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TWI584667B - 多請求的排程方法及排程裝置 - Google Patents

多請求的排程方法及排程裝置 Download PDF

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Publication number
TWI584667B
TWI584667B TW104139733A TW104139733A TWI584667B TW I584667 B TWI584667 B TW I584667B TW 104139733 A TW104139733 A TW 104139733A TW 104139733 A TW104139733 A TW 104139733A TW I584667 B TWI584667 B TW I584667B
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TW
Taiwan
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periodic
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processing unit
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periodic request
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TW104139733A
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TW201720208A (zh
Inventor
李坤敏
陸一宏
王榮志
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財團法人工業技術研究院
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Publication date
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Description

多請求的排程方法及排程裝置
本發明是有關於對於多個週期性請求的排程方法以及排程裝置。
隨著工業4.0的概念興起，使得智慧製造將以全新生產流程運作，導入智慧整合感控系統，連結物聯網與服務聯網，形成「智慧製造+服務」的全新商業模式，而智動化系統成功的關鍵，是在於面對各種不同設備與控制器的軟硬體系統整合能力，其中整體設備的反應時間就成為重要的關鍵點。然而在工業傳輸網路中，可能因為接收端設備的硬體規格不高，導致接收端的處理器負載過高，無法及時處理多個請求，因此，如何有效對於多個請求進行排程，乃目前業界所致力的課題之一。
本發明是有關於對於多個週期性請求的排程方法以及排程裝置。
根據本發明之第一方面，提出一種多請求的排程方法，包括下列步驟：監測處理單元的使用率；接收多個週期性請 求，各週期性請求具有週期及執行時間長度，其中各週期性請求的週期為原始週期值，第i個週期性請求的原始週期值為Pi個單位時間，第i個週期性請求的執行時間長度為bi個單位時間；記錄各週期性請求的原始週期值及執行時間長度；當處理單元的使用率大於上限值時，將各週期性請求的週期調整為更新後週期值，其中第i個週期性請求的更新後週期值為Pi’個單位時間，其中，n為大於1的正整數，qi為大於0的正整數，△為大於或等於0的整數；依據各週期性請求的更新後週期值及執行時間長度，排程這些週期性請求以得到排程結果；以及傳送排程結果。
根據本發明之第二方面，提出一種排程裝置，包括處理單元、通訊單元、記憶單元、以及監測單元。通訊單元用以接收多個週期性請求，各週期性請求具有週期及執行時間長度，其中各週期性請求的週期為原始週期值，第i個週期性請求的原始週期值為Pi個單位時間，第i個週期性請求的執行時間長度為bi個單位時間。記憶單元用以記錄各週期性請求的原始週期值及執行時間長度。監測單元用以監測處理單元的使用率。當處理單元的使用率大於上限值時，處理單元將各週期性請求的週期調整為更新後週期值，其中第i個週期性請求的更新後週期值為Pi’個單位時間，其中，n為大於1的正整數，qi為大於0的正整數，△為大於或等於0的整數，處理單元依據各週期性請求的更新後週期值及執行時間長度，排程這些週期性請求以得到排 程結果，通訊單元傳送排程結果。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
S100‧‧‧監測處理單元的使用率
S102‧‧‧接收多個週期性請求
S104‧‧‧記錄各週期性請求的原始週期值Pi及執行時間長度bi
S106‧‧‧判斷處理單元的使用率是否大於上限值
S108‧‧‧將各週期性請求的週期調整為更新後週期值
S110‧‧‧依據更新後週期值Pi’及執行時間長度bi，排程週期性請求
