DE29620374U1

DE29620374U1 - Interruptsystem zum Implementieren eines echtzeitfähigen Steuerprogramms in einem nicht-echtzeitfähigen Betriebsprogramm

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Publication number: DE29620374U1
Application number: DE29620374U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-11-22
Filing date: 1996-11-22
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2006-11-23

Description

Beckhoff Ind. Elektronik**-* 6fefe-35802*

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Interruptsystem zum Implementieren eines echtzeitfähigen Steuerprogramms in einem nichtechtzeitfähigen Betriebsprogramm.

Bei der Automatisierung von Maschinen und Produktionsanlagen werden zur Steuerung zunehmend Personalcomputer (PC) eingesetzt. Der wesentliche Vorteil von PC-gestützten Steuerungssystemen gegenüber herkömmlichen speicherprogrammierbaren Steuerungslösungen (SPS/CNC) besteht in der Möglichkeit allgemein gültige Rechnerstandards, die durch internationale Normen und durch vielfach erfolgreichen Einsatz am Markt vorgegeben werden, einsetzen zu können. Hierdurch wird einerseits eine kostengünstige Steuerungslösung erreicht und andererseits gleichzeitig der Einsatz modernster Technik durch die kurzen Innovationszyklen bei der PC-Entwicklung gewährleistet.

Als ein erster Ansatz zur Verwendung von PCs in Automatisierungssystemen wurden spezielle PC-Baugruppen in bestehende SPS/CNC-Steuerungssysteme integriert. Der Einsatz zusätzlicher externer PCs, insbesondere zur Visualisierung und Protokollierung des SteuerungsVorgangs, macht solche Steuerungssysteme jedoch aufwendig und teuer.

Als wesentlich vielversprechenderer Lösungsansatz für die Verwendung von PCs zu Steuerungsaufgaben hat sich deshalb die Integration der SPS/CNC-Funktionen in den PCs selbst herauskristallisiert. Die extrem schnelle und kontinuierliche Leistungssteigerung der PC-Prozessoren in den letzten Jahren hat es nämlich möglich gemacht, gleichzeitig steuerungstechnische Aufgaben im Echtzeitbetrieb, d.h. die Verarbeitung von Informationen zum gleichen Zeitpunkt mit der gleichen Geschwindigkeit, mit der diese anfallen, und klassische PC-Funktionen mittels eines einzigen Prozessors zu bewältigen. Dieser Lösungsansatz hat nicht nur unter Kostengesichts-

punkten Vorteile, sondern bietet auch eine höhere Flexibilität bei der Anpassung der Steuerung an gewünschte Applikationen.

Um eine Echtzeit-Steuerung mittels eines PC auszuführen zu können, muß dieser allen auftretenden Aufgaben ausreichende Rechenleistung zur Verfügung stellen und damit eine stabile Prozeßkontrolle ermöglichen. Genauer muß der PC ein zyklisches Bearbeiten einer Steuerungsaufgabe ohne zeitliche Schwankungen, d.h. mit einem Jitter im Bereich von wenigen Microsekunden, mit einer vorhersehbaren Latenzzeit, d.h. Antwortzeit der Steuerung auf eine Regelungsanforderung, gewährleisten.

Im Idealfall muß auf dem PC kein zusätzliches Betriebssystem für Echtzeitaufgaben implementiert werden, sondern das zur Ausübung der üblichen PC-Funktionen implementierte Betriebssystem leistet die Echtzeitsteuerung gleich mit. Jedoch genügen nahezu alle bisher bekannten Betriebssysteme nicht den obengenannten EchtZeitanforderungen. Dies gilt vor allem für die Standardbetriebssysteme für PCs der Firma Microsoft.

Insbesondere die Windows-Betriebssysteme eignen sich nur sehr unzureichend für zeitkritische Steueraufgaben, da unter diesen Betriebssystemen auftretende Unterbrechungsanforderungen, d.h. Interrupts, nicht direkt auf dem PC-Prozessor Zugriff haben. Wenn unter den Windows-Betriebssystemen eine Steuerungsaufgabe durch den PC-Prozessor ausgeführt werden soll, übernimmt ein virtueller Maschinenmanager nach dem Interrupt-Anruf die Zuordnung der Prozessor-Ressourcen. Diese zwischengeschaltete Virtualisierung erhöht jedoch die Latenzzeit wesentlich, insbesondere dann, wenn bei Eintreffen höher priorisierter Interrupts die Durchführung der früheren Interrupt-Aufforderung unterbrochen werden muß. Weiterhin ist unter den Windows-Betriebssystemen auch die Konstanz der Latenzzeit, die wesentlich für Steuerungsaufgaben ist, nicht gewährleistet, weil die Betriebssysteme je nach Art des Interrupt-Aufrufs unterschiedlich schnell reagieren. Da jedoch die Windows-Betriebssysteme diejenigen Plattformen für PCs mit dem

größten Application-Softwareangebot sind, wäre es insbesondere wünschenswert, Echtzeitaufgaben unter diesen Betriebssystemen durchführen zu können.

