通過實時加速器技術(shù)實現(xiàn)實時應(yīng)用程序的 Windows

概述

如今，越來越多的應(yīng)用，特別是在工業(yè)自動化、醫(yī)療技術(shù)、數(shù)據(jù)采集和測量技術(shù)等領(lǐng)域，都需要確定性的實時行為。acontis實時加速器技術(shù)（RtaccWin）使您能夠在Windows下運行具有確定性的硬實時功能應(yīng)用程序。這是通過專門為實時應(yīng)用程序保留一個或多個CPU來實現(xiàn)的，設(shè)置 Windows 適當(dāng)?shù)?a target="_blank">參數(shù)化并利用 acontis 內(nèi)核驅(qū)動程序進(jìn)行精確定時和直接硬件訪問。

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軟件架構(gòu)

基于Windows IoT Enterprise的PC可以從acontis的RtaccWin軟件中受益，以保證在1毫秒的周期時間中運行穩(wěn)定的實時應(yīng)用程序。原則上，還可以實現(xiàn)更快的周期時間。為了實現(xiàn)這一點，至少保留一個CPU專門用于實時應(yīng)用程序，而其他CPU則于標(biāo)準(zhǔn)的Windows應(yīng)用程序。

RtaccWin 包括一個Windows系統(tǒng)驅(qū)動程序，可為整個應(yīng)用程序提供精確且可調(diào)節(jié)的時鐘。為了確保確定性行為，標(biāo)準(zhǔn)Windows驅(qū)動程序通常不用于實時應(yīng)用程序。相反，RtaccWin中的內(nèi)核驅(qū)動程序允許從 Windows 用戶模式直接訪問硬件，例如網(wǎng)卡、現(xiàn)場總線卡等，從而降低抖動、顯著降低CPU利用率并具有確定性行為。還允許在不使用Windows網(wǎng)絡(luò)堆棧的情況下發(fā)送和接收以太網(wǎng)幀，并且在并行使用其他網(wǎng)絡(luò)接口時不會產(chǎn)生不利影響。

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配置工具：RtaccWinConfig

軟件配置工具 RtaccWinConfig用于為實時應(yīng)用程序準(zhǔn)備Windows系統(tǒng)。首先，它至少隔離了一個CPU，這也意味著常規(guī) Windows進(jìn)程和服務(wù)不會再使用該CPU。這樣，隔離的CPU就能專門用于實時應(yīng)用程序。

RtaccWinConfig工具的另一個功能是為實時應(yīng)用程序分配硬件。這意味著常規(guī)的 Windows 驅(qū)動程序已經(jīng)卸載，可以從 Windows 用戶空間訪問硬件。acontis內(nèi)核驅(qū)動程序可以快速、直接地訪問已分配硬件的所有內(nèi)存區(qū)域。

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軟件開發(fā)

開發(fā)實時應(yīng)用程序的過程類似于標(biāo)準(zhǔn)Windows應(yīng)用程序開發(fā)的過程。以下是要遵循的步驟：

1、使用RtaccWinConfig工具設(shè)置系統(tǒng)
2、為實時任務(wù)創(chuàng)建一個或多個線程
3、將這些線程分配給先前隔離的CPU
4、為線程分配一個非常高的優(yōu)先級，使它們成為“實時線程”
5、可選擇通過acontis Windows系統(tǒng)驅(qū)動程序生成一個穩(wěn)定而精確的時鐘

一個Windows 進(jìn)程可以包括“非實時線程”和“實時線程”。這兩種線程類型都可以訪問全局變量并使用標(biāo)準(zhǔn)同步機制，如事件、關(guān)鍵部分、互斥鎖和信號量。常用的 Win32 API 也可在“實時線程”中使用。您可以在整個開發(fā)過程中使用Microsoft Visual Studio的全部功能。在調(diào)試模式下，所有線程都可以訪問所有資源。當(dāng)然，您也可以在沒有實時行為的情況下逐步執(zhí)行“實時線程”。

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性能

一個穩(wěn)定、精確、低抖動的時鐘對于實時應(yīng)用是至關(guān)重要的，特別是對于每毫秒執(zhí)行一次的控制循環(huán)。理想情況下，應(yīng)用程序應(yīng)該每1000微秒精確觸發(fā)一次，但在實踐中可能會出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致間隔或長或短。在使用acontis 實時加速器技術(shù)時，這些偏差（也稱為抖動）可以在 Windows 下顯著減少。

RtaccWinConfig 軟件工具可以測量具有特定周期時間的隔離CPU性能。最大和最小偏差值可以用圖形顯示。允許的最大抖動取決于應(yīng)用程序，在通常情況下，可以接受高達(dá)周期時間10%的偏差。例如，周期時間為1000微秒時，最小值應(yīng)不小于900微秒，最大值不應(yīng)大于1100微秒。

如果沒有實時加速器技術(shù)，周期時間可能會大幅波動。8小時后，在運行Windows IoT的Minis Forum U820（i5-8279U CPU）上進(jìn)行了測試，并大量加載Passmark老化測試，結(jié)果顯示有明顯的波動。

啟用實時加速器技術(shù)可以保證時鐘的精確度同時誤差最小，在8小時后的同一系統(tǒng)上進(jìn)行的測試證明了這一點。

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特征

1、微秒級的快速響應(yīng)時間

2、硬實時與實時加速器技術(shù)使用CPU隔離

3、在一個獨立的CPU的一個進(jìn)程中實現(xiàn)實時功能和標(biāo)準(zhǔn)功能

4、RtaccTimer驅(qū)動程序生成精確，穩(wěn)定的時鐘

5、RtaccDevice驅(qū)動程序，可以直接訪問硬件無需內(nèi)核驅(qū)動程序

6、 合適的配置工具RtaccWinConfig

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優(yōu)勢

1、實時應(yīng)用程序可以像普通的Windows應(yīng)用程序一樣開發(fā)

2、標(biāo)準(zhǔn)Win32 API也可用于實時線程中

3、支持Microsoft Visual Studio。方便開發(fā)和調(diào)試整個實時應(yīng)用程序。

4、通過變量進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)交換。不需要在應(yīng)用程序的實時和非實時部分之間進(jìn)行復(fù)雜的通信。

5、操作簡單，培訓(xùn)工作量低

系統(tǒng)要求

? Windows 10 IoT 企業(yè)版或 Windows 11 IoT 企業(yè)版
? 四核CPU

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