execution on the processor 200 of FIG. 2 in the microcomputer 110 of FIG. 1.
  • the method 300 forms the substantially Schrit- te of the above described with reference to FIG. 2 Steuerpro ⁇ program (Scheduler).
  • the method 300 is in the start state.
  • the step 305 is the first step performed by the method 300, after the process 300, crizspielswei ⁇ se by an interrupt (Interrupt) of the counter T3 T0 of FIG. 2, was called.
  • the method 300 initially blocks further calls of the method 300 in order to prevent multiple instances of the method 300 from running parallel on several of the cores C0-C3.
  • the blocking can occur, for example, by means of a known synchronization mechanism of the processor 200, for example by a semaphore or a corresponding register, which is intended to coordinate competing accesses of the computing cores C0-C3 to resources that can not be used simultaneously.
  • Step 310 is required only if the method 300 still provides services beyond the mapping of programs to cores C0-C3 that prohibit parallel execution of the method 300.
  • Such services may include, for example, an allocation of exclusive-use resources, such as the ROM 130, to programs running on the cores C0-C3.
  • exclusive-use resources such as the ROM 130
  • For the mere allocation of a program on a processor core C0-C3 may be several concurrent processes can be approved 300 at different cores C0-C3 and blocking as described in step 310, it is not conducive ⁇ .
  • a check is made as to whether a real-time-capable program or a non-real-time operating system is to be executed on the relevant arithmetic kernel C0-C3 next.
  • the method 300 is designed to in successive calls of the method 300, the operating system and a real-time program are alternately executed on the same arithmetic logic C0-C3. Is to be performed a real-time program, the method 200 branches to a step 320 and selects a Tabel ⁇ le, which is assigned to the calculation engine C0-C3 on which the Ver ⁇ drive 300 is executed, an entry from the one of potentially represents a plurality of executable programs for execution on the arithmetic core C0-C3, as described in more detail below with reference to FIG.
  • step 325 it is determined which Zeitdau ⁇ it is provided to the selected program available before the method 300 is called a time-controlled again to perform a re-allocation of a program to the processor core C0-C3.
  • step 315 If it is determined in step 315 that the Radiosys ⁇ tem is to be executed, the process 300 branches to step 330 and selects the operating system to be executed next program.
  • the operating system may coordinate other programs whose allocation to one of the cores C0-C3 is not controlled by the method 300 but by the operating system itself. Such programs dependent on the operating system will expire within the time allowed by the control program of the operating system Method 300 is provided. Analogous to the one described above
  • Step 325 determines in the following step 335 which time period is assigned to the operating system for execution.
  • step 340 in which it is checked whether one end of the determined time period collides with an end of another time period to which one of the timers T0-T3 is programmed.
  • expiration times of all counters T0-T3 can be stored in a memory area which can be accessed by each of the calculation cores C0-C3.
  • a collision of the ends of durations means that the end of the time period determined in one of the steps 325- or 335 is closer than a predetermined amount at a time when one of the timers T0-T3 expires and to which a call of the method 300.
  • This predetermined amount is at least as long as a time that the method 300 typically requires for a one-time execution.
  • step 345 the predetermined time period is adjusted ⁇ .
  • the predetermined period of time can be increased or reduced by a predetermined amount.
  • the heuristic used to adjust the predetermined time period used in step 345 may also take into account a periodicity of the times at which the counters T0-T3 initiate interrupts.
  • steps 340 and 345 run through repeatedly until an adjustment of the time duration ⁇ has occurred, which provides a collision-free safe. Conventional protective measures to prevent an infinite loop through steps 340 and 345 may be used.
  • a step 350 the counter T0-T3 associated with the arithmetic means C0-C3 on which the method 300 is executed is set to a value corresponding to the predetermined period of time.
  • step 355 the ge in step 310 ⁇ continued blockage is removed, so that further invocations of the procedural ⁇ Rens 300 are possible, and started in one of the steps 320 or 330 selected program or operating system.
  • these two actions take place indivisible in a single step, so that the method 300 is not again ge ⁇ will start before the selected program or the Be ⁇ operating system is running on the processor core C0-C3.
  • Fig. 4 shows an exemplary process 400 for table Ver ⁇ application with the method 300 of FIG. 3.
  • Each of the cores C0-C3 of Fig. 2 is assigned an individual process table 400.
  • the program 410-450 is assigned to the respective processor C0-C3.
  • programs 410 to 450 are entered. Each registered program 410-450 is assigned a priority, a wait, a status, and a number of ticks.
  • the priority indicates with which priority the program 410-450 to be performed, and a high priority corresponds ei ⁇ ner high urgency. Waiting for the execution of several programs tion 410-450, the program will be ⁇ selected by the control program of the method 300 410-450 which has the highest priority.
  • the latency of program 410-450 indicates how much time should elapse between successive calls to program 410-450.
  • the waiting period is typically expressed in units of an adjustable for the Re ⁇ chenkern C0-C3 system clock, said system clock, for example, preferably between 10 ⁇ 3 and 100 ms, between 100 and ⁇ 3 1 ms.
  • the system clock is set to the shortest wait time of all programs 410-450 entered in the table 400.
  • Wei ⁇ terhin may be provided to synchronize the system clock with a different clock, for example, a communication with another processing system which may be integrated with the production machine 160 of FIG. 1, to facilitate.
  • a different clock for example, a communication with another processing system which may be integrated with the production machine 160 of FIG. 1, to facilitate.
  • several distributed clocks or clocks can be provided, which provide time bases for different control processes.
  • the Syn ⁇ nization can be done for example by inserting wait states.
  • the status of a program 410-450 indicates whether the program 410-450 is ready to be executed, waiting, or just running out. leads. Is the status of a program 410-450 HIGH
  • the status of the program 410-450 is set to HIGH READY. However, the ticks continue to be counted until program 410-450 is selected for execution by the control program of method 300 of FIG. Then the status of the Pro ⁇ program 410-450 is set to EXECUTING and the number of ticks of the program 410-450 placed on its waiting time.
  • a status change of a program 410-450 from WAITING to HIGH READY thus does not directly result in the execution of the program 410-450 on one of the calculation cores C0-C3 in FIG. Instead, the status of the program signals 410- 450 whose operability, and the next time the STEU ⁇ erprogramms of the method 300 the one program proceeds 410-450 for execution, its status is HIGH READY and that has the highest priority at the same time.
  • the program invokes the control program 410-450 of the method 300 of FIG. 3.
  • the status of program 410-450 in process table 400 is set to WAITING by EXECUTING.
  • a program 410-450 is assigned to a table 400 or to a calculation kernel C0-C3 by the control program of the method 300. With each call, program logs which program 410-450 is selected. If no program 410-450 can be selected from ⁇ because none is ready for execution, an idle time of the arithmetic kernel is logged. From the logged times of working and idle times, the control program determines a utilization of the arithmetic core and has, if necessary, a program 410-450 a computational ⁇ core C0-C3, whose utilization was lower than that of other computing cores C0-C3.
  • the assignment can also be made such that a minimum number of calculation cores C0-C3 have the highest possible utilization, so that remaining calculation cores C0-C3 are not or only slightly used and can be converted into a power-saving mode.
  • a program 410-450 is assigned to a table or to a computer core C0-C3 manually by a user of the microcomputer 110.
  • the control program of the method 300 can nevertheless collect corresponding log entries whose basis the user can make the assignment.