Zur Lösung des Problems nicht-echtzeitfähiger Betriebssysteme wird in der DE 44 06 094 Al vorgeschlagen, die Echtzeitausführung eines Steuerprogramms dadurch zu gewährleisten, daß durch direkten Zugriff auf den nicht maskierbaren Interrupt (NMI) des Prozessors ein kompletter Umgebungswechsel vom nicht-echtzeitfähigen Betriebssystem auf das echtzeitfähige Steuerungsprogramm durchgeführt wird. Dieser Umgebungswechsel über den nicht-maskierbaren Interrupt macht jedoch eine Zusatz-Hardware für das PC-System erforderlich, mit der die Aufrufe des nicht-maskierten Interrupts erzeugt werden können. Weiterhin besitzt das in der DE 44 06 094 Al vorgeschlagene Verfahren beim Zugriff über das nicht-maskierbare Interrupt keine Kenntnis vom augenblicklichen Zustand des Betriebssystems, so daß dieses auch an kritischen Code-Abschnitten, die ohne Unterbrechung bearbeitet werden müssen, angehalten wird, was zu Instabilitäten im Betriebssystem führen kann. Dies gilt insbesondere bei Verwendung des Verfahrens gemäß DE 44 06 094 Al, bei dem für die Unterstützung komplexer Automatierungsaufgaben besonders geeigneten Betriebssystem Windows NT. Bei diesem Betriebssystem ist der nicht-maskierbare Interrupt für "fatale" Hardwarefehler des Prozessors vorgesehen. Bei Aufruf des nicht-maskierbaren Interrupts sorgt Windows NT deshalb für einen HALT-Zustand mit Systemmeldung. Da der Betriebssystemkern von Windows NT bei Aufrufen des nicht-maskierbaren Interrupts immer diesen HALT-Zustand erwartet, verbietet sich dessen Nutzung zur Ausführung von Umgebungswechseln zum Echtzeitbetrieb von Steuerungsaufgaben. Schließlich wird bei dem aus DE 44 06 094 Al bekannten Verfahren auch nur der Einsprung in das Betriebssystem mittels nicht-maskierbarem Interrupt festgelegt. Es ist jedoch kein definiertes Ende des in Echtzeit ausgeführten Steuerungsprogramms vorgesehen, so daß dem Betriebssystem bis

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zum nächsten Aufruf des Steuerprogramms gegebenfalls keine Zeit zur Ausführung verbleibt.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Interruptsystem zum Implementieren eines echtzeitfähigen Steuerprogramms in einem nicht-echtzeitfähigen Betriebsprogramm zu schaffen, das Echtzeitanwendungen unter dem nicht-echtzeitfähigen Betriebsprogramm ermöglicht, ohne die Stabilität des Betriebsprogramms zu gefährden.

Diese Aufgabe wird durch ein System gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Interruptsystem basiert auf einer deterministischen Zeitverteilung zwischen dem echtzeitfähigen Steuerprogramm und dem nicht-echtzeitfähigen Betriebsprogramm, d.h. das echtzeitfähige Steuerprogramm führt seine Aufgaben auf dem Prozessor des PCs zu Zeitpunkten aus, die von dem nicht-echtzeitfähigen Betriebssystem akzeptiert werden.

Um ein solches deterministisches Verhalten zu erreichen, werden gemäß der Erfindung pro Betriebszyklus des PC-Systems zwei Interrupts ausgelöst, wobei der eine Interrupt einen Umgebungswechsel von dem nicht-echtzeitfähigen Betriebssystem auf das echtzeitfähige Steuerprogramm und der andere Interrupt einen Umgebungswechsel von dem echtzeitfähigen Steuerprogramm auf das nicht-echtzeitfähige Betriebsprogramm ausführt, so daß in einem Betriebszyklus sowohl dem echtzeitfähigen Steuerprogramm als auch dem nicht-echtzeitfähigen Betriebsprogramm Laufzeiten zugeordnet sind. Die notwendigen Interrupt-Anforderungen zum Auslösen der Interruptroutinen werden dabei von einer internen oder externen Interrupt-Quelle des PC-Systems durchgeführt, wobei gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform hierzu die Zeitgeber des PC-Systems, die die Systemtaktaufrufe bewirken, d.h. z.B. der Timer 0, herangezogen werden können.