S112‧‧‧根據執行時間總和B，將週期性請求依照更新後週期值Pi’分類為多個群組
S114‧‧‧計算時間區段長度I
S116‧‧‧根據群組以及時間區段長度I，排程週期性請求
S120‧‧‧傳送排程結果
S130‧‧‧判斷處理單元的使用率是否小於下限值
S132‧‧‧依據處理單元的使用率變化量δ，調整△值
S134‧‧‧將各週期性請求的週期回復原始週期值Pi
20‧‧‧排程裝置
202‧‧‧處理單元
204‧‧‧通訊單元
206‧‧‧記憶單元
208‧‧‧監測單元
Req1、Req2、Req3、Req4‧‧‧週期性請求
第1圖繪示依照本發明一實施例的排程方法流程圖。
第2圖繪示依照本發明一實施例的排程裝置示意圖。
第3圖繪示依照本發明一實施例的排程方法流程圖。
第4A圖繪示應用本發明一實施例的排程方法之前的處理單元負載示意圖。
第4B圖繪示應用本發明一實施例的排程方法之後的處理單元負載示意圖。
第4C圖繪示應用本發明一實施例的排程方法之後的處理單元負載示意圖。
第5A圖繪示應用本發明一實施例的排程方法之前的處理單元負載示意圖，其中週期性請求具有優先權重。
第5B圖繪示應用本發明一實施例的排程方法之後的處理單元負載示意圖，其中週期性請求具有優先權重。
第6圖繪示應用本發明一實施例的排程方法之前與之後，處理單元使用率差異的示意圖。
第7圖繪示應用本發明一實施例的排程方法之前與之後，處理單元回應時間差異的示意圖。
在工業4.0智慧製造趨勢下，資料的收集成為重要的一環。以智慧工廠應用為例，將接收端設備(例如工具機)導入智慧化製造系統，需提供傳送端設備(例如後端管理控制系統)存取接收端設備之生產參數，而接收端設備主要為執行製造運算，同時也接受後端傳送端設備或系統之資訊擷取請求(Request)。然而，接收端設備在設置完成後，硬體規格可能就已固定，較無彈性與擴充性，因此可能會受到非常規製造流程事件的影響，導致接收端設備的中央處理器(Central Processing Unit,CPU)負載過高，造成反應時間(Response Time)過長，進而影響製程的進行。
此類導致CPU負載提昇的事件主要有兩大類：(1)當在工業傳輸網路中，傳送端設備有突然瞬間密集大量之請求，例如：進行除錯或是改變存取週期，可能會導致接收端設備在處理這些大量請求時而使得CPU負載瞬間提昇；(2)當接收端設備本身正在進行複雜操作運算時，亦需要佔用大量CPU資源，此時仍有週期性的請求時，在高CPU負載下，可能無法即時處理網路請求，而因此造成網路逾時而使傳送端設備無法取得相關參數資訊，進而影響生產流程。
有鑒於此，本揭露提出一種針對多個請求的排程方法，可動態監測負載，例如，當CPU使用率達到一事先定義之警戒值後，便動態調整請求命令之週期，藉此有效率地處理週期性請求，以降低CPU負載，並使系統維持可接受的反應時間與效能。
以下使用OPC統一架構(OLE(Object Linking and Embedding)for Process Control-Unified Architecture,OPC UA)網路傳輸架構作為實施例說明。舉例而言，在OPC UA網路傳輸系統架構使用點對點(Peer to Peer)傳輸方式，可有多台伺服器對多台客戶端的傳輸架構，伺服器端設備硬體運算效能會受到連線數量以及請求封包的增多而受影響，可能導致伺服器的CPU過載。依照本發明一實施例的排程方法，可透過監測接收端設備(例如OPC UA伺服器(Server))處理單元使用率的變化，動態調整傳送端設備(例如OPC UA客戶端(Client))週期性請求的週期，以保持接收端設備系統運作的穩定性。
第1圖繪示依照本發明一實施例的排程方法流程圖。此排程方法例如可應用於接收端設備，排程方法包括以下步驟：步驟S100監測處理單元的使用率U、步驟S102接收多個週期性請求、步驟S104記錄各週期性請求的原始週期值Pi及執行時間長度bi、步驟S106判斷處理單元的使用率U是否大於上限值THup、步驟S108將各週期性請求的週期調整為更新後週期值，其中第i個週期性請求的更新後週期值為、步驟S110依據各週期性請求的更新後週期值Pi’及執行時間長度bi排程週期性請求、以及步驟S120傳送排程結果。各步驟詳細說明如下。
步驟S100：監測處理單元的使用率U。處理單元例如是中央處理器、微處理器或微控制器，如上述例子中處理單元可以是OPC UA伺服器的CPU。步驟S100可以是持續進行的步 驟，舉例而言，可以每間隔T秒時間固定監測處理單元的使用率U，T例如等於10，亦即不論接收端設備目前所執行的動作為何，皆可以持續監測目前處理單元的使用率U。使用率U例如是處理單元內部有多少比例的資源正在忙碌使用中，使用率U可以相關於處理單元所執行的工作內容以及負載量，使用率U的範圍可以是0%~100%。
步驟S102：接收k個週期性請求Req1,Req2,...,Reqk，各週期性請求具有週期及執行時間長度，其中第i個週期性請求Reqi(1≦i≦k)的週期為原始週期值Pi個單位時間，第i個週期性請求Reqi的執行時間長度為bi個單位時間。一個單位時間例如是處理單元執行一個請求所需的執行時間或最短執行時間，因此各請求的週期及執行時間長度可根據此單位時間長度標準化(normalize)表示，Pi及bi為正整數。執行時間長度bi代表此週期性請求於處理單元執行所需花費的時間，原始週期值Pi代表此週期性請求每隔多久時間會出現一次。