  • the editing of the recorded data for example, in list form or graphically, can this gen supportive successes.
  • utilization rates of several Re ⁇ chenkerne C0-C3 to the user Darge ⁇ represents a temporal profiles, optionally together with average OFF ⁇ lastungsgraden the cores C0 C3.
  • An assignment of a program 410-450 to a table 400 or to a processor core C0-C3 can be changed during operation of the microcomputer 110 to FIG.
  • Both approaches can also be performed side by side, for example, by manually executing some programs 410-450 manually by one user and other programs 410-450 the control program of the method 300 are assigned to a table 400 or to a calculation kernel C0-C3.
  • FIG. 5 shows various heuristics for avoiding collisions of the ends of set durations on the processor 200 of FIG. 2.
  • a time course is plotted.
  • Vertical are shown in four rows together with an operating system 510 on one of the exemplary cores CO or Cl.
  • Dark areas represent a version of the operating system, while light areas represent an execution of a real-time program 410-450.
  • the first line shows a sequence of executions of the operating system and a real-time program 410-450 on the calculation kernel CO.
  • a corresponding sequence of versions of the operating system and a real-time program on the rake 410-450 ⁇ core Cl is shown.
  • calls of the method 300 on the cores CO and Cl collide with each other.
  • the sequence of the second line is shifted by an amount along the time axis.
  • This displacement ⁇ exercise results from the fact that the program is extended 410-450 conces- arranged period of time by a predetermined time ⁇ to a collision at the right end shown in Fig. 5 to avoid (dashed vertical lines). The addition of the time ⁇ takes place only once.
  • the fourth line outlines an alternative approach to avoid collisions.
  • an extension of the program 410-450 associated time period around the time ⁇ at each expiration of the program supplied 410-450 ⁇ arranged period of time is made.
  • the heuristic for avoiding collisions after the third line seems easier, since only the next call of the United ⁇ proceedings 300 is considered on the other computing core CO.
  • the procedure according to the fourth row has the advantage that the cycle times, each as the sum of the Be ⁇ operating system assigned time duration and the result of the program 410 450 assigned time period can be detuned.
  • the approach of the third or fourth line can be chosen to avoid temporal collisions of the method 300 on the cores CO and Cl. Istics Hay a combination of both is also possible, for example by the Zyk ⁇ lus nation be made linearly dependent by a first adapt and be moved in a second adjusting once against each other.

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Abstract

In einem Steuerverfahren zum Ausführen von Programmen auf mehreren parallel arbeitenden Verarbeitungseinrichtungen, wobei jeder Verarbeitungseinrichtung ein Zeitsignalgeber zugeordnet ist, bei dessen Ablaufen das Steuerverfahren auf der zugeordneten Verarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, umfasst das Steuerverfahren Schritte des Auswählens eines zur Ausführung auf der Verarbeitungseinrichtung bereit stehenden Programms, Setzen des abgelaufenen Zeitsignalgebers auf eine vorbestimmte Zeitdauer und Starten des ausgewählten Programms auf der Verarbeitungseinrichtung.

Description

Beschreibung
Parallelisierte Programmsteuerung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Steuerverfahren und ein Verfahren zum Ausführen mehrerer Programme auf mehreren parallel arbei- tenden Verarbeitungseinrichtungen.
Steuerungen von Maschinen und Anlagen erfolgen häufig auf der Basis von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) . Dabei wird üblicherweise ein Mikrocomputer verwendet, um ein Pro- gramm auszuführen, welches die Zustände einer Anzahl von mit der Maschine, bzw. Anlage verbundenen Sensoren abfragt, und auf der Basis der bestimmten Zustände eine Anzahl von mit der Maschine bzw. Anlage verbundenen Aktoren ansteuert. Komplexe Maschinen bzw. Anlagen können eine Vielzahl von Sensoren und Aktoren umfassen und hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit des Mikrocomputers stellen.
Häufig führt der Mikrocomputer zur Steuerung der Maschine bzw. Anlage mehrere Programme parallel aus. Die Programme können miteinander in Wechselwirkung stehen oder unabhängig voneinander sein. Unterschiedliche Programme stellen unterschiedliche Anforderungen an den Mikrocomputer, was beispielsweise eine minimal zu garantierende Reaktionszeit auf eine Statusänderung eines Sensors oder eine Häufigkeit eines Abtastens eines Sensors bzw. Ausgebens eines Aktorwerts anbe¬ langt .
Bis zu einem gewissen Grad kann den gesteigerten Anforderungen an die Steuerung mit einem höher getakteten Mikroprozes- sor in dem Mikrocomputer begegnet werden. Aufgrund von physikalischen Gegebenheiten lässt sich diese Art der Leistungssteigerung jedoch nicht beliebig fortführen, so dass aktuelle Mikroprozessoren zur Leistungssteigerung vorwiegend darauf bauen, mehrere parallel arbeitende Rechenkerne zu beschäfti¬ gen. Verfahren, die in der Vergangenheit dazu verwendet wur¬ den, eine geregelte Abfolge mehrerer Programme zur Steuerung von Maschinen auf nur einem Rechenkern zu steuern, sind nur schlecht geeignet, eine Verteilung von Programmen auf mehrer Rechenkerne durchzuführen.
In der DE 196 48 422 C2 wird vorgeschlagen, mittels einer Zeitscheibensteuerung eine verfügbare Rechenzeit eines Re¬ chenkerns alternierend auf ein echtzeitfähiges Programm zur Steuerung einer solchen Maschine und ein nicht echtzeitfähiges Betriebssystem zu verteilen. Die vorgeschlagene Zeit¬ scheibensteuerung wird durch einen programmierbaren Zeitgeber gesteuert, der im Rechenkern nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit eine Unterbrechung (Interrupt, INT) auslöst. Die dem Be¬ triebssystem zugeordnete Rechenzeit kann unabhängig von der dem Steuerprogramm zugeordneten Rechenzeit festgelegt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System anzugeben, um mehrere Programme zur Steuerung einer Maschine auf mehreren parallel arbeitenden Verarbeitungs¬ einrichtungen effizient auszuführen.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Steuerverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung wieder.
Nach einem ersten Aspekt ist jeder von mehreren parallel arbeitenden Verarbeitungseinrichtungen jeweils ein Zeitsignalgeber zugeordnet, bei dessen Ablaufen auf der zugeordneten Verarbeitungseinrichtung ein Steuerverfahren zum Ausführen von Programmen ausgeführt wird. Dabei umfasst das Steuerver¬ fahren Schritte des Auswählens eines zur Ausführung auf der Verarbeitungseinrichtung bereitstehenden Programms, des Setzens des abgelaufenen Zeitsignalgebers auf eine vorbestimmte Zeitdauer und des Startens des ausgewählten Programms auf der Verarbeitungseinrichtung .
