Entwurf partitionierter NC-Steuerungen zur Ausführung auf Multicore-Systemen

Abstract

NC-Steuerungen werden in ihrer Funktionalität kontinuierlich erweitert und weiterentwickelt