在一實施例中，接收這些週期性請求的步驟S102是透過一網路傳輸介面接收，例如OPC UA伺服器可經由乙太網路(Ethernet)或是無線網路(例如Wi-Fi)傳輸介面，接收來自OPC UA客戶端的多個週期性請求。然而，本發明亦不限於此，接收端設備亦可經由其他介面接收多個週期性請求，例如可以是一個處理器經由匯流排接收來自本機的請求，或經由序列傳輸介面接收來自傳送端設備的請求。
步驟S104：記錄各週期性請求Reqi的原始週期值Pi及執行時間長度bi，可記錄於如以下表一所示的一範例記錄表中，每一橫列代表一個週期性請求Reqi，此記錄表例如可儲存於OPC UA伺服器內部的記憶體中。
步驟S106：判斷處理單元的使用率U是否大於上限值THup，上限值THup例如是一個警戒值，即當處理單元的使用率U已超過此警戒值時，表示處理單元已經過載，此時需進行適當調整以降低處理單元的負載，以讓處理單元的運作穩定。在一實施例中，上限值THup可設定為80%。若是步驟S106的判斷結果為否，表示處理單元目前仍在可承受的負載範圍內，因此流程回到步驟S102，重複執行步驟S102、S104及S106。若是步驟S106的判斷結果為是(處理單元的使用率U大於上限值THup)，執行步驟S108。
步驟S108：當處理單元的使用率大於上限值時(步驟S106判斷結果為是)，將各週期性請求的週期調整為更新後週期值，其中第i個週期性請求Reqi的更新後週期值為Pi’個單位時 間，其中，n為大於1的正整數，qi為大於0的正整數，△為大於或等於0的整數。步驟S108改變各個週期性請求Reqi的週期，例如可增加各個週期性請求Reqi的週期，在週期增加的情況下，由於每個週期性請求Reqi出現的間隔時間增加，可以使得多個週期性請求在時間軸上的分佈變得較為鬆散，而有效降低處理單元的使用率。
在一實施例中，n=2且△=0，更新後週期值Pi’大於或等於原始週期值Pi，例如可以將更新後週期值Pi’設定為大於或等於原始週期值Pi，且最接近原始週期值Pi的一個2的冪次方整數。舉例而言，若原始週期值Pi為6，則更新後週期值Pi’可設為8(23=8)，若原始週期值Pi為11，則更新後週期值Pi’可設為16(24=16)，亦即在此實施例中，，其中代表無條件進位函數(Ceiling Function)，使得更新後週期值Pi’大於或等於原始週期值Pi。此處n=2僅為示例性說明，於實際應用中，亦可視需求將n設定為3、4或是更大的正整數，n值越大，代表更新後週期值Pi’越大，由於更加拉長了週期性請求的間隔時間，較容易有效降低處理單元的使用率U，而n值越大也代表更新後週期值Pi’與原始週期值的Pi的差異越大，調整後的週期性請求可能有較大的週期失真程度。
在一實施例中，各週期性請求Reqi更可具有一優先權重Wi，優先權重Wi可以使用一個二元值0或1表示，用以代表此週期性請求Reqi是否較為重要或應優先處理。對於優先權重 為低(例如Wi=0)的週期性請求Reqi，可類似於前述實施例方法，即增加其原本的週期至最接近的n的正整數次方，因此。另一方面，對於優先權重為高(例如Wi=1)的週期性請求Reqi，則可以降低其原本的週期至最接近的n的正整數次方，使這個週期性請求Reqi能夠更快速地被處理，因此，其中代表無條件捨去函數(Floor Function)，使得更新後週期值Pi’小於或等於原始週期值Pi。
步驟S110：依據各週期性請求的更新後週期值Pi’及執行時間長度bi，排程這些週期性請求以得到排程結果。如前所述，在各個週期性請求Reqi的週期調整為更新後週期值Pi’之後，可得到調整後的排程結果，此處所使用的排程演算法並不加以限制，只要是根據更新後週期值Pi’及執行時間長度bi進行排程即可，於本揭露後敘說明(可參考第3圖的實施例說明)將提供此處排程演算法的其中一種實現方式。
步驟S120：傳送排程結果。舉例而言，接收端設備得到排程結果之後，可將排程結果傳送給傳送端設備，以使得各傳送端設備可依照此排程結果，傳送週期性請求Reqi至接收端設備。在一實施例中，傳送排程結果是透過網路傳輸介面傳送，例如與接收週期性請求的網路傳輸介面相同。
上述針對多請求的排程方法可應用於一排程裝置，第2圖繪示依照本發明一實施例的排程裝置示意圖。排程裝置20包括處理單元202、通訊單元204、記憶單元206、以及監測單元 208。通訊單元204用以接收多個週期性請求，其中第i個週期性請求Reqi具有週期為原始週期值Pi個單位時間，且第i個週期性請求Reqi具有執行時間長度bi個單位時間(可對應於步驟S102)。記憶單元206用以記錄各週期性請求Reqi的原始週期值Pi及執行時間長度bi(可對應於步驟S104)。監測單元208用以監測處理單元202的使用率U(可對應於步驟S100)。當處理單元202的使用率U大於上限值THup時，處理單元202將各週期性請求的週期調整為更新後週期值，其中第i個週期性請求Reqi的更新後週期值為Pi’個單位時間，其中，n為大於1的正整數，qi為大於0的正整數，△為大於或等於0的整數(可對應於步驟S106及S108)。處理單元202依據各週期性請求的更新後週期值Pi’及執行時間長度bi，排程這些週期性請求Reqi以得到排程結果(可對應於步驟S110)。通訊單元204傳送排程結果(可對應於步驟S120)。
