העיצוב של מערכת הפעלה (OS) הוא גורם יסוד בביצוע, אמינות והיקף של מערכות רכישת נתונים הנדסיות (DAQ) מערכות אלה - בשימוש בדוגמת, דיגיטציה, ותהליך אותות אנלוגיים מחיישנים - באופן כבד על מערכת תזמון הבסיסית לניהול משאבי חומרה, לוח זמנים עם קביעת קריטריונים ניהול נתונים תחת פיקוח גבוה.

הבנת מערכות רכישה נתונים ודרישות מערכת ההפעלה שלהם

מערכת רכישת נתונים משלבת חיישנים, חומרת מיזוג אותות, ממירים אנלוגיים-לספרטיים (ADCs), ותוכנה למדידת תופעות פיזיות כגון טמפרטורה, לחץ, רטט או זן.בהגדרה הנדסית טיפוסית, תוכנת DAQ הפועלת במחשב מארח (או בקר מוטבע) ועדה ל-Cataizer, קורא נתונים מ-buffer, ומבצע ניתוח בזמן אמתי או מערכת ההפעלה.

מערכות DAQ מודרניות חייבות להתמודד עם ערוצים בו זמנית מרובים בשיעורי מדגם מעל 1 MS/s לערוץ, עם סך כל המקטעים בטווח של מאות מגה-בתים לשנייה.הם פועלים לעתים קרובות בתרחישים של בקרת אפשרויות סגורות שבהם זמן תגובה רציונאלי - מועדים מורשים יכולים לגרום לאי יציבות או לסיכון בטיחות - הוא חובה.דרישות אלה מציבות לחץ ייחודי על מערכת ההפעלה, הרבה מעבר למה שצפוי במחשוב כללי.

  • (FLT:0) המופשטות של ניהול הנהג ונהגים 1.) - מתן ממשק מאוחד עבור ממשקי ADC שונים וחיישנים (PCIe, USB, Ethernet, PXI).
  • (ב) ,0) טיפול וזמני תזמון (FLT:0) - עיבוד חומרה מפריעה ממכשירי DAQ עם עצלות נמוכה ומוגבלת.
  • (ב) ,0) הקצאה מזכרת ו-bufferingFLT:1 - ניהול מטאטאים מעגליים גדולים כדי למנוע אובדן נתונים במהלך הזרמת מהירות גבוהה.
  • (ב) ,0)I/OתזמוןFLT:1 - עדיפות משימות DAQ על עומסי עבודה שאינם אמיתיים.
  • (ב) סודיות ובקרת גישה (FLT:1), הגנה על נתוני מדידה רגישים מתהליכים לא מורשים.

התואר שבו מערכת ההפעלה פוגשת דרישות אלה נשענת על הפילוסופיה העיצובית שלה - במיוחד אם היא מערכת ההפעלה של מטרות כלליות (GPOS) כמו Windows או לינוקס, מערכת הפעלה בזמן אמת (RTOS) כמו VxWorks או FreeRTOS, או גישה היברידית כגון גרעין לינוקס עם תיקון PREP RT.

עיצוב מערכת ההפעלה Core Attributes המשפיע על ביצועי DAQ

אפשרויות ל-Time Capabilities and Deterministic Scheduling

מערכות רכישת נתונים פועלות לעתים קרובות תחת מגבלות בזמן אמת, כלומר נכונות של תוצאה תלויה לא רק בתוצאות ההגיוניות אלא גם בזמן שבו הוא מיוצר.לוח הזמנים של מערכת ההפעלה קובע כאשר חוט יישום DAQ פועל לאחר אירוע חיצוני, כגון סיום ההמרה ADC להפריע. ב- GPOS, לוח הזמנים מותאם להתאמה ממוצעת באמצעות חישוב והגינות בקרב תהליכים רבים, המוביל לשקיפות משתנה - שיכולה להיות מדידות רגישות לזמן מושחת.

