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飞行模拟器的计算机系统实时调度与通信关键技术研究

郑书朋

  飞行模拟器是一种能够逼真复现真实飞机在地面滑行和空中飞行动态过程的地面模拟设备。由于具有经济、安全、高效和环保等优点,它在新机研制、飞行理论研究、飞行控制研究和飞行训练等领域获得了广泛应用。本文在综合分析国内外飞机模拟器研究机构广泛采用的实时调度与通信技术的基础上,以满足飞行模拟器仿真任务运行的实时性要求,提高任务调度的成功率和可靠性,改善飞行模拟器混合网络体系结构通信的实时性为目的,提出了一种应用于飞行仿真系统实时计算的多处理器实时调度与通信技术,并通过模拟试验与应用研究的方法探讨了技术的可行性。 为满足飞行模拟器周期性仿真任务的实时调度要求,建立了周期性仿真任务的多处理器实时调度模型,提出了对任务间时序约束与资源访问约束的整合处理方法,并依此设计出了一种新颖的非抢占EDF多处理器实时调度算法。详细讨论了基于对称共享内存多处理器周期性仿真任务的全局调度器模型和非抢占EDF多处理器实时调度算法的可行性判定及任务分配流程。并通过模拟试验验证了该算法能够在处理器负载过高、任务计算负载及任务间执行周期差异过大等情况下有效地提高周期性仿真任务集的调度成功率,同时具有执行开销低的优点。 结合飞行模拟器对故障模拟的功能要求和性能要求,提出了非周期性仿真任务的实时调度目标,建立了这类任务的多处理器实时调度模型,并依此设计出了一种新颖的基于启发式搜索策略的非周期性仿真任务的多处理器实时调度算法。详细讨论了基于对称共享内存多处理器非周期性仿真任务的全局调度器模型,启发式估价函数的构造方法,调度算法的可行性判定及任务分配与处理器空闲时间回收方法,探讨了改善算法调度成功率及缩短任务响应时间的处理器空闲时间回收策略,并结合飞行模拟器对故障模拟的可靠性要求,提出了算法的容错扩展方法。用模拟试验验证了上述方法的综合使用能较好地适应于预留时间短、任务裕度低、容错要求高以及激活执行事件随机到达的非周期性仿真任务实时调度环境,同时这些算法具有执行开销低的优点。 通过对飞行模拟器混合网络体系结构进行详细分析,基于对虚拟令牌和实时通信控制流程的设计,提出了一种新颖的基于虚拟令牌的以太网实时通信技术;基于对虚拟站点优先级队列(Virtual Node Priority Queue, VNPQ)和报文分类优先级的设计,采用动态分配报文传输优先级和局部修改CAN总线逻辑链路控制子层(Logical Link Control Sublayer, LLC)报文滤波的方法,提出了一种新颖的CAN总线实时性改进技术。并通过构建与飞行模拟器网络通信环境配置相当的测试平台,对上述通信技术进行了实时性测试,测试结果表明基于虚拟令牌的以太网实时通信技术和基于VNPQ的CAN总线实时通信技术能够有效满足飞行模拟器对混合网络通信的实时性要求。 针对上述研究成果,对多处理器实时调度与通信技术在“飞行模拟器关键技术研究与试验平台”上的应用展开深入研究。基于在试验平台上与仿真子系统的集成,对仿真模型运行实时性,网络通信实时性,和飞机正常起飞、着陆以及发生发动机鸟撞故障三种典型飞行训练任务下飞行仿真结果响应时间的一致性进行了广泛测试。通过对试验结果的详细分析验证了多处理器实时调度与通信技术在飞行模拟器中应用的有效性和可行性。……   
[关键词]:飞行模拟器;对称共享内存多处理器;仿真任务;实时调度;以太网;CAN总线
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:哈尔滨工业大学2011年