處理單元202例如是微處理器，如第1圖所示的排程方法可透過軟體實現，例如以程式碼儲存於電腦可讀取媒體中，當處理單元202從電腦可讀取媒體載入程式碼時，可執行如第1圖所示的排程方法。在另一實施例中，處理單元202可以是特殊應用數位信號處理器，可使用硬體電路實作如第1圖所示的排程方法，以達到較好的執行效率。記憶單元206可以是記憶體電路，例如隨機存取記憶體(Random Access Memory,RAM)或是快閃記憶體(Flash)，用以儲存資料。監測單元208可以是處理器可 執行的軟體模組，或者亦可藉由硬體電路實現。通訊單元204可負責與傳送端設備的溝通介面，在一實施例中，通訊單元204是透過網路傳輸介面(例如有線或無線網路)從傳送端設備接收這些週期性請求，通訊單元204並可透過同樣的網路傳輸介面傳送排程結果至傳送端設備，通訊單元204例如是網路卡介面。
於上述實施例的排程方法以及應用此方法的排程裝置，由於當處理單元的使用率超過上限值時，能夠調整週期性請求的週期至特定的數值，對調整週期後的週期性請求進行排程，有效使得接收端設備的處理單元瞬間負載降低，可保持系統的反應時間及效能維持在可接受的範圍內，以保障執行製造運算上的系統穩定性，可在有限的硬體資源下，達到接收端設備、傳送端設備、與標準通訊介面三項重點功能性的平衡。
第3圖繪示依照本發明一實施例的排程方法流程圖。第3圖當中所示的步驟S100、S102、S104、S106、S108、S110以及S120可以參考第1圖以及相關的說明。在第3圖中，步驟S110排程週期性請求以得到排程結果的步驟可包括以下步驟：步驟S112根據執行時間總和B，將週期性請求Reqi依照更新後週期值Pi’分類為多個群組、步驟S114計算時間區段長度I、步驟S116根據群組以及時間區段長度I，排程週期性請求Reqi。各步驟搭配如表一所示的例子詳細說明如下。
表一所示的例子，在經過步驟S108調整週期之後(此例中,)，可以得到如下方所示的表二，包含更 新後週期值Pi’欄位。
步驟S112可對於週期性請求Reqi依照更新後週期值Pi’以及執行時間總和B進行分類，首先計算出所有週期性請求Reqi的執行時間總和。如表二所示的例子，則B=1+1+2+4=8。接下來則視週期性請求Reqi的更新後週期值Pi’落在哪一個範圍，範圍例如包括有(0,B]、(B,2B]、(2B,3B]…等等，以區分為第一群組、第二群組、第三群組…等等，此處使用的符號(B,2B]代表大於B、小於或等於2B的數值區間。以表二為例，更新後週期值Pi’小於或等於8的包括有Req1、Req2、Req3，因此這3個週期性請求形成第一群組。更新後週期值Pi’大於8小於或等於16的則是Req4，因此第二群組包括有週期性請求Req4。不同群組即代表不同的週期長度，由於第一群組內的週期性請求週期最短，即出現頻率最高，因此一種排程方式是優先排程第一群組內的週期性請求，接著再依序排程第二群組、第三群組……依此類推。
接著，步驟S114計算出時間區段長度I。在一實施 例中，分類後的群組包括第一群組以及至少一其他群組(第二群組、第三群組…等)，步驟S114可以包括以下步驟。首先，計算第一群組內各週期性請求的執行時間長度的總和為X個單位時間。接著，找出每一個其他群組內，具有最大執行時間長度bi的一個指標週期性請求，並且計算每一個其他群組的指標週期性請求的執行時間長度的總和為Y個時間單位。最後，計算時間區段長度為I個單位時間，其中I=X+Y。
時間區段長度I所代表的時間長度是：可放入第一群組內全部的週期性請求的執行時間長度，以及每一個其他群組內具有最長執行時間長度的週期性請求的執行時間長度。以式子表示，，其中m代表第一群組內的週期性請求數量，G1,i代表第一群組內第i個週期性請求的執行時間長度，a代表步驟S112總共區分了a個群組，max{Gi}代表在第i個群組中執行時間長度的最大值，若是第i個群組是空的，即沒有包含任何的週期性請求，則max{Gi}設為0。搭配表二所示的例子，時間區段長度I=(1+1+2)+4=8。如此計算得到的時間區段長度I，由於可以同時放入第一群組(週期最短)的所有週期性請求以及各個其他群組執行時間長度最長的週期性請求，因此時間區段長度I可以作為排程時的一個單位區段，以此單位區段重複對多個請求進行排程，能夠避免處理單元需同時間執行不同的週期性請求，有效降低處理單元的使用率。
在一實施例中，若有週期性請求的更新後週期值Pi’小於時間區段長度I，則調整更新後週期值Pi’為等於時間區段長度I。如表二所示的例子，Req2的更新後週期值P2’=4，比時間區段長度I=8小，因此將Req2的更新後週期值P2’調整為8。如此調整後的週期，使得Req2每8個單位時間出現一次，便能符合前述的以單位區段(時間長度=8)重複對多個請求進行排程的方法。