Dadurch kann erreicht werden, dass das Steuerverfahren jeweils bei Ablauf einer durch den Zeitsignalgeber gesteuerten Zeitdauer auf derjenigen Verarbeitungseinrichtung aufgerufen wird, auf der ein Wechsel des gerade ausgeführten Programms zu steuern ist. So kann ein gängiger Mikroprozessor mit mehreren Verarbeitungseinrichtungen verwendet werden, bei dem vorgesehen ist, dass ein Programm auf einer der Verarbeitungseinrichtungen des Mikroprozessors nur mittels Steuerbe¬ fehlen gestartet werden kann, die auf dieser Verarbeitungs- einrichtung ausgeführt werden. Insbesondere Mikroprozessoren der x86-Familie mit mehreren Rechenkernen sind derart aufge¬ baut und lassen sich vorteilhaft zur Ausführung des Steuerverfahrens verwenden. Um nach herkömmlichen Verfahren ein Starten eines Programms auf einer ersten Verarbeitungseinrichtung des Mikroprozessors durch ein Steuerprogramm zu steuern, das auf einer zweiten Verarbeitungseinrichtung des Mikroprozessors abläuft, ist ein großer Aufwand zu treiben, der üblicherweise bedingt, dass ein weiteres Steuerprogramm auf der ersten Verarbeitungseinrichtung gestartet wird und die beiden Steuerprogramme mit¬ einander kommunizieren. Durch den damit verbundenen Synchro- nisierungsaufwand stehen beide Verarbeitungseinrichtungen für eine relativ lange Zeit nicht zur Ausführung anderer Program- me des Mikroprozessors zur Verfügung, so dass nicht die ge¬ samte Rechenleistung des Mikroprozessors ausgenützt werden kann .
Das zur Ausführung bereitstehende Programm kann echtzeitfähig sein und zusätzlich kann ein nicht echtzeitfähiges Betriebs¬ system zur Ausführung auf dem Rechenkern bereitstehen. Bei aufeinanderfolgenden Durchführungen des Steuerverfahrens auf derselben Verarbeitungseinrichtung kann abwechselnd das echt- zeitfähige Programm und das nicht echtzeitfähige Betriebssys¬ tem ausgewählt werden. Durch entsprechende Wahl der vorbestimmten Zeitdauern, auf die der Zeitsignalgeber gesetzt wird, kann dem ausgewählten Programm bzw. dem Betriebssystem jeweils eine Zeitdauer zugeteilt werden, während derer die Verarbeitungseinrichtung durch das Programm bzw. das Betriebssystem genutzt werden kann. Dadurch kann beeinflusst werden, in welchen Abständen das Programm aufgerufen wird, wie lange das Programm maximal auf eine Ausführung warten muss und wie viel Rechenzeit dem Programm nach dessen Aufruf zur Verfügung steht. Parallel zur Ausführung des Programms kann das nicht echtzeitfähige Be- triebssystem dazu verwendet werden, Standard-Aufgaben durchzuführen, wie beispielsweise eine Ein- bzw. Ausgabe von Daten des Programms an eine Festplatte oder eine Anzeige. Das Be¬ triebssystem bzw. von ihm gesteuerte Programme können auf einem oder mehreren Rechenkernen parallel ablaufen.
Die Zeitdauern können in weiten Grenzen frei eingestellt werden. Die vorbestimmten Zeitdauern des Betriebssystems und des echtzeitfähigen Programms können sich zu einer Zykluszeit ergänzen, welche der Verarbeitungseinrichtung zugeordnet ist. Unterschiedliche Verarbeitungseinrichtungen können unterschiedliche zugeordnete Zykluszeiten aufweisen. Ein Verhält¬ nis, in welchem eine Zykluszeit auf das Betriebssystem und das echtzeitfähige Programm verteilt wird, kann beispielswei¬ se auf der Basis eines Parameters verändert werden. Dieser Parameter kann im laufenden Betrieb der Verarbeitungseinrichtung bzw. des Mikroprozessors veränderbar sein, um veränderliche Lastbedingungen einer durch das Programm gesteuerten Maschine zu berücksichtigen. Vor dem Setzen des abgelaufenen Zeitsignalgebers auf die be¬ stimmte Zeitdauer kann die vorbestimmte Zeitdauer derart an- gepasst werden, dass das geplante Ende der Zeitdauer um nicht weniger als eine vorbestimmte Zeitdauer von einem geplanten Ablaufen des Zeitsignalgebers einer anderen Verarbeitungseinrichtung entfernt liegt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Steuerverfahren nicht auf mehr als einer Verarbei- tungseinrichtung zur gleichen Zeit aufgerufen wird. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Steuerprogramm noch weitere Aufgaben durchführt, die zur Koordination mehrerer Programme auf den mehreren Verarbeitungseinrichtungen erforderlich sind, und die eine Nebenläufigkeit mehrerer Instanzen des Steuerprogramms ausschließen. Solche Aufgaben können bei¬ spielsweise ein Zuteilen von gemeinsam genutzten Ressourcen an das Programm bzw. das Betriebssystem oder eine Steuerung von Kommunikation zwischen Programmen umfassen. Durch das beschriebene Anpassen der vorbestimmten Zeitdauer kann eine Gesamtleistung der Verarbeitungseinrichtungen maxi- miert werden, indem ein Warten einer Verarbeitungseinrichtung auf eine Ausführung des Steuerprogramms vermieden wird. Das Anpassen kann durch ein einmaliges Verändern der geplanten Zeitdauer erfolgen; alternativ dazu kann eine vorbestimmte Zeitdauer, die dem Programm zugeordnet ist, verändert wer¬ den, so dass sich die Anpassung bei allen folgenden Aufrufen des Programms auswirkt. Die Zykluszeit des zugeordneten Re- chenkerns kann dadurch verändert werden, so dass dauerhaft weniger Kollisionen mit den Zyklen einer anderen Verarbeitungseinrichtung erfolgen. Insbesondere Zykluszeiten, deren Enden periodisch kollidieren, können so vermieden werden, wodurch eine Anpassung im Einzelfall weniger wahrscheinlich wird.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Steuerverfahren einen vorausgehenden Schritt des Verhinderns weiterer Aufrufe des Steuerverfahrens sowie einen abschließenden Schritt des Ermöglichens weiterer Aufrufe des Steuerverfahrens umfassen. Soll das Steuerverfahren, wie oben beschrieben ist, nicht parallel auf mehreren Verarbeitungseinrichtungen ausgeführt werden, kann durch diese Schritte eine zusätzliche Absiche¬ rung gegen Verarbeitungsfehler erfolgen.
Durch die dadurch hergestellte mehrfache Aufrufbarkeit des Steuerprogramms zur gleichen Zeit kann das Steuerverfahren beispielsweise auch auf der Basis von Ereignissen aufgerufen werden, die asynchron zu den Zeitsignalgebern erfolgen, beispielsweise durch einen aktiven Aufruf eines auf einer Verarbeitungseinrichtung ablaufenden Programms.
Jeder Verarbeitungseinrichtung kann eine Liste zugeordnet sein, in die Programme eingetragen sind, die zur Ausführung auf dieser Verarbeitungseinrichtung bereitstehen. Das Auswählen des Programms erfolgt dann unter den Einträgen dieser Liste. Ein einzelnes Programm kann so einer bestimmten Verarbeitungseinrichtung zugeordnet sein. Programme, die bevorzugt parallel zueinander ablaufen sollen, können unterschiedlichen Verarbeitungseinrichtungen zugeordnet werden, während Programme, die bevorzugt sequenziell ausgeführt werden sollen, der gleichen Verarbeitungseinrichtung zugeordnet werden können. Abhängigkeiten zwischen den Programmen, die beispielsweise durch eine durch mehrere Programme gesteuerte Maschine bedingt sind, können auf diese Weise berücksichtigt werden. Die Zuordnung eines Programms zu einer Verarbeitungseinrichtung kann durch einen Benutzer durchgeführt werden, so dass ein Systemwissen des Benutzers genutzt werden kann; in einer anderen Ausführungsform kann die Zuordnung durch das Steuerprogramm erfolgen, indem das Steuerprogramm beispielsweise eine zurückliegende Auslastung wenigstens einer der Verarbei¬ tungseinrichtungen als Entscheidungsbasis für die Zuordnung verwendet. Mit Hilfe der Zuordnung durch das Steuerprogramm kann eine gleichmäßige Auslastung der Verarbeitungseinrichtungen erzielt werden. Ferner ist es möglich, eine der Verar- beitungseinrichtungen teilweise oder ganz von der Ausführung von Programmen bzw. des Betriebssystems freizustellen, so dass die Verarbeitungseinrichtung in einen Energiesparmodus versetzt werden kann.