מערכת ההפעלה בזמן אמת (RTOS) משתמשת בלוח זמנים ראשוני מבוסס עדיפות מראש.זה מבטיח כי המשימה הגבוהה ביותר מוכן פועל בתוך זמן ידוע, מחויב זמן לאחר האירוע.לדוגמה, ב VxWorks או QNX, את המהירויות המקסימליות של שיבוש והחלפת משימות במיקרו-II, עם זמנים הגרועים ביותר (WC) שניתן לאמת באמצעות ניתוח מדויק של תפקודים של DLCL (DIVE) או באמצעות לוח זמנים של עיבוד בזמן אמתי).

קרקע בינונית גוברת היא השימוש של הקרנל לינוקס בזמן אמת באמצעות תיקון PREEMPT RT.זה משנה את נעילת הקרנל והפרעה כדי לאפשר כמעט את כל נתיבי ביצוע להיות preempted, צמצום השקיפות המקסימלית ממילימטרים עד עשרות מיקרו-שניות.

אינטרפולונדינג ו- Low-Level Buffering

ב- DAQ במהירות גבוהה, ה- ADC מעלה הפרעה בכל פעם שהמרה משלימה - או, ביעילות רבה יותר, לאחר שבלוק של דגימות ממלא חומרת FIFO.השירות של מערכת ההפעלה (ISR) חייב לאחזר את הנתונים, לנקות את ההפרעה, ולהעביר את הדגימות לתוך buel buffer לפני הבלוק הבא מגיע.אם ISR לוקח זמן רב מדי, חומרת כדוריות על פני זרימת נתונים אבודים ואבדים.

עיצובי RTOS בדרך כלל משתמשים ב-ISR קטן ומהיר אשר פועל בעדיפות חומרה ומשימה מופרכת (משימה או חצי מטפל) לעיבוד הנתונים בפועל.בניגוד, ארכיטקטורות של GPOS kernel לעתים קרובות יש יותר נתיבים ISR עקב שכבות מופשטות נרחב (למשל, מטפלות גנריות של לינוקס) עבור DAQ, זה יכול להיות מופחת על ידי שימוש בדגימות גבוהות של CPU (MAC להפריע רק לאחר ירידה של טיפול ב-Dc מפריעה) תוך צמצום זמן קצר לאחר טיפול תרופתי בלבד.

דוגמה בולטת היא השימוש בגישה כפולה של FLT:0.Research Resources for Real-Time LinuxFreaLT:1 (RT) כפולה-kernel, שבו גרעין קטן בזמן אמת מתחת לשירותי הליבה של לינוקס מפריע מיד ומעביר נתונים באמצעות זיכרון משותף.אדריכלות זו, בעוד פחות נפוץ כיום, ממחישה את המושכות שאליהן מעצבי מערכת ההפעלה הולכים לענות על התגובה הרדיאלית עבור DAQ.

ניהול זיכרון והנתונים באמצעותput

יישומי DAQ דורשים לעתים קרובות כיבים זיכרון גדולים, מקיפים לאחסון נתונים לפני הניתוח. יחידת ניהול הזיכרון של מערכת ההפעלה (MMU) ואסטרטגיה הקצאת דף להשפיע ביעילות על האופן שבו הציצים האלה מטופלים. במערכות זיכרון וירטואליות, הזיכרון מחולק לדפים (בדרך כלל 4 KB), וגישה אקראית ל-bu יכול לגרום תקלות אם לא מותאמות כראוי.

טלוויזיות POS כמו לינוקס מאפשרות הקצאת דף ענק (2MB או 1 GB עמודים) כדי להפחית את TLB להחמיץ ולשפר את ביצועי DMA. עם זאת, נעילה כמויות גדולות של זיכרון יכול לככב תהליכים אחרים ותגובה מערכת השפעה. An RTOS כגון FreeRTOS משתמש שטח כתובת יחיד ללא MMU על מיקרובקרים קטנים, נותן זמני גישה לזיכרון רדיפטטיבי אבל הגבלת הגודל הכולל עבור בקרת זיכרון גבוה.

יתר על כן, קוהרנטיות של שפם היא קריטית כאשר הנתונים מועברים בין ADC ו- CPU. במערכות DAQ משובצות רבות, מערכת ההפעלה חייבת להתמודד עם דחפורים שאינם ניתנים להשגה DMA כדי למנוע נתונים מסולקים.הגרעין הלינוקס מספק DMA API שיחות כדי להבטיח שפיכות נאותים ועיבוד; RTOS עשוי להסתמך על מנגנונים ספציפיים לחומרה.