步驟S116根據步驟S112區分出來的群組以及步驟S114決定的時間區段長度I，排程各個週期性請求Reqi。如前所述，藉由步驟S112適當的分類，將週期性請求Reqi依照週期長度分類到不同的群組，再藉由步驟S114計算出排程時單位區段的時間區段長度I，以時間區段長度I進行排程，便能夠讓處理單元於各單位時間內處理的請求數目小於或等於1，亦即不會有處理單元需要在同時間處理2個以上請求的狀況產生，降低處理單元的使用率，並且提供更佳的穩定性。
步驟S116的其中一種排程實作方式為，首先計算所需要的時間區段數目，其中max{Pi’}代表更新後週期值Pi’的最大值。接著，依據該些群組的順序，依序排程該些週期性請求，其中在各群組中，優先將各週期性請求Reqi的週期由小至大排列，若其中有週期相同的，再將週期相同的各週期性請求Reqi的執行時間長度由大至小排列。在一實施例中，可以在步驟S112進行分類時，同時對於各群組內的週期性請求進行排列，將 週期由小至大排列，並對週期相同的依執行時間長度由大至小排列。步驟S116可以從第一群組開始排程，排完第一群組後再排第二群組，接著再排第三群組，以此類推。
步驟S112、S114、S116例如可由第2圖所述排程裝置20當中的處理單元202所執行，這些步驟可對於調整週期後的週期性請求，進行分類、計算時間區段、排程，如此完成的排程結果可使得處理單元202在各單位時間內處理的請求數目小於或等於1。雖處理單元202在執行步驟S112、S114、S116時會增加一點負擔，然而由於能夠將多個週期性請求彼此錯開，避免處理單元202在同時間需要處理2個以上的請求，因此處理單元202整體的使用率U依然能夠有效下降。
如第3圖所示的排程方法，在執行完步驟S120(傳送排程結果)之後，更執行步驟S130，判斷處理單元的使用率U是否小於下限值THlow，下限值THlow可代表處理單元的一正常運作值。當處理單元的使用率U小於一下限值時(步驟S130判斷結果為是)，代表目前處理單元已經回復正常運作，有較多的開置資源可使用，此時執行步驟S134，將各週期性請求Reqi的週期回復為原始週期值Pi，並將調整後的週期傳送至傳送端設備，使得傳送端設備依照原始週期值Pi傳送週期性請求Reqi。步驟S134亦可以包括將n值以及△值回復初始值(例如n=2，△=0)。下限值THlow例如是50%。
另一方面，當處理單元的使用率U不小於下限值 THlow時(步驟S130判斷結果為否)，代表目前處理單元可能仍然處於過載狀態，可以嘗試再進一步降低負載，此時可執行步驟S132，依據處理單元的使用率變化量δ，調整n值及△值其中至少一者。使用率變化量δ可以是先前一次監測到(例如是T秒之前)的使用率Uprev與此次監測到的使用率U之間的差值。
如前所述，更新後週期值，在一實施例中，n的初始值為2，△的初始值為0，步驟S132可以包括兩個階段：調整△值的微調階段、以及調整n值的粗調階段。舉例而言，當執行步驟S132時，可先依據以下式子調整△值：，其中A及B為常數，例如A=1.04，B=1。亦即，若發現兩次監測到的處理單元使用率變化不大時(δ夠小時，△=1)，可能代表目前的更新後週期值Pi’的效果不顯著，因此可進一步進行微調，將更新後週期值Pi’加1，稍微增加週期值。接著重新執行步驟S112、S114、S116的相關排程步驟，再執行步驟S130確認使用率U是否已達下限值THlow。若仍然無法達到下限值THlow，再次執行步驟S132時，可再計算△值，決定是否將更新後週期值Pi’加1。而若是連續多次執行步驟S132(以及接續的步驟S112、S114、S116、S120、及/或S130)得到的△值皆等於1，可能代表需要較大幅度的降低負載，因此此時可調整n值，可以較大幅度地調整週期。舉例而言，可以在連續三次執行步驟S132得到△=1後，將n值增加1，並將△值設定為0。本發明並不限定對於n值以及△值的調整步驟，於一實施例中，在步驟S132可以僅調整n 值，或者可以僅調整△值，或者分別在微調階段及粗調階段調整△值及n值。
如第3圖所示的實施例，步驟S108以及步驟S132調整週期(RE-periodization)，步驟S112對週期性請求進行分類(Grouping)，步驟S114計算時間區段長度(Interval evaluation)，步驟S116進行排程動作(Scheduling)，因此，步驟S108(及/或步驟S132)、步驟S112、步驟S114、及步驟S116這4個步驟，可以稱為REGIS步驟。上述實施例的排程方法及排程裝置，係在監測到處理單元的使用率落在特定範圍時，執行REGIS步驟，以動態調整週期性請求的週期，並據以進行排程，以達到降低處理單元使用率的效果。
為利於清楚理解，以下更以例子說明本揭露所提出排程方法實際應用的例子。第4A圖繪示應用本發明一實施例的排程方法之前的處理單元負載示意圖，此例子中各週期性請求的相關參數可見表一。第4A圖的橫軸為時間，縱軸由下往上依序是Req1、Req2、Req3、Req4的排程時間。由第4A圖可看出，在尚未執行REGIS步驟之前，於圖中箭頭所指之處(單位時間1、9及17)，處理單元需同一時間處理3個以上的請求，而造成過高的使用率。