Die Einträge der Programme in der Liste können eine Priorität des Programms umfassen und das Auswählen des Programms kann auf der Basis der Priorität erfolgen. So kann es ermöglicht werden, dass ein Programm hoher Priorität ein Programm niedriger Priorität von einem Rechenkern verdrängt. Durch die Beachtung der Prioritäten können Zeitvorgaben einer gesteuerten Maschine eingehalten werden, wodurch Flexibilität und Zuverlässigkeit der Steuerung gesteigert sein können. Da die Lis¬ ten jeweils nur lokal für den jeweiligen Rechenkern ausgewertet werden, können Programme unterschiedlicher Prioritäten auf unterschiedlichen Rechenkernen gleichzeitig ausgeführt werden.
Das Steuerverfahren kann in Form eines Computerprogrammpro¬ dukts auf einem Computersystem ablaufen oder auf einem computerlesbaren Aufzeichnungsmedium abgespeichert sein.
Nach einem zweiten Aspekt umfasst ein System zum Ausführen mehrer Programme mehrere Verarbeitungseinrichtungen, wobei jeder Verarbeitungseinrichtung ein Zeitsignalgeber zugeordnet ist, sowie das oben beschriebene Steuerverfahren. Die Verar- beitungseinrichtungen können von einem integrierten Schaltkreis umfasst sein. Insbesondere können die Verarbeitungseinrichtungen Rechenkerne (Cores) oder virtuelle Rechenkerne, wie sie beispielsweise bei Hyperthreading verwendet werden, umfassen. Dadurch kann von der engen Vernetzung der Verarbei- tungseinrichtungen auf dem integrierten Schaltkreis Gebrauch gemacht werden, so dass beispielsweise eine Steuerung einer komplexen technischen Anlage durch eine Vielzahl von miteinander in Verbindung stehenden Programmen effizienter bewerkstelligt werden kann.
Die Zeitsignalgeber können in Form von Zählern implementiert sein, die mit einem Taktsignal betrieben sind, wobei jeder Zähler in der ihm zugeordneten Verarbeitungseinrichtung eine Unterbrechung (Interupt, INT) auslöst, sobald der Zähler ei¬ nen vorbestimmten Wert erreicht. Insbesondere kann der Zähler abwärts zählen und der vorbestimmte Wert kann Null sein. Der¬ artige Zähler sind in gängigen Mikroprozessoren mit mehreren Verarbeitungseinrichtungen bereits vorgesehen.
Jeder Zähler kann einen programmierbaren Teiler zum Teilen eines für alle Zähler gleichen Systemtakts in ein dem Zähler zugeordnetes Taktsignal umfassen. Dadurch werden alle Zeit¬ dauern von der selben Zeitbasis abgeleitet und stehen in bekannten Verhältnissen zueinander. Durch Wahl des Werts, auf den ein Zähler gesetzt wird, und entsprechendes Programmieren des zugeordneten Teilers kann die Zeitdauer des Zählers in einem weiten Bereich eingestellt werden, so dass sich ein flexibles System zur Bearbeitung von Programmen mit stark unterschiedlichen Anforderungen ergeben kann.
Kurze Beschreibung der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische Übersicht über eine gesteuerte
technische Anlage;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Prozessors aus
Fig. 1;
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Ausführung auf dem Prozessor aus Fig. 2 ;
Fig. 4 eine beispielhafte Prozesstabelle für das Verfahren aus Fig. 3 und
Fig. 5 verschiedene Heuristiken zur Vermeidung von Kollisionen der Enden von gesetzten Zeitdauern auf dem Prozessor aus Fig. 2 zeigen . Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Fig. 1 zeigt eine schematische Übersicht über eine gesteuerte technische Anlage 100. Die gesteuerte technische Anlage 100 umfasst einen Mikrocomputer 110, der auf bekannte Weise mit einem Arbeitsspeicher 120, einem Festspeicher 130, einer Anzeige 140 und einem Eingabegerät 150 verbunden ist. Der Mik¬ rocomputer 110 umfasst üblicherweise wenigstens einen Mikro¬ prozessor (Prozessor, Central Processing Unit, CPU) und di- verse zusätzliche Bauteile wie beispielsweise eine Spannungs¬ versorgung und Schnittstellen zum Arbeitsspeicher 120 und dem Festspeicher 130. Die Anzeige 140 und das Eingabegerät 150 sind dazu vorgesehen, einem Benutzer eine Bedienung des Mikrocomputers 110 zu ermöglichen. Eine Bedienung des Mikrocom- puters 110 kann optional oder zusätzlich auch mittels eines Zugangs über eine Netzwerk-Schnittstelle und eines daran an¬ geschlossenen weiteren Computersystems erfolgen. In einer Ausführungsform können dementsprechend die Anzeige 140 und das Eingabegerät 150 entfallen. .
Eine Produktionsmaschine 160 umfasst eine Vielzahl Sensoren 165, die mit einer Sensorschnittstelle 170 verbunden sind, sowie eine Vielzahl Aktoren 175, die mit einer Aktorschnitt¬ stelle 180 verbunden sind. Die Schnittstellen 170 und 180 sind jeweils mit dem Mikrocomputer 110 verbunden. Es kann ein echtzeitfähiges Netzwerk vorgesehen sein, um die Sensoren 165 mit der Sensorschnittstelle 170 bzw. die Aktoren 175 mit der Aktorschnittstelle 180 und/oder die Schnittstellen 170 und 180 mit dem Mikrocomputer 110 zu verbinden, beispielsweise EtherCat.
Die dargestellte Produktionsmaschine 160 steht stellvertre¬ tend für eine beliebige Maschine oder Anlage, die mittels des Mikrocomputers 110 gesteuert wird. Die Produktionsmaschine 160 kann beispielsweise eine CNC-Werkzeugmaschine oder ein
Walzwerk zur Produktion von Stahlblechen sein. In alternativen Ausführungen können auch weniger als die dargestellten Sensoren 165 und/oder Aktoren 175 umfasst sein. Die Sensoren 165 können analoge und/oder digitale Sensoren sein, beispielsweise in Form von Weg-, Licht-, Temperatur-, Geschwin- digkeits-, Schall oder anderen Sensoren. An einer komplexen Produktionsmaschine 160 kann die Zahl der Sensoren 165 mehr als 100 betragen. Die Aktoren 175 können analoge und/oder digitale Aktorwerte umsetzen, beispielsweise in Form von Venti¬ len, Antrieben, Licht- und Wärmesteuerungen und anderen Aktoren. Eine komplexe Produktionsmaschine 160 kann Aktoren zur Steuerung von 80 Achsen oder mehr umfassen.