Weiterhin ist beim erfindungsgemäßen Interruptsystem der Betriebszyklus des PC-Systems durch Programmieren der Inter-

rupt-Folge der Interrupt-Quelle frei einstellbar, wobei vorzugsweise eine Zykluszeit von 0,1 msec bis 1 msec gewählt wird, um für einen stabilen Programmablauf des echtzeitfähigen Steuerprogramms und des nicht-echtzeitfähigen Betriebsprogramms zu sorgen.

Darüber hinaus kann beim erfindungsgemäßen Interruptsystem auch das Verhältnis zwischen der Laufzeit des echtzeitfähigen Steuerprogramms und der Laufzeit des nicht-echtzeitfähigen Betriebsprogramms verändert werden, wobei dem nichtechtzeitfähigen Betriebsprogramm eine Mindestlaufzeit zugeordnet werden kann. Hierdurch läßt sich eine optimale Verteilung der Rechenkapazitäten des PC-Prozessors sowohl auf die Steueraufgaben als auch auf die normalen PC-Funktionen erreichen, wobei durch Sicherung einer Mindestlaufzeit des nichtechtzeitfähigen Betriebssystems dessen Stabilität gewährleistet ist. Weiterhin kann auch während der Abarbeitung des echtzeitfähigen Steuerprogramms dieses Laufzeitverhältnis stufenlos modifiziert werden, um erforderliche Anpassungen des Echtzeitbetriebs, z.B. bei erhöhter "Echtzeit-Last", ausführen zu können.

Der erfindungsgemäße Lösungsansatz ermöglicht eine stabile Implementierung eines echtzeitfähigen Steuerprogramms in einem nicht-echtzeitfähigen Betriebsprogramm auf einem Prozessor, wobei insbesondere gewährleistet wird, daß zeitkritisehe Betriebssystemaufgaben, wie z.B. Netzwerk-, Hard-Disk- oder COM-Port-Aufgaben, ohne Unterbrechung sicher abgearbeitet werden. Weiterhin ist keine umfangreiche Zusatz-Hardware für das PC-System zum Ausführen der Steuerungsaufgaben notwendig, da die vom nicht-echtzeitfähigen Betriebssystem verwalteten PC-Ressourcen gleichzeitig zum Echtzeitbetrieb des Steuerprogramms genutzt werden können.

Um einen sicheren Echtzeitbetrieb ausführen zu können, sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Sicherungsmaßnahmen gegen ungewünschte Umprogrammierungen der Interrupt-Quelle vorgesehen. Nach Einrichten des Betriebszyklus auf dem PC-System wird hierdurch ein Verändern der zeitlichen Ab-

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der Interrupt-Aufrufe der Interrupt-Quelle bis zum Durchlaufende des echtzeitfähigen Steuerprogramms oder dessen externer Unterbrechung wirksam verhindert.

Unter dem Betriebssystem Windows NT tritt weiter das Problem auf, daß oft ein Neuanstoßen der Serviceroutine des Systemzeitgebers kurz nach deren regulären Anstoßen ausgelöst wird, um auftretende Systemlasten besser verteilen zu können. Gemäß der Erfindung wird ein solcher Neuanstoß identifiziert und ein unerwünschter, vom Neuanstoß ausgelöster Aufruf des Echtzeitsteuerprogramms verhindert.

Die Erfindung ermöglicht nicht-echtzeitfähige Betriebssysteme auf offene und kompatible Weise mit Echtzeit-Eigenschaften auszustatten und somit einem PC verfügbar zu machen, der für alle Bereiche der Automatisierung ohne ein aufwendiges und zusätzliches Betriebssystem und Coprozessor-Karten die "harte Echtzeit" in leistungfähiger Weise beherrscht. Dies gilt insbesondere auch für die Standardbetriebssystem der Firma Microsoft und hier vor allem für das Betriebssystem Windows NT, das als Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnungen im folgenden näher erläutert wird.
In den Zeichnungen zeigen

Figur 1 einen Teil eines erfindungsgemäßen Interruptsystems mit einem Zeitgebersystem und einem Interruptcontrollersystem in Blockschaltbild-Darstellung; und

Figur 2 einen weiteren Teil des erfindungsgemäßen Interruptsystems.

