TwinCAT3 实时内核调度算法

前言

TwinCAT3 支持多核心CPU并行运行实时任务，根据官方网站的帮助信息“实时”定义取自DIN44300，而且实时任务的调度算法默认是 RMS算法（速率单调调度算法）

RMS算法

来看一下百度百科的解释：
RMS（单调速率调度算法）是一种静态优先级调度算法，是经典的周期性任务调度算法。 RMS的基本思路是任务的优先级与它的周期表现为单调函数的关系，任务的周期越短，优先级越高；任务的周期越长，优先级越低。如果存在一种基于静态优先级的调度顺序，使得每个任务都能在其期限时间内完成，那么RMS算法总能找到这样的一种可行的统调度方案。
理论证明过程可以参看百度百科上的论述，这里不细说，直接给结论：
1）单核心处理器处理周期性任务时，RMS算法是最优的；
2）RMS算法是抢占式算法，周期越短的任务，优先级越高。
针对第二点，例如对于处理器来说，假定有2个任务，周期分别是任务A：10 ms，任务B：50ms，那么CPU每50ms就会“中断”一次去执行任务A，A必须确保在10ms内执行完，假如A实际执行仅用2ms，那么剩下的8ms就可以给任务B执行，如果任务B实际执行需要35ms，那么执行完8ms以后，又到了10ms的中断时机，这时候CPU就把任务B挂起，把它的当前状态保存起来，以备后续接着执行任务B，转头去第二次执行任务A，任务A又用了2ms，这时候又空出来8ms来执行任务B，任务B再次执行8ms，CPU被迫中断，到目前为止，任务B总共运行了16ms，任务A运行了4ms，CPU运行了20ms。第三轮抢占再次开始，CPU第三次运行时，任务A占去2ms，任务B占去8ms，10ms时间又到了，CPU再次被中断，此时任务A运行了23=6ms，任务B总共运行了83=24ms，CPU总共运行了103=30ms；第四次抢占开始，任务A运行2ms，任务B运行8ms，CPU运行10ms，然后再次中断，到目前为止，任务A运行了24=8ms，任务B运行了 84=32ms，CPU运行了 104=40ms；第五次抢占开始，任务A运行2ms，任务B运行8ms，CPU运行10ms，任务A总共运行了25=10ms，这10ms是真正被任务A利用的CPU时间，CPU没有空转浪费。任务B运行3ms，这时，任务B总共运行了 32+3=35ms，才算是跑完了完整的“一圈”，期间被任务A多次打断。这时候CPU还剩 10-2-3=5ms空余时间，但是！！！！因为任务B的周期是50ms，所以CPU前四次总共执行了104=40ms，第五次实际跑任务A和任务B又花费了5ms，下一个10ms计时到，任务A的10ms中断和任务B的50ms周期中断一起触发，所以CPU空余时间实际上只有50-45=5ms，第六轮开始…
可以发现，在CPU运行的50ms时间内，任务A的代码被跑了5遍，任务B的代码只跑了1遍。

中断机制

Double-Tick中断

由于TwinCAT3支持多核心运行，衍生出两种核心分配机制即共享核心和独占核心，共享核心由TwinCAT实时调度器（下称 TwinCAT kernel）分配实时任务和Windows系统的占比，默认是 80%，即CPU在预设的实时周期中，其确保80%的CPU运算时间分配给实时任务，Windows系统只使用剩下的20%运算时间，这个值是可调的，如果接触过FreeRTOS这类tiny real-time kernel的人可能会注意到，在FreeRTOS中task的切换需要保存当前正在运行task的上下文，如果没有运行完，下一次排到它的时候，它就可以恢复当时的上下文环境（本质是寄存器中的值）接续运行。在TwinCAT的调度机制中，共享核心也需要在实时任务和非实时任务之前切换，若当前周期内实时任务没有运行完，那么就需要保存实时任务的上下文环境，以备下一周期恢复来接续执行。80%的设定就是保证在共享核心中，Windows系统总能获得20%的时间来执行，这个“切换点”就是中断来控制的，TwinCAT中称之为Double Tick。
下图中，第一个周期内，Double-Tick到来时实时任务还没有运行完，这时就需要保存实时任务的上下文环境，第二个Base Time到来的时候，上一次没有执行完的任务又获得了一段执行时间（绿色和红色的部分），然后才轮到了本次的“读输入-执行代码-写输出”的实时任务。
在这里插入图片描述

Tick中断

Tick中断是用来规划CPU时间片的，例如有两个核心的CPU，其中一个核心运行了PLC Task，该PLC Task的运行周期是10ms，那么每10ms中断一次就是Tick中断在负责。注意这里的Base Time就是10ms，如果在TwinCAT中把 Base Time设为100us，但是PLC Task设为 10ms，那么下图中的Base Time还是10ms，这个是要注意区分的。
在这里插入图片描述
在独占核心的情况下，Double-Tick中断没有存在的价值，因为整个核心被用来跑实时任务，也就是说TwinCAT Real-Time Kernel独占这个核心，Windows操作系统不能使用这个核心来运行了，那么实时任务的调度就变得简单了，如下图所示，这样用户的PLC程序获得了更过的CPU时间，用来跑一些计算量大的程序或者对jitter要求严苛的程序适合使用独占核心的这种配置方法，jitter会在Double-Tick的时候产生，由于和用户程序相关这个jitter存在“抖动”。
在这里插入图片描述

超时机制

对于用户而言，预测自己程序的执行时间非常困难，尤其是目前多核心的CPU，结合不同的核心分配机制，这个时间是不确定的，那么一旦用户程序写的非常复杂，在一个周期内并不能运行完毕该怎么办，TwinCAT的处理方法是放到下一个周期中继续运行，这样实际上挤压了下一个周期中程序的执行时间，导致后面每个周期都不能来运行本属于自己这个周期的程序，反而得腾挪时间来跑上一次积压下来的程序，这样的话，实际上几轮周期下来，对应关系就乱起来了，而且程序实际跑了几圈并不能通过周期运行圈数来一一对应，这种情况其实是不允许的。
如下图所示，CPU跑了4圈，但程序实际上只执行了3次，这种情况就会导致超时计数器累加。
在这里插入图片描述
一个正常运行的程序，超时计数器不应累计，应当始终为零，如下图所示