Das aus den Komponenten 110-150 gebildete Computersystem tastet die Sensoren 165 ab und steuert in Abhängigkeit von den abgetasteten Werten die Aktoren 175 an. Je nach Beschaffen- heit der Produktionsmaschine 160 laufen zur Bestimmung der
Ansteuerung der Aktoren 175 eines oder mehrere Programme auf dem Computersystem 110-150 ab.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prozessors 200 des Mikrocomputers 110 aus Fig. 1. Der Prozessor 120 um¬ fasst ein Gehäuse 210, in dem vier Rechenkerne (Cores) C0-C3 angeordnet sind. In anderen Ausführungsformen kann eine andere Anzahl Rechenkerne C0-C3 von dem Prozessor 200 umfasst sein, übliche Zahlen von Rechenkernen C0-C3 in einem Prozes- sor 200 sind 2, 4, 8, 16 oder 32. Eine obere Grenze für Re¬ chenkerne C-0C3 im Prozessor 200 besteht nicht; ferner muss die Zahl der Rechenkerne C0-C3 im Prozessor 200 nicht auf ei¬ ne Zweierpotenz fallen. Die Rechenkerne C0-C3 können physika¬ lisch im Prozessor 200 implementiert oder durch eine virtuel- le Technik wie Hyperthreading bereitgestellt sein. Jeder der Rechenkerne C0-C3 ist jeweils mit einem ihm zugeordneten Zäh¬ ler T0-T3 verbunden, der wiederum mit einem ihm zugeordneten Teiler D0-D3 verbunden ist. Alle Teiler D0-D3 sind mit einem gemeinsamen Taktgeber 220 verbunden. Der Taktgeber 220 kann sich beispielsweise im Mikrocomputer 110 aus Fig. 1 oder in einer alternativen Ausführungsform auch innerhalb des Gehäuses 210 des Prozessors 200 befinden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Taktsignale, die zur Taktung der Rechenkerne C0-C3 verwendet werden, und das vom Taktgeber 220 bereitgestellte Taktsignal aus einem gemeinsamen Taktsignal bereitgestellt .
Jeder der Rechenkerne C0-C3 kann schreibend und vorzugsweise auch lesend auf den ihm zugeordneten Zähler T0-T3 und Teiler D0-D3 zugreifen. Die Teiler D0-D3 können durch Beschreiben durch den zugeordneten Rechenkern C0-C3 auf einen Divisor programmiert werden, so dass das vom Taktgeber 220 bereitge¬ stellte Taktsignal in seiner Frequenz durch den programmierten Divisor geteilt wird und das resultierende Taktsignal dem jeweiligen Zähler T0-T3 bereitgestellt wird. Die Zähler T0-T3 sind Abwärtszähler, die bei Erreichen eines Zählerstandes von Null eine Unterbrechung (Interrupt) im zu¬ geordneten Rechenkern C0-C3 auslösen. Ein Zählerstand, von dem aus das Abwärtszählen erfolgt, kann von dem zugeordneten Rechenkern C0-C3 in den Zähler T0-T3 geschrieben werden. In einer bevorzugten Ausführungsform können die Zähler T0-T3 von dem zugeordneten Rechenkern C0-C3 auch angehalten und gestartet werden.
Die Zuordnung der Teiler D0-D3 und Zähler T0-T3 zu den Re- chenkernen C0-C3 ist transparent, das heißt, dass ein auf ei¬ nem der Rechenkerne Cl bis C3 ablaufendes Programm lediglich Zugriff auf den Teiler D0-D3 und den Zähler T0-T3 hat, der dem Rechenkern C0-C3 zugeordnet ist, auf dem das Programm ab¬ läuft. Die Programmbefehle zum Zugriff auf den zugeordneten Teiler D0-D3 und Zähler T0-T3 sind für alle Rechenkerne C0-C3 identisch. Ein Zugriff auf einen Teiler D0-D3 oder einen Zähler T0-T3 eines anderen Rechenkerns C0-C3 ist aufgrund der Architektur des Prozessors 200 nicht möglich. Soll ein beispielsweise auf dem Rechenkern Cl ablaufendes
Programm den Zähler TO beschreiben, der dem Rechenkern CO zugeordnet ist, so muss das auf dem Rechenkern Cl ablaufende Programm entweder dafür sorgen, dass es den Rechenkern wechselt und auf dem Rechenkern CO ausgeführt wird, oder das auf dem Rechenkern Cl ablaufende Programm muss ein weiteres, auf dem Rechenkern CO ablaufendes Programm kontaktieren, damit dieses den gewünschten Zugriff auf den Zähler TO durchführt.
Erfolgt eine Unterbrechung (Interrupt) auf einem der Rechenkerne C0-C3, so wird auf dem betreffenden Kern C0-C3, bei¬ spielsweise durch vorheriges Setzen eines Interrupt-Vektors, ein Steuerprogramm (Scheduler) aufgerufen, welches ein Programm auswählt, welches auf dem betreffenden Rechenkern C0-C3 ausgeführt werden soll. Anschließend setzt das Steuerprogramm den zugeordneten Zähler T0-T3 und/oder den zugeordneten Teiler D0-D3 erneut und startet das ausgewählte Programm. Auf diese Weise wird ein Zeitschreiben-Mechanismus implementiert, der dem ausgewählten Programm nur eine begrenzte Rechenzeit zur Verfügung stellt, bevor eine neuerliche Unterbrechung (Interrupt) das Steuerprogramm erneut aufruft und das Steuer¬ programm überprüft, welches Programm im Folgenden weiter aus- geführt werden soll.
Das Steuerprogramm ist das selbe für alle Rechenkerne C0-C3. Im Ergebnis vergibt das Steuerprogramm den Rechenkern C0-C3, der durch seinen ihm zugeordneten Zähler T0-T3 zuletzt unter- brochen wurde, an ein Programm, das zur Ausführung auf diesem Rechenkern C0-C3 bereit steht. So ist ein Zeitscheibenmechanismus implementiert, um mehrere Programme verteilt auf den mehreren Rechenkernen C0-C3 ablaufen zu lassen. Durch das Auswählen eines auszuführenden Programms jeweils lokal auf demjenigen Rechenkern C0-C3, auf dem das Steuerprogramm läuft, wird das Steuerprogramm effektiv auf allen Rechenkernen C0-C3 ausgeführt wodurch bereits eine Lastverteilung von Programmen auf die Rechenkerne C0-C3 erzielt werden kann und ein komplexes Verfahren zur Steuerung aller im Prozessor 200 ablaufenden Programmen durch ein zentrales, auf einem einzigen Rechenkern ablaufendes Steuerprogramm nicht erforderlich ist . Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zur Aus¬ führung auf dem Prozessor 200 aus Fig. 2 im Mikrocomputer 110 aus Fig. 1. Das Verfahren 300 bildet die wesentlichen Schrit- te des oben mit Bezug auf Fig. 2 beschriebenen Steuerpro¬ gramms (Scheduler) ab.