Multitasking ו Scheduling for Multi-Channel DAQ

מערכות DAQ מודרניות עוקבות לעתים קרובות עשרות או מאות ערוצים בו זמנית.כל ערוץ עשוי לדרוש סינון עצמאי, ירידה בנתונים או חסימה.לוח הזמנים של מערכת ההפעלה חייב להקצות זמן CPU למשימות אלה ללא רעב כל ערוץ.

  • (ב) תזמון (cyclic) תזמון: 1:1 - כל עיבוד של ערוץ מוקצה מרווח קבוע בתוך מחזור תקופתי.זה ⁇ סטי אבל לא יעיל אם דרישות הערוץ משתנות.
  • (FLT:0) תזמון טרום-מספקי (FLT) 1:1 - ערוצים קריטיים (למשל, אלה בלולאה קריטית של בטיחות) לרוץ בראש סדר העדיפויות הגבוה יותר.

GPOS כמו Windows משתמש לוח זמנים מונחה עדיפות עם 32 רמות עדיפות, אבל משימות ניתן חסום על ידי פעולות גרעין (למשל, שגיאות דף) לעומת, RTOS כמו VxWorks מספק עד 256 רמות עדיפות עם נטייה קפדנית.עבור DAQ, זה מאפשר איסוף נתונים עתירי גבוה כדי להפריע ניתוח נמוך יותר של פרטיות, הבטחת דגימות לא מאובטח הודעות דואר אלקטרוני, אשר משפיע גם על לוח זמנים של דואר אלקטרוני אמיתי.

כמה מסגרות DAQ, כגון FLT:0 ,ComediveFLT:1 לינוקס, להשתמש חוט ליבה ייעודי לרכישת נתונים, אשר פועל עם מדיניות לוח זמנים בזמן אמת (SCHED FI או SCHED RR) זה מבטיח כי הלולאההההההה רכישה אינה מופרכת על ידי תהליכי רקע.

השפעה על מערכת Reliability ו Fault Tolerance

מערכות רכישת נתונים בסביבות תעשייתיות או חלל חייבות להמשיך לפעול באופן אמין גם כאשר מתמודדים עם תקלות חומרה, גלי חשמל או תוכנה תלויים.המערכת ממלאת תפקיד מרכזי בהשגת סובלנות לקויה.לדוגמה, מערכת ההפעלה עם שעון חזק יכול לאפס הנהג תקוע או יישום ללא התערבות אנושית.

ב- GPOS כמו לינוקס, הקרנל יכול להיות מוגדר עם מנגנונים נרחבים של קידוד עצמי, אבל התרסקות ביישום של DAQ של המשתמש בדרך כלל דורש הפעלה מחדש. RTOS לעתים קרובות מספק מודל כישלונ יותר מכריע: אם משימה קריטית מפספסת את המועד האחרון שלה, מערכת ההפעלה יכולה להפעיל מטפל או לעבור למצב בטוח.

היבט נוסף של אמינות הוא שלמות מערכת הקבצים במהלך ההרחבה גבוהה של מערכות DAQ רבות כותבות ג'יגה-בייט של נתונים גולמיים לדיסק. An OS המשתמשת במערכת קבצים עתוונים (למשל, Ext4, NTFS, או מערכת קובץ בזמן אמת מיוחד) יכול לשחזר נתונים במהירות לאחר אובדן חשמל בלתי צפוי.

אתגרים בעיצוב מערכת ההפעלה עבור רכישת נתונים

תכנון מערכת ההפעלה ספציפית עבור יישומי DAQ כרוך איזון דרישות סותרות.

