实时监控系统中基于多核并发多任务技术应用研究

论文摘要

实时监控与数据采集（SCADA）系统是将先进的计算机技术、工业控制技术、显示技术、通信技术、测量技术等结合在一起,从而完成数据采集与监视控制功能的计算机系统。而物品检测是SCADA的典型应用之一。它实时并发地完成物品包括外形影像、内部影像（如X光影像）和挥发、放射性等物理参数的采集与处理,具有实时、并发多任务的特点。因此如何高性能、高稳定性地实现所要求的功能又有很高的开发效率成为该类系统开发的关键。本文旨在利用计算机多核（多CPU）化的最新技术成果,将一个实际物品检测系统移植到多核平台,充分利用多核平台的并行性与并发性优势建立起基于多核平台的物品检测系统通用构架。首先,针对一个实际物品检测软件系统进行功能需求建模,然后使用UML技术建立系统静态模型,特别是针对系统多个数据采集、检测与控制任务同时执行的特点建立系统的动态模型,描述了系统中实时性与并发多任务的需求。据此进行面向对象的系统设计,根据系统硬件设备种类多,型号的变化情况而设计的设备类隔离了实际硬件与系统的耦合。接下来也是本文所研究的核心技术就是应用.NET4.0下全新的任务并行库（TPL）支持的并行任务取代原有的多线程技术实现物品检测系统中的基于多核环境下的并发任务算法；加之应用生产者-消费者模式实现不同平行任务之间的通信、数据交换与任务同步。根据以上设计所编制的若干程序已经应用到实际系统中。最后,探讨了应用Visual Studio2010中的并发可视化分析器进行复杂多线程多任务程序调试和可视化的可能性,并且进行大量数值实验和分析与比较,验证了基于多核并行任务模式构架的新系统比较原有多线程模式的系统性能的显著提高,对未来该类系统的改善提供经验和技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 监控与数据采集（SCADA）系统的特点
• 1.3 多核技术现状
• 1.3.1 多核技术的研究现状
• 1.3.2 并行数据与并行任务
• 1.4 课题的研究意义
• 1.5 本文的组织结构
• 第2章 实时监控系统的相关技术应用基础
• 2.1 多核平台相关理论基础
• 2.1.1 多核处理器特点
• 2.1.2 衡量计算机的性能提升
• 2.2 多线程技术
• 2.2.1 线程
• 2.2.2 后台线程
• 2.2.3 线程共享资源与同步方法
• 2.3 任务并行（TPL）技术
• 2.3.1 任务并行（TPL）原理
• 2.3.2 任务处理结果的取回
• 2.3.3 任务的协调
• 第3章 物品检测中实时监控系统设计
• 3.1 系统整体设计
• 3.1.1 系统总体架构
• 3.1.2 统一建模语言UML（Unify Modeling Language）
• 3.2 系统物理结构
• 3.3 系统软件设计与建模
• 3.3.1 系统用例分析
• 3.3.2 系统静态建模
• 3.3.3 系统动态建模
• 3.3.4 软件开发平台
• 第4章 采用多线程与任务并行技术的系统实现研究
• 4.1 并发系统
• 4.2 采用多线程技术的系统实现
• 4.2.1 多线程技术在系统开发中的应用设计
• 4.2.2 多线程技术在系统开发中的并发任务算法
• 4.3 采用任务并行技术的系统实现
• 4.3.1 任务并行（TPL）技术的优势
• 4.3.2 任务并行（TPL）技术在系统开发中的并发任务算法
• 4.3.3 应用任务生产者-消费者模式的任务间数据通信
• 第5章 系统测试与实验研究
• 5.1 实验平台
• 5.2 实验结果与分析
• 5.2.1 多线程技术支持的系统分析
• 5.2.2 任务并行（TPL）技术支持下的系统分析
• 5.2.3 多线程技术和任务并行技术支持下的系统分析比较
• 第6章 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