Im ersten Schritt 305 befindet sich das Verfahren 300 im Startzustand . Der Schritt 305 ist der erste vom Verfahren 300 ausgeführte Schritt, nachdem das Verfahren 300, beispielswei¬ se durch eine Unterbrechung (Interrupt) eines der Zähler T0- T3 aus Fig. 2, aufgerufen wurde. In einem folgenden Schritt 310 blockiert das Verfahren 300 zunächst weitere Aufrufe des Verfahrens 300, um zu verhindern, dass auf mehreren der Re- chenkerne C0-C3 mehrere Instanzen des Verfahrens 300 parallel ablaufen. Das Blockieren kann beispielsweise mittels eines bekannten Synchronisierungsmechanismus des Prozessors 200 er¬ folgen, etwa durch einen Semaphor oder ein entsprechendes Register, das dazu vorgesehen ist, konkurrierende Zugriffe der Rechenkerne C0-C3 auf nicht gleichzeitig nutzbare Ressourcen zu koordinieren. Der Schritt 310 ist nur dann erforderlich, wenn das Verfahren 300 über das Zuordnen von Programmen zu Rechenkernen C0-C3 hinaus noch Dienste bereitstellt, die eine parallele Ausführung des Verfahrens 300 verbieten. Zu solchen Diensten kann beispielsweise eine Zuteilung von exklusiv genutzten Ressourcen, wie dem Festspeicher 130, an auf den Rechenkernen C0-C3 ablaufende Programme zählen. Für die bloße Zuteilung eines Programms an einen Rechenkern C0-C3 können unter Umständen mehrere gleichzeitig ablaufende Verfahren 300 auf unterschiedlichen Rechenkernen C0-C3 zugelassen werden und das im Schritt 310 beschriebene Blockieren ist nicht er¬ forderlich .
In einem folgenden Schritt 315 wird überprüft, ob auf dem betreffenden Rechenkern C0-C3 als nächstes ein echtzeitfähiges Programm oder ein nicht echtzeitfähiges Betriebssystem ausgeführt werden soll. Das Verfahren 300 ist so ausgelegt, dass bei aufeinanderfolgenden Aufrufen des Verfahrens 300 auf dem selben Rechenkern C0-C3 alternierend das Betriebssystem und ein echtzeitfähiges Programm ausgeführt wird. Soll ein echtzeitfähiges Programm ausgeführt werden, so verzweigt das Verfahren 200 in einen Schritt 320 und wählt aus einer Tabel¬ le, die dem Rechenkern C0-C3 zugeordnet ist, auf dem das Ver¬ fahren 300 ausgeführt wird, einen Eintrag aus, der eines von potentiell mehreren zur Ausführung auf dem Rechenkern C0-C3 bereitstehenden Programm repräsentiert, wie unten mit Bezug zu Fig. 4 näher ausgeführt wird.
In einem folgenden Schritt 325 wird bestimmt, welche Zeitdau¬ er dem ausgewählten Programm zur Verfügung gestellt wird, bevor das Verfahren 300 zeitgesteuert erneut aufgerufen wird, um eine erneute Zuteilung eines Programms an den Rechenkern C0-C3 durchzuführen.
Wird im Schritt 315 hingegen bestimmt, dass das Betriebssys¬ tem ausgeführt werden soll, so verzweigt das Verfahren 300 zum Schritt 330 und wählt das Betriebssystem als nächstes auszuführendes Programm aus. Das Betriebssystem kann weitere Programme koordinieren, deren Zuordnung zu einem der Rechenkerne C0-C3 nicht durch das Verfahren 300 gesteuert wird, sondern durch das Betriebssystem selbst. Solche vom Betriebs- System abhängigen Programme laufen innerhalb der Zeit ab, die dem Betriebssystem durch das Steuerprogramm des Verfahrens 300 bereitgestellt wird. Analog zum oben beschriebenen
Schritt 325 wird im folgenden Schritt 335 bestimmt, welche Zeitdauer dem Betriebssystem zur Ausführung zugeordnet ist.
Nach Durchführung des Schritts 325 bzw. 335 fährt das Verfahren mit einem Schritt 340 fort, in welchem überprüft wird, ob ein Ende der bestimmten Zeitdauer mit einem Ende einer anderen Zeitdauer kollidiert, auf die einer der Zeitgeber T0-T3 programmiert ist. Hierfür können Ablaufzeiten aller Zähler T0-T3 in einem Speicherbereich hinterlegt sein, auf den von jedem der Rechenkerne C0-C3 aus zugegriffen werden kann. Eine Kollision der Enden von Zeitdauern bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Ende der in einem der Schritte 325 o- der 335 bestimmten Zeitdauer näher als ein vorbestimmtes Maß an einem Zeitpunkt liegt, zu dem einer der Zeitgeber T0-T3 abläuft und zu dem ein Aufruf des Verfahrens 300 erfolgt. Dieses vorbestimmte Maß ist mindestens so groß wie eine Zeit, die das Verfahren 300 üblicherweise zur einmaligen Ausführung benötigt .
Wird im Schritt 240 eine Kollision des Endes der vorbestimm¬ ten Zeitdauer mit dem Ende einer anderen Zeitdauer festgestellt, so wird in einem Schritt 345 die vorbestimmte Zeit¬ dauer angepasst. Dazu kann die vorbestimmte Zeitdauer um ei- nen vorbestimmten Betrag vergrößert oder verkleinert werden. Die im Schritt 345 verwendete Heuristik zum Anpassen der vorbestimmten Zeitdauer kann auch eine Periodizität der Zeitpunkte, zu denen die Zähler T0-T3 Unterbrechungen auslösen, berücksichtigen. In einer Ausführungsform werden die Schritte 340 und 345 so oft durchlaufen, bis eine Anpassung der Zeit¬ dauer erfolgt ist, die eine Kollisionsfreiheit sicher stellt. Übliche Schutzmaßnahmen zur Verhinderung einer Endlosschleife über die Schritte 340 und 345 können verwendet werden. In einem Schritt 350 wird der Zähler T0-T3, der dem Rechenkern C0-C3 zugeordnet ist, auf dem das Verfahren 300 abläuft, auf einen Wert gesetzt, der der vorbestimmten Zeitdauer entspricht . Schließlich wird in einem Schritt 355 die im Schritt 310 ge¬ setzte Blockade entfernt, so dass weitere Aufrufe des Verfah¬ rens 300 möglich sind, und das in einem der Schritte 320 oder 330 ausgewählte Programm oder Betriebssystem gestartet. Vorzugsweise erfolgen diese beiden Aktionen unteilbar in einem einzigen Schritt, so dass das Verfahren 300 nicht erneut ge¬ startet wird, bevor das ausgewählte Programm bzw. das Be¬ triebssystem auf dem Rechenkern C0-C3 gestartet ist. Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Prozesstabelle 400 zur Ver¬ wendung mit dem Verfahren 300 aus Fig. 3. Jedem der Rechenkerne C0-C3 aus Fig. 2 ist eine individuelle Prozesstabelle 400 zugeordnet. Durch Eintragen eines Programms 410-450 in die Prozesstabelle 400 erfolgt eine Zuordnung des Programms 410-450 zu dem jeweiligen Rechenkern C0-C3.