Wie in Figur 1 dargestellt, enthält das Interruptsystem ein Zeitgebersystem 1 mit einem Timer 0 (OUTO) , der in der vorliegenden Ausführungsform zugleich als Systemzeitgeber dient. Die von diesem Timer 0 über eine Interruptleitung IRQO abgegebenen Interrupt-Aufrufe werden einem üblicherweise aus zwei Interruptcontrollern bestehenden Interruptcontrollersystem (2, 3) zugeführt, das über eine Prozessorleitung INTR einen Interrupt im Prozessor des PC-Systems auslöst.

Das Interruptsystem zieht, wie in Figur 2 gezeigt ist, die im Interruptsignal enthaltene Interrupt-Nummer als Index

in einer Interruptvektortabelle 4 heran und liest den entsprechenden Beschreiber, der einen Selektor und einen Offset enthält. Der Selektor dient als Zugriffsschlüssel auf einen Codesegment-Beschreiber in einer globalen oder lokalen Beschreibertabelle 5. Dadurch bringt der Prozessor das Codesegment in einem Speicher 6 in Erfahrung, das die Interruptroutine für das ausgelöste Interrupt enthält. Der Offset dient als Einsprungspunkt in dieses Codesegment und stellt die Startadresse der Interruptroutine dar. Bei einem Interrupt-Aufruf durch den Timer 0 wird unter dem Windows NT-Betriebssystem üblicherweise die Systemtaktroutine ausgelöst.

Gemäß der Erfindung wird nun in einem ersten Schritt der Timer 0 auf den gewünschten Betriebszyklus vorzugsweise im Bereich von 0,1 msec bis 1 msec über die Multimedia-Timer-.

Auflösung mit gleichen Aufrufen für Windows NT-Funktionen eingestellt. Der Timer 0 erzeugt vorhersehbare Interrupt-Aufrufe, die unter dem Interruptvektor INT30H in der Interruptvektortabelle 4 gespeichert sind. Dieser Interruptvektor wird gemäß der Erfindung überschrieben, so daß er die Adresse der in dem Speicher 6 eingeschriebenen Implementierungsroutine anzeigt. Weiterhin werden bis zum Durchlauf oder der Unterbrechung des echtzeitfähigen Steuerprogramms Aufrufe des Windows NT-Betriebssystems zur Neuprogrammierung des Timers 0 unterdrückt.

Der den Betriebszyklus des PC-Systems festlegende Timer 0 gibt nach einer Umprogrammierung jeweils zwei Interrupt-Aufrufe pro Betriebszyklus ab. Die Zeitintervalle zwischen diesen beiden Interrupt-Aufrufen sind dabei frei einstellbar, so daß ein beliebiges Zeitverhältnis zwischen der Abfolge der Interrupt-Aufrufe in einem Betriebszyklus eingestellt werden kann. Die Implementierungsroutine löst beim ersten Interrupt-Aufruf immer einen Umgebungswechsel von dem Windows NT-Betriebssystem auf das echtzeitfähige Steuerprogramm und beim zweiten Interrupt-Aufruf einen Umgebungswechsel von dem echtzeitfähigen Steuerprogramm auf das Windows NT-Betriebsprogramia aus. Für den Umgebungswechsel von dem

Steuerprogramm in das Windows NT-Betriebsprogramm wird dabei die Systemtaktroutine eingesetzt. Während der Abarbeitung des Steuerprogramms kann weiterhin das Zeitverhältnis zwischen den beiden Interrupt-Aufrufen des Timers 0 stufenlos verändert werden, wobei jedoch eine Mindestlaufzeit für das Windows NT-Betriebssystem abgesichert ist, um dessen Stabilität bei zeitkritischen Funktionen nicht zu gefährden.

Beim Windows NT-Betriebssystem besteht weiterhin im Zusammenhang mit dem Echtzeitbetrieb das Problem, daß das Betriebssystem nach einem regulären Aufruf der Serviceroutine des Timers 0 diese oft kurze Zeit später nochmals aufruft, um eine bessere Systemlastverteilung erzielen zu können. Beim erfindungsgemäßen Interruptsystem werden diese Neuaufrufe durch das Windows NT-Betriebssystem identifiziert und ein unerwünschtes Auslösen des Echtzeitsteuerprogramms verhindert.

