МЕТОД ПЛАНУВАННЯ ПРОЦЕСАМИ РЕАЛЬНОГО ЧАСУ В КІБЕРФІЗИЧНИХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВІ НУЛЬОВОГО КОПІЮВАННЯ

Анотація

У статті запропоновано модель та архітектуру кіберфізичних систем (КФС), що відображають їхні ключові властивості, зокрема ієрархічну організацію, наявність замкнених контурів керування, розподіл функцій між високорівневими та низькорівневими алгоритмами, а також тісну взаємодію між обчислювальними та фізичними компонентами. Розроблена типова архітектура КФС інтегрує сенсори, актуатори, обчислювальні ресурси та програмне забезпечення різних рівнів через чітко визначені інформаційні й керуючі зв’язки та формує базовий клас систем для дослідження задач реального часу.

Основну увагу приділено архітектурі реалізації методу на основі ROS2, яка включає блок керування КФС, планувальник реального часу, виконавець задач ROS 2 та підсистему управління пам’яттю з підтримкою zero-copy доступу. Запропоновані алгоритми планування враховують DAG-структуру застосунків і забезпечують детермінований доступ до спільної пам’яті, що є критичним для систем з апаратними прискорювачами. Поєднання пріоритетної обробки кореневих задач із використанням LIFO-черги для дочірніх задач дозволяє зменшити затримки виконання та коректно реалізувати механізми спадкування пріоритетів у складних графах потоків даних. Використання zero-copy алокатора усуває повторне копіювання даних між центральним процесором та апаратними прискорювачами, стабілізує часові характеристики та знижує навантаження на підсистему пам’яті.

Експериментальна оцінка підтвердила ефективність запропонованого підходу, продемонструвавши суттєве зменшення середніх і максимальних затримок, джиттера та кількості порушень дедлайнів порівняно з класичними методами. Додатково зафіксовано покращення якості керування, зокрема зменшення перерегулювань і підвищення стійкості до зовнішніх збурень. Отримані результати свідчать про доцільність інтегрованого проєктування планування, керування та управління пам’яттю та підтверджують практичну придатність запропонованого підходу для широкого класу КФС з апаратними прискорювачами.