In der Tabelle 400 sind Programme 410 bis 450 eingetragen. Jedem eingetragenen Programm 410-450 ist eine Priorität, eine Wartezeit, ein Status und eine Anzahl von Ticks zugeordnet. Die Priorität gibt an, mit welcher Dringlichkeit das Programm 410-450 ausgeführt werden soll, wobei eine hohe Priorität ei¬ ner hohen Dringlichkeit entspricht. Von mehreren zur Ausfüh- rung bereitstehenden Programmen 410-450 wird durch das Steuerprogramm des Verfahrens 300 das Programm 410-450 ausge¬ wählt, das die höchste Priorität aufweist. Die Wartezeit des Programms 410-450 gibt an, wie viel Zeit zwischen aufeinander folgenden Aufrufen des Programms 410-450 vergehen soll. Die Wartezeit wird üblicherweise in Einheiten eines für den Re¬ chenkern C0-C3 einstellbaren Systemtakts angegeben, wobei der Systemtakt beispielsweise zwischen 10μ3 und 100 ms, bevorzugt zwischen 100 μ3 und 1 ms betragen kann. In einer Ausführungsform wird der Systemtakt auf die kürzeste Wartezeit aller in der Tabelle 400 eingetragenen Programme 410-450 gesetzt. Wei¬ terhin kann vorgesehen sein, den Systemtakt mit einem anderen Takt zu synchronisieren, um beispielsweise eine Kommunikation mit einer anderen Verarbeitungssystem, das mit der Produktionsmaschine 160 aus Fig. 1 integriert sein kann, zu erleich- tern. So können im Rahmen der technischen Anlage 100 mehrere verteilte Taktgeber bzw. Uhren vorgesehen sein, die Zeitbasen für unterschiedliche Steuerprozesse bereitstellen. Die Syn¬ chronisation kann beispielsweise durch Einschieben von Wartezyklen erfolgen.
Der Status eines Programms 410-450 gibt an, ob das Programm 410-450 zur Ausführung bereitsteht, wartet oder gerade ausge- führt wird. Ist der Status eines Programms 410-450 HIGH
READY, so hat es lange genug auf einer Ausführung gewartet und steht zur Ausführung bereit. Erfordert das Programm 410- 450 keine Rechenzeit und wartet seinen nächsten Aufruf ab, so ist der Status WAITING. Wird das Programm 410-450 ausgeführt, so ist sein Status EXECUTING. Die Anzahl der Ticks jedes Pro¬ gramms 410-450 wird mit jedem Systemtakt um Eins verringert.
Erreicht die Zahl der Ticks eines Programms 410-450 Null, so wird der Status des Programms 410-450 auf HIGH READY gesetzt. Die Ticks werden jedoch weiter gezählt, bis das Programm 410- 450 durch das Steuerprogramm des Verfahrens 300 auf Fig. 3 zur Ausführung ausgewählt wird. Dann wird der Status des Pro¬ gramms 410-450 auf EXECUTING gesetzt und die Anzahl der Ticks des Programms 410-450 auf seine Wartezeit gesetzt.
Eine Statusänderung eines Programms 410-450 von WAITING auf HIGH READY hat somit nicht unmittelbar ein Ausführen des Programms 410-450 auf einem der Rechenkerne C0-C3 auf Fig. 2 zur Folge. Stattdessen signalisiert der Status des Programms 410- 450 dessen Ausführbarkeit, und beim nächsten Aufruf des Steu¬ erprogramms des Verfahrens 300 gelangt dasjenige Programm 410-450 zur Ausführung, dessen Status HIGH READY ist und das gleichzeitig die höchste Priorität hat.
Hat das ausgeführte Programm 410-450 seine Aufgabe erledigt und benötigt bis zu seinem nächsten Aufruf keine weitere Re¬ chenzeit, so ruft das Programm 410-450 das Steuerprogramm des Verfahrens 300 aus Fig. 3 auf. Der Status des Programms 410- 450 in der Prozesstabelle 400 wird von EXECUTING auf WAITING gesetzt .
In einer Ausführungsform erfolgt eine Zuordnung eines Programms 410-450 zu einer Tabelle 400 bzw. zu einem Rechenkern C0-C3 durch das Steuerprogramm des Verfahrens 300. Das Steu- erprogramm protokolliert bei jedem Aufruf, welches Programm 410-450 wann ausgewählt wird. Kann kein Programm 410-450 aus¬ gewählt werden, weil keines zur Ausführung bereit steht, so wird eine Leerlaufzeit des Rechenkerns protokolliert. Aus den protokollierten Zeiten des Arbeitens und der Leerlaufzeiten bestimmt das Steuerprogramm eine Auslastung des Rechenkerns und weist im Bedarfsfall ein Programm 410-450 einem Rechen¬ kern C0-C3 zu, dessen Auslastung niedriger als die anderer Rechenkerne C0-C3 war.
Die Zuordnung kann auch derart erfolgen, dass eine minimale Anzahl Rechenkerne C0-C3 eine möglichst hohe Auslastung auf¬ weisen, so dass verbleibende Rechenkerne C0-C3 nicht oder nur wenig benutzt werden und in einen stromsparenden Modus ver- setzt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt eine Zuordnung eines Programms 410-450 zu einer Tabelle bzw. zu einem Rechen¬ kern C0-C3 manuell durch einen Benutzer des Mikrocomputers 110. Das Steuerprogramm des Verfahrens 300 kann, wie oben ausgeführt, trotzdem entsprechende Protokolleinträge sammeln, auf deren Basis der Benutzer die Zuordnung treffen kann. Eine Aufbereitung der protokollierten Daten, beispielsweise in Listenform oder graphisch, kann hierfür unterstützend erfol- gen. In einer Variante werden Auslastungsgrade mehrerer Re¬ chenkerne C0-C3 dem Benutzer als zeitliche Verläufe darge¬ stellt, gegebenenfalls zusammen mit durchschnittlichen Aus¬ lastungsgraden der Rechenkerne C0-C3. Eine Zuordnung eines Programms 410-450 zu einer Tabelle 400 bzw. zu einem Rechen- kern C0-C3 kann im laufenden Betrieb des Mikrocomputers 110 auf Fig. 1 geändert werden, so dass eine Anpassung an veränderliche Bedingungen oder Anforderungen des Mikrocomputers 110 möglich ist. Beide Ansätze können auch nebeneinander durchgeführt werden, indem beispielsweise einige Programme 410-450 manuell durch einen Benutzer und andere Programme 410-450 automatisch durch das Steuerprogramm des Verfahrens 300 einer Tabelle 400 bzw. einem Rechenkern C0-C3 zugeordnet werden.
Fig. 5 zeigt verschiedene Heuristiken zur Vermeidung von Kol- lisionen der Enden gesetzter Zeitdauern auf dem Prozessor 200 aus Fig. 2. In horizontaler Richtung ist ein Zeitverlauf angetragen. Vertikal sind in vier Zeilen Ausführungsreihenfol¬ gen eines Programms 410-450 und eines Betriebssystems 510 auf einem der beispielhaften Rechenkerne CO oder Cl angegeben. Dunkle Flächen repräsentieren eine Ausführung des Betriebssystems, helle Flächen eine Ausführung eines echtzeitfähigen Programms 410-450.
Bei jedem Wechsel zwischen einer hellen und einer dunklen Fläche erfolgt ein Aufruf des Steuerprogramms des Verfahrens 300 aus Fig. 3. Im Vergleich zu den Zeiten, die das Betriebs¬ system und das echtzeitfähige Programm 410-450 auf dem jewei¬ ligen Rechenkern C0-C3 verwenden, sind die Ausführungszeiten des Verfahrens 300 so gering, dass sie in der Darstellung in Fig. 5 nicht angegeben sind.