Nach dem Abarbeiten des Steuerprogramms bzw. bei dessen Unterbrechung wird der ursprüngliche Interruptvektor INT30H in die Interruptvektortabelle 4 zurückgeschrieben, so daß wieder auf die Systemtaktroutine des Windows NT-Betriebssystems bei Timer O-Interrupts gezeigt wird. Weiterhin wird die Blockade der Neuprogrammierung des Timers 0 aufgehoben, wodurch das Windows NT-Betriebssystem sein ursprüngliches Verhalten vor der Implementierung des Echtzeitsteuerprogramms wiederherstellen kann.

Das erfindungsgemäße Interruptsystem ermöglicht also eine deterministische Zeitverteilung zwischen dem Echtzeitsteuerprogramm und dem Windows NT-Betriebsprogramm, die synchron zum Systemtakt vorgenommen wird. Durch das erfindungsgemäße Interruptsystem ist es möglich, alle Arten von Steuerungsprogrammen unter dem Windows NT-Betriebsprogramm zu implementieren, ohne die Eigenschaften dieses Programms zu verändern.

Das erfindungsgemäße Interruptsystem läßt sich jedoch nicht nur bei dem Windows NT-Betriebsprogramm anwenden, sondern ist auch für alle weiteren nicht-echtzeitfähigen Betriebsprogramme geeignet.

Claims

Beckhoff Industrie Elektronik - DEG-35802 Schutzansprüche

1. Interruptsystem zum Implementieren eines echtzeitfähigen Steuerprogramms in einem nicht-echtzeitfähigen Betriebsprogramm auf einem Prozessor eines PC-Systems mit

einer Interrupt-Quelle (1) und

einer mit der Interrupt-Quelle (1) verbundene Interrupteinrichtung (4, 5/ 6) zum Durchführen eines Umgebungswechsels von dem nicht-echtzeitfähigen Betriebsprogramm auf das echtzeitfähige Steuerprogramm in einem Betriebszyklus des PC-Systems analog zu einem ersten Interrupt-Aufruf der Interrupt-Quelle, so daß dem echtzeitfähigen Steuerprogramm in dem Betriebszyklus eine feste Laufzeit zugeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Interrupt-Quelle (1) ausgelegt ist, um zwei Interrupt-Aufrufe in dem Betriebszyklus auszulösen, und

die Interrupteinrichtung (4, 5, 6) ausgelegt ist, um in dem Betriebszyklus des PC-Systems einen Umgebungswechsel von dem echtzeitfähigen Steuerprogramm auf das nicht-echtzeitfähige Betriebsprogramm analog zu dem zweiten Interrupt-Aufruf der internen Interrupt-Quelle durchzuführen, so daß dem nicht-echtzeitfähigen Betriebssystem in dem Betriebszyklus eine feste Laufzeit zugeordnet ist.

2. System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Interrupt-Quelle (1) ein Zeitgeber des PC-Systems ist, der mittels der Interrupt-Aufrufe den Systemtakt festlegt.

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3. System gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitgeber programmierbar ist, und eine Einrichtung zum Festlegen der Zeitintervalle zwischen den Interrupt-Aufrufen des Zeitgebers vorgesehen sind.

4. System gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebszyklus durch Festlegen der Interrupt-Aufruffolge des Zeitgebers, vorzugsweise zwischen 0,1 msec und 1 msec, eingestellt wird.

5. System gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitgeber mit zwei alternierenden Zeitintervallen zum Auslösen aufeinanderfolgender Interrupt-Aufrufe eingestellt wird, die das Verhältnis zwischen der Laufzeit des echtzeitfähigen Steuerprogramms und der Laufzeit des nicht-echtzeitfähigen Betriebsprogramms festlegen.

6. System gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Identifizieren eines Anstoßes der Serviceroutine des Zeitgebers durch das nicht-echtzeitfähige Betriebssystem und Verhindern des Auslösens des echtzeitfähigen Steuerprogramms aufgrund dieses Anstoßes.

7. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die nach dem Einrichten des Betriebszyklus auf dem PC-System mit einem Umgebungswechsel von dem nicht-echtzeitfähigen Betriebsprogramm auf das echtzeit-

fähige Steuerprogramm und einem Umgebungswechsel von dem echtzeitfähigen Steuerprogramm auf das nicht-echtzeitfähige Betriebsprogramm ein Verändern der Interrupt-Aufrufe der zugehörigen Interrupt-Quelle verhindern, bis das echtzeitfähige Steuerprogramm abgearbeitet ist oder unterbrochen wird.