第4B圖繪示應用本發明一實施例的排程方法之後的處理單元負載示意圖。REGIS步驟依序說明如下：步驟S108調整週期，調整後的更新後週期值Pi’如表二所示(相關計算可參 考先前對於表二的描述，於此不再贅述)。步驟S112分類，第一群組包括Req1、Req2、Req3，第二群組包括Req4。步驟S114計算時間區段長度I=(1+1+2)+4=8，因此將Req2的更新後週期值P2’調整為8。步驟S116進行排程，時間區段長度I=8，所需要的時間區段數目，因此1~8單位時間是第一個時間區段，9~16單位時間是第二個時間區段。將週期性請求Req1~Req4排入的結果如第4B圖所示，經REGIS步驟之後，處理單元於各單位時間內處理的請求數目小於或等於1。
第4C圖繪示應用本發明一實施例的排程方法之後的處理單元負載示意圖，其中n=3。第4B圖所示的實施例中n=2，第4C圖所示的實施例將n改為3。因此步驟S108調整後的更新後週期值Pi’如下方表三所示。
步驟S112分類，執行時間總和B=8，第一群組((0,8])為空集合，第二群組((8,16])包括Req1、Req2、Req3，第三群組((16,24])為空集合，第四群組((24,32])包括Req4。步驟S114計算時間區段長度I=0+2+4=6。步驟S116以時間區段長度 I=6進行排程，所需要的時間區段數目。將週期性請求Req1~Req4排入的結果如第4C圖所示，處理單元於各單位時間內處理的請求數目小於或等於1。與第4B圖相比，第4C圖中由於n=3，更新後週期值Pi’數值較大，因此多個請求在時間軸上的分布較為鬆散，可進一步降低處理單元的使用率U。
以下以另一例子說明當週期性請求有不同優先權重的情形，第5A圖繪示應用本發明一實施例的排程方法之前的處理單元負載示意圖，其中週期性請求具有優先權重。優先權重Wi=1代表具有較高優先權的請求，反之，優先權重Wi=0代表具有較低或一般優先權的請求。優先權重Wi例如可包含於傳送端設備所送出的請求當中，各週期性請求Reqi的優先權重Wi、執行時間長度bi、原始週期值Pi，可以參考下方所附表四。
第5B圖繪示應用本發明一實施例的排程方法之後的處理單元負載示意圖，其中週期性請求具有優先權重。REGIS步驟依序說明如下：步驟S108調整週期，在此例中n=2，△=0。 對於優先權重Wi=0的週期性請求Reqi，會提升其週期至最接近的2的冪次方，而對於優先權重Wi=1的週期性請求Reqi，則會降低其週期至最接近的2的冪次方，調整後的更新後週期值Pi’如表四所示，其中Req3因為具有較高優先權重，因此更新後週期值P3’較原始週期值P3為低。步驟S112分類，執行時間總和B=1+1+2+1=5，第一群組，即(0,5]，包括Req1；第二群組，即(6,10]，包括Req2、Req3；第三群組((10,15])為空集合；第四群組((15,20])包括Req4。步驟S114計算時間區段長度I=1+2+1=4。步驟S116進行排程，時間區段長度I=4，所需要的時間區段數目。將週期性請求Req1~Req4排入的結果如第5B圖所示，經REGIS步驟之後，處理單元於各單位時間內處理的請求數目小於或等於1。
以下透過模擬實驗，以驗證本揭露所提出排程方法的效能。模擬環境為1台OPC UA伺服器與10台OPC UA客戶端連接，OPC UA伺服器的處理單元的固定監測時間為T=10秒，對於每個週期性請求Reqi的執行長度bi以及原始週期值Pi，係設定為具有高斯分布的隨機變數，給予特定的平均值以及標準差，各週期性請求Reqi的優先權重Wi有1%的機率設定為1。步驟S106當中的上限值THup設定為80%，步驟S130當中的下限值THlow設定為50%。10台OPC UA客戶端送出的週期性請求的總數量，設定為逐漸遞增，到最高數量時維持一段時間後再逐漸遞減。調整週期的式子，n的初始值為2，△的初始值為0， 步驟S132中，A=1.04，B=1。
第6圖繪示應用本發明一實施例的排程方法之前與之後，處理單元使用率的示意圖。根據上述設定的參數進行模擬，第6圖當中虛線所示為沒有使用REGIS步驟的處理單元使用率曲線，約在20~30秒的這段時間內，處理單元的使用率U皆為100%的滿載狀態。而第6圖當中實線所示使用REGIS步驟的處理單元使用率曲線，當使用率U到達80%時，執行步驟S108調整週期以及步驟S110進行排程，由於REGIS步驟需使用處理單元的運算能力，因此使用率U會稍微上升一點(REGIS步驟進行運算時大約佔處理單元的5%使用率)。然而，從圖中可看到，在開始執行REGIS步驟之後，處理單元的使用率U即快速下降。
而當處理單元的使用率U下降到低於50%時，關閉REGIS步驟，回復各週期性請求Reqi的原始週期值Pi，雖使用率U瞬間快速增加(大約7%)，但隨後便降至與沒有使用REGIS步驟的情形相同。根據如第6圖所示的模擬結果，使用此實施例的排程方法，OPC UA伺服器處理單元整體的使用率U，相較於未使用REGIS步驟的情形，可以降低大約20%。