  • (FLT:0) ⁇ בזמן אמת עם תכונות עשירות FLT 1 - מערכות DAQ רבות ליהנות מערימה רשת מלאה, תמיכה USB, ממשק משתמש גרפי, אבל תכונות אלה מציגות נתיבי קוד לא קבועים.מעצב מערכת ההפעלה חייב לבחור אילו תת-מערכתיות מותרות בתחום בזמן אמת, אשר מועברות לחלוקה לא ביקורתית.
  • (FLT:0)Hardware VarialFLT:1 - DAQ מערכות ממשק עם מגוון עצום של חיישנים, ADC מודולים, אוטובוסים תקשורת (GPIB, VXI, PXI, LXI, LXI) מערכת ההפעלה חייבת לספק מודל נהיגה המאפשר לספק ספקים של צד שלישי כדי ליישם רכישת נתונים ללא ידע מעמיק של פנימיי גרעין.
  • (FLT:0) סודיות ואמינות הנתונים: למערכות DAQ הופכות מחוברות לרשתות הארגוניות ולענן, הן ניצבות בפני איומים מפני קוד זדוני וגישה בלתי מורשית. An OS that Missings granular Authority control יכול לאפשר תהליך rogue ל טמפר עם פרמטרים או להפיץ נתונים של בדיקות קנייניות.
  • (FLT:0) ניהול כוח ומגבלות תרמיות (FLT:1) - ב- DAQ נייד או מוטבע, מערכת ההפעלה חייבת לנהל מצבי חשמל (שינה, idle) מבלי להפריע לרכישה.עברה של מצב כוח נמוך עשויה לקחת עשרות מ"מ לשנייה, אשר אינו מקובל על ניתוח מתמשך של מערכת ההפעלה מעוצבת היטב מספק שליטה על פני השעון ומתח, המאפשרת לרכיבי שינה פעילים, תוך כדי שמירה על רכיבי DAQ.

אחד האתגרים המתמשכים ביותר הוא להשיג "קשה" התנהגות בזמן אמת (עם עצלות מזוודה חמורה יותר) על מעבדי Multi-core.המערכת חייבת לקבוע משימות והפרעה בליבתים תוך הימנעות מתכנים בקווי הקלידים המשותפים ובאוטובוסים הזיכרון.רבים RTOS עבור ריבוי-core, כגון FLT:0 הילס ירוקות INTEITYFLT:1, שימוש בגישה מפרשתית ומערכת ליבה של מערכת יחסים הדוקה, כל אחת, אשר היא בעלת מורכבות, וחיזוי, עם מורכבות, אשר היא בעלת מערכת יחסים בין-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-לעת-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-לכאורה-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-

מסקנה

ההשפעה של תכנון מערכת הפעלה על מערכות רכישת נתונים היברידית היא עמוקה ורבת פנים.מערכת ההפעלה אינה רק פלטפורמה שבה תוכנת DAQ פועל; היא משתתפת פעילה בכל העברה של דגימות, כל שירות להפריע וכל החלטה תזמון.מערכת כללית, בעוד נוח לפיתוח ופתרונות עשירים בתכונות, עשויה להציג שקיפות בלתי מקובלת וג'ייטר עבור מדידות מהירות גבוהה או בטיחותיות.

עבור מהנדסים בחירת או בניית מערכת רכישת נתונים, הבנת מערכות ההפעלה של מערכת ההפעלה המסחר הוא חיוני.הבחירה חייבת להתאים לדרישות הביצועים של המערכת (קצב, ספירת ערוצים, קווי שקיפות), מהימנות צריכה (מצבי נפילה, יושרת נתונים), ואת צוותי חומרה ותוכנה הזמינים לאיסטם.כפי DAQ עובר לעבר שיעורי הדגימה גבוהים יותר, עיבוד, ניתוח AI-, מערכת ההפעלה תמשיך להיות פתרון מדויק של אבטחה, אם הם פותרים את עקרונות ניהול נתונים ומערכת ניהול אותות בקרה גבוהה, או ירידה.

לקריאה נוספת על עיצוב מערכת ההפעלה לרכישת נתונים, מתייחס לנייר לבן של מכשירים לאומיים על זמן אמת DAQIRFLT:1, The FLT:2Linux Foundation's Real-Time Linux Project:0.10:3, וספר הלימוד של DAQLT:4-Time Systems: Design for Distried Embedd Applicationssal-TimesLT:5 by Herman Kozpet.