In der ersten Zeile ist eine Abfolge von Ausführungen des Betriebssystems und eines echtzeitfähigen Programms 410-450 auf den Rechenkern CO dargestellt. In der zweiten Zeile ist eine entsprechende Abfolge von Ausführungen des Betriebssystems und eines echtzeitfähigen Programms 410-450 auf den Rechen¬ kern Cl dargestellt. An den gestrichelten vertikalen Linien, welche die beiden Zeilen miteinander verbinden, kollidieren Aufrufe des Verfahrens 300 auf den Rechenkernen CO und Cl miteinander.
In der dritten Zeile ist der Ablauf der zweiten Zeile um einen Betrag entlang der Zeitachse verschoben. Diese Verschie¬ bung ergibt sich dadurch, dass die dem Programm 410-450 zuge- ordnete Zeitdauer um eine vorbestimmte Zeit Δ verlängert wird, um eine Kollision am rechten Ende der Darstellung in Fig. 5 zu vermeiden (gestrichelte vertikale Linien) . Das Ein¬ fügen der Zeit Δ erfolgt nur einmalig.
In der vierten Zeile ist eine alternative Herangehensweise zur Vermeidung von Kollisionen skizziert. Hier wird eine Verlängerung der dem Programm 410-450 zugeordneten Zeitdauer um die Zeit Δ bei jedem Ablauf der dem Programm 410-450 zuge¬ ordneten Zeitdauer vorgenommen. Die Heuristik zur Vermeidung von Kollisionen nach der dritten Zeile erscheint einfacher, da nur der nächste Aufruf des Ver¬ fahrens 300 auf dem anderen Rechenkern CO betrachtet wird.
Die Vorgehensweise nach der vierten Zeile hat den Vorteil, dass die Zykluszeiten, die sich jeweils als Summe der dem Be¬ triebssystem zugeordneten Zeitdauer und der dem Programm 410- 450 zugeordneten Zeitdauer ergeben, gegeneinander verstimmt werden können. Je nachdem, in welchem Verhältnis die Zykluszeiten der Abläufe der ersten und der zweiten Zeile zueinander stehen, kann die Herangehensweise der dritten oder vierten Zeile gewählt werden, um zeitliche Kollisionen des Verfahrens 300 auf den Kernen CO und Cl zu vermeiden. Eine Kombination beider Heu- ristiken ist ebenfalls möglich, beispielsweise indem die Zyk¬ luszeiten durch ein erstes Anpassen linear abhängig gemacht werden und in einem zweiten Anpassen einmalig gegeneinander verschoben werden.

Claims

Steuerverfahren (300) zum Ausführen von Programmen (410- 450) auf mehreren parallel arbeitenden Verarbeitungseinrichtungen (C0-C3) , wobei jeder Verarbeitungseinrichtung (C0-C3) ein Zeitsignalgeber (220, D0-D3, T0-T3) zugeord¬ net ist, bei dessen Ablaufen das Steuerverfahren (300) auf der zugeordneten Verarbeitungseinrichtung (C0-C3) ausgeführt wird, wobei das Steuerverfahren (300) folgen¬ de Schritte umfasst:
- Auswählen (320) eines zur Ausführung auf der Verarbeitungseinrichtung (C0-C3) bereit stehenden Programms (410-450) ;
- Setzen (350) des abgelaufenen Zeitsignalgebers (220, D0-D3, T0-T3) auf eine vorbestimmte Zeitdauer und
- Starten (355) des ausgewählten Programms (410-450) auf der Verarbeitungseinrichtung (C0-C3) .
Steuerverfahren (300) nach Anspruch 1, wobei das zur Ausführung bereit stehende Programm (410-450) echtzeit- fähig ist und zusätzlich ein nicht echtzeitfähiges Be¬ triebssystem (510) zur Ausführung bereitsteht und wobei an aufeinander folgenden Durchführungen des Steuerverfahrens (300) auf der selben Verarbeitungseinrichtung (C0-C3) abwechselnd das echtzeitfähige Programm (410- 450) und das nicht echtzeitfähige Betriebssystem (510) ausgewählt wird.
Steuerverfahren (300) nach Anspruch 2, wobei sich die vorbestimmten Zeitdauern des Betriebssystems (510) und des echtzeitfähigen Programms (410-450) zu einer Zyklus¬ zeit ergänzen, welcher der Verarbeitungseinrichtung (C0- C3) zugeordnet ist.
Steuerverfahren (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die Schritte des Vergleichens (340), ob ein Ende der vorbestimmten Zeitdauer weniger als eine vorbestimmte Zeitdauer von einem geplanten Ablaufen eines einer anderen Verarbeitungseinrichtung (C0-C3) zuge ordneten Zeitsignalgebers (220, D0-D3, T0-T3) entfernt liegt, und des Veränderns (345) der vorbestimmten Zeit¬ dauer, falls das der Fall ist.
Steuerverfahren (300) nach Anspruch 3, wobei das Verändern ein Verschieben um einen festen Betrag (Δ) umfasst
Steuerverfahren (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend einen vorausgehenden Schritt des Verhinderns (310) weiterer Aufrufe des Steuerverfah rens (300) und einen abschließenden Schritt des Ermögli chens (355) weiterer Aufrufe des Steuerverfahrens (300) .
Steuerverfahren (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Verarbeitungseinrichtung (C0-C3) eine Liste (400) zugeordnet ist, in die Programme (410- 450) eingetragen sind, die dieser Verarbeitungseinrichtung (C0-C3) zugeordnet sind, und wobei das Auswählen (320) unter den Einträgen der Liste (400) erfolgt.
Steuerverfahren (300) nach Anspruch 7, wobei jeder Eintrag eine Priorität umfasst und das Auswählen (320) in Abhängigkeit der Prioritäten erfolgt.
Steuerverfahren (300) nach dem vorangehenden Anspruch, ferner umfassend den Schritt des Eintragens eines Pro¬ gramms (410-450) in eine der Listen (400) auf der Basis einer zurückliegenden Auslastung wenigstens einer der Verarbeitungseinrichtungen (C0-C3) .
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zum Durchführen des Steuerverfahrens (300) nach einem der vo rangehenden Ansprüche, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computersystem (110-150) abläuft. Computerprogrammprodukt nach dem Anspruch 10, wenn es auf einem computerlesbaren Aufzeichnungsmedium abgespeichert ist.
System zum Ausführen mehrerer Programme (410-450) auf mehreren Verarbeitungseinrichtungen (C0-C3) , wobei das System folgendes umfasst:
mehrere Verarbeitungseinrichtungen (C0-C3) , wobei jeder Verarbeitungseinrichtung (C0-C3) ein Zeitsignalgeber (220, D0-D3, T0-T3) zugeordnet ist;
ein Steuerverfahren (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, das auf einer der Verarbeitungseinrichtungen (C0-C3) ausgeführt wird.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtungen (C0-C3) von einem integrierten Schaltkreis (200) umfasst sind.
System nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitsignalgeber (220, D0-D3, T0-T3) Zähler (T0- T3) umfassen, die mit einem Taktsignal betrieben sind, wobei jeder Zähler (T0-T3) in der ihm zugeordneten Verarbeitungseinrichtung (C0-C3) eine Unterbrechung auslöst, sobald der Zähler (T0-T3) einen vorbestimmten Wert erreicht .
System nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zähler einen programmierbaren Teiler (D0-D3) zum Teilen eines allen Teilern gemeinsa¬ men Taktsignals in jeweils ein einem Zähler (T0-T3) zu¬ geordnetes Taktsignal umfasst.
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