第7圖繪示應用本發明一實施例的排程方法之前與之後，處理單元反應時間的示意圖。與第6圖的模擬環境使用相同參數，虛線為未使用REGIS步驟(以下簡稱方法一)，實線為使用REGIS步驟(以下簡稱方法二)。當處理單元使用率到達80%時，開啟執行REGIS步驟，此時反應時間瞬間快速降低(於方法 一的最大反應時間時，相對提升16倍效能)，並維持一段時間(14秒，約佔23%測試週期)。當處理單元使用率低於50%時，關閉REGIS步驟，回復週期性請求的原始週期值，此時雖反應時間瞬間快速增加(較方法一增加1.08倍反應時間)，但隨後(10秒後)便降至與方法一相同。根據如第7圖所示的模擬結果，使用方法二可使得OPC UA伺服器處理單元的整體反應時間有效降低，相較於方法一，處理單元的效能提升大約69%。
根據如上所述排程方法與排程裝置之實施例，不論在週期性請求帶有優先權重或是不帶有優先權重，皆可以在處理單元高負載時，動態調整週期性請求的週期，以降低處理單元的負載，並保持系統可接受之反應時間與效能。應用本揭露之排程方法與排程裝置，可有效讓工業網路傳輸系統於接收端設備的處理器過載時，有效降低整體之封包流量以減緩處理器負載，以提高工業網路傳輸系統整體效率，使得具有此功能之工業網路傳輸系統更為具有競爭力，間接促使相關產業蓬勃發展。
本揭露提出之排程方法與排程裝置，可應用於高負載之高效工業網路傳輸系統，並且可透過OPC UA標準來實現，可相容於OPC UA伺服器(可視為接收端設備)與OPC UA客戶端(可視為傳送端設備)。藉由動態調整傳送端設備週期性請求的週期，能夠平衡接收端設備端在「執行製造運算功能」、「設備資訊擷取功能」以及「週期性資訊回報封包功能」三大主要任務在處理單元使用率上的分配，並保障在有限的硬體資源條件下，仍然 能夠保持接收端設備運作穩定。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S100‧‧‧監測處理單元的使用率
S102‧‧‧接收多個週期性請求
S104‧‧‧記錄各週期性請求的原始週期值Pi及執行時間長度bi
S106‧‧‧判斷處理單元的使用率是否大於上限值
S108‧‧‧將各週期性請求的週期調整為更新後週期值
S110‧‧‧依據各週期性請求的更新後週期值Pi’及執行時間長度bi，排程週期性請求
S120‧‧‧傳送排程結果

Claims (24)

  1. 一種用於通訊的多請求的排程方法，包括：監測一處理單元的一使用率；接收複數個週期性請求，各週期性請求具有一週期及一執行時間長度，其中各週期性請求的該週期為一原始週期值，第i個週期性請求的該原始週期值為Pi個單位時間，第i個週期性請求的該執行時間長度為bi個單位時間，Pi及bi為正整數；記錄各週期性請求的該原始週期值及該執行時間長度；當該處理單元的該使用率大於一上限值時，將各週期性請求的該週期調整為一更新後週期值，其中第i個週期性請求的該更新後週期值為Pi’個單位時間，其中，n為大於1的正整數，qi為大於0的正整數，△為大於或等於0的整數；依據各週期性請求的該更新後週期值及該執行時間長度，排程該些週期性請求以得到一排程結果；以及傳送該排程結果。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之排程方法，其中n=2，△=0，且該更新後週期值大於或等於該原始週期值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之排程方法，其中各週期性請求更具有一優先權重，若第i個週期性請求的該優先權重為高，則，若第i個週期性請求的該優先權重為低，則。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之排程方法，其中排程該些週 期性請求以得到該排程結果的步驟包括：計算各週期性請求的該執行時間長度的總和為一執行時間總和，根據該執行時間總和，將各週期性請求依照該更新後週期值分類為複數個群組。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之排程方法，其中該些群組包括一第一群組及至少一其他群組，排程該些週期性請求以得到該排程結果的步驟更包括：計算該第一群組內各週期性請求的該執行時間長度的總和為X個單位時間；找出各該至少一其他群組內具有最大執行時間長度的一指標週期性請求；計算各該至少一其他群組的該指標週期性請求的該執行時間長度的總和為Y個單位時間；以及計算一時間區段長度為I個單位時間，其中I=X+Y。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之排程方法，其中排程該些週期性請求以得到該排程結果的步驟更包括：若第i個週期性請求的該更新後週期值小於該時間區段長度，調整第i個週期性請求的該更新後週期值為等於該時間區段長度。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之排程方法，其中排程該些週期性請求以得到該排程結果的步驟更包括：根據該些群組以及該時間區段長度，排程該些週期性請求以 得到該排程結果；其中於該排程結果中，該處理單元於各單位時間內處理的請求數目小於或等於1。