Метод планування процесами реального часу в кіберфізичних системах на основі нульового копіювання
Вантажиться...
Дата
2026
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
Хмельницький національний університет
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.
The article proposes a model and architecture of cyber-physical systems (CFS) that reflect their key properties, including hierarchical organization, the presence of closed control loops, the distribution of functions between high-level and low-level algorithms, as well as close interaction between computational and physical components. The developed typical KFS architecture integrates sensors, actuators, computing resources and software of different levels through well-defined information and control links and forms a basic class of systems for researching real-time problems. The main attention is paid to the architecture of the implementation of the method based on ROS2, which includes the KFS control unit, the real-time scheduler, the ROS 2 task executor and the memory management subsystem with support for zero-copy access. The proposed scheduling algorithms take into account the DAG structure of applications and provide deterministic access to shared memory, which is critical for systems with hardware accelerators. The combination of priority processing of root tasks with the use of a LIFO queue for child tasks allows to reduce execution delays and correctly implement priority inheritance mechanisms in complex graphs of data flows. The use of the zero-copy allocator eliminates the repeated copying of data between the central processor and hardware accelerators, stabilizes time characteristics and reduces the load on the memory subsystem. Experimental evaluation confirmed the effectiveness of the proposed approach, demonstrating a significant reduction of average and maximum delays, jitter, and the number of deadline violations compared to classical methods. In addition, an improvement in the quality of control was recorded, in particular, a reduction in over-regulation and an increase in resistance to external disturbances. The obtained results indicate the expediency of the integrated design of planning, control and memory management and confirm the practical suitability of the proposed approach for a wide class of KFS with hardware accelerators.
The article proposes a model and architecture of cyber-physical systems (CFS) that reflect their key properties, including hierarchical organization, the presence of closed control loops, the distribution of functions between high-level and low-level algorithms, as well as close interaction between computational and physical components. The developed typical KFS architecture integrates sensors, actuators, computing resources and software of different levels through well-defined information and control links and forms a basic class of systems for researching real-time problems. The main attention is paid to the architecture of the implementation of the method based on ROS2, which includes the KFS control unit, the real-time scheduler, the ROS 2 task executor and the memory management subsystem with support for zero-copy access. The proposed scheduling algorithms take into account the DAG structure of applications and provide deterministic access to shared memory, which is critical for systems with hardware accelerators. The combination of priority processing of root tasks with the use of a LIFO queue for child tasks allows to reduce execution delays and correctly implement priority inheritance mechanisms in complex graphs of data flows. The use of the zero-copy allocator eliminates the repeated copying of data between the central processor and hardware accelerators, stabilizes time characteristics and reduces the load on the memory subsystem. Experimental evaluation confirmed the effectiveness of the proposed approach, demonstrating a significant reduction of average and maximum delays, jitter, and the number of deadline violations compared to classical methods. In addition, an improvement in the quality of control was recorded, in particular, a reduction in over-regulation and an increase in resistance to external disturbances. The obtained results indicate the expediency of the integrated design of planning, control and memory management and confirm the practical suitability of the proposed approach for a wide class of KFS with hardware accelerators.
Опис
Ключові слова
кіберфізичні системи, проміжне програмне забезпечення, пам’ять, архітектура, черги завдань, cyber-physical systems, middleware, memory, architecture, task queues
Бібліографічний опис
Коваль В., Каштальян А. Метод планування процесами реального часу в кіберфізичних системах на основі нульового копіювання // Herald of Khmelnytskyi National University. Technical Sciences. 2026. Vol. 361, No. 1. P. 568-574.