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之排程方法，其中排程該些週期性請求以得到該排程結果的步驟更包括：依據該些群組的順序，依序排程該些週期性請求，其中在各群組中，優先將各週期性請求的該週期由小至大排列，若其中有週期相同的，再將週期相同的各週期性請求的該執行時間長度由大至小排列。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之排程方法，更包括：當該處理單元的該使用率不小於一下限值時，依據該處理單元的一使用率變化量δ，調整n值及△值其中至少一者。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之排程方法，其中，A及B為常數。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之排程方法，更包括：當該處理單元的該使用率小於一下限值時，將各週期性請求的該週期回復為該原始週期值。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之排程方法，其中接收該些週期性請求的步驟是透過一網路傳輸介面接收，傳送該排程結果的步驟是透過該網路傳輸介面傳送。
  13. 一種用於通訊的多請求的排程裝置，包括：一處理單元； 一通訊單元，用以接收複數個週期性請求，各週期性請求具有一週期及一執行時間長度，其中各週期性請求的該週期為一原始週期值，第i個週期性請求的該原始週期值為Pi個單位時間，第i個週期性請求的該執行時間長度為bi個單位時間，Pi及bi為正整數；一記憶單元，用以記錄各週期性請求的該原始週期值及該執行時間長度；以及一監測單元，用以監測該處理單元的一使用率；其中當該處理單元的該使用率大於一上限值時，該處理單元將各週期性請求的該週期調整為一更新後週期值，其中第i個週期性請求的該更新後週期值為Pi’個單位時間，其中，n為大於1的正整數，qi為大於0的正整數，△為大於或等於0的整數，該處理單元依據各週期性請求的該更新後週期值及該執行時間長度，排程該些週期性請求以得到一排程結果，該通訊單元傳送該排程結果。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之排程裝置，其中n=2，△=0，且該更新後週期值大於或等於該原始週期值。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之排程裝置，其中各週期性請求更具有一優先權重，若第i個週期性請求的該優先權重為高，則，若第i個週期性請求的該優先權重為低，則。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之排程裝置，其中該處理單 元更計算各週期性請求的該執行時間長度的總和為一執行時間總和，根據該執行時間總和，將各週期性請求依照該更新後週期值分類為複數個群組。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之排程裝置，其中該些群組包括一第一群組及至少一其他群組，該處理單元更用以：計算該第一群組內各週期性請求的該執行時間長度的總和為X個單位時間；找出各該至少一其他群組內具有最大執行時間長度的一指標週期性請求；計算各該至少一其他群組的該指標週期性請求的該執行時間長度的總和為Y個單位時間；以及計算一時間區段長度為I個單位時間，其中I=X+Y。。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之排程裝置，其中若第i個週期性請求的該更新後週期值小於該時間區段長度，該處理單元調整第i個週期性請求的該更新後週期值為等於該時間區段長度。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之排程裝置，其中該處理單元根據該些群組以及該時間區段長度，排程該些週期性請求以得到該排程結果，其中於該排程結果中，該處理單元於各單位時間內處理的請求數目小於或等於1。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之排程裝置，其中該處理單元更依據該些群組的順序，依序排程該些週期性請求，其中在各 群組中，優先將各週期性請求的該週期由小至大排列，若其中有週期相同的，再將週期相同的各週期性請求的該執行時間長度由大至小排列。
  21. 如申請專利範圍第13項所述之排程裝置，其中當該處理單元的該使用率不小於一下限值時，該處理單元依據該處理單元的一使用率變化量δ，調整n值及△值其中至少一者。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之排程裝置，其中，A及B為常數。
  23. 如申請專利範圍第13項所述之排程裝置，其中當該處理單元的該使用率小於一下限值時，該處理單元將各週期性請求的該週期回復為該原始週期值。
  24. 如申請專利範圍第13項所述之排程裝置，其中該通訊單元是透過一網路傳輸介面以接收該些週期性請求，該通訊單元並透過該網路傳輸介面傳送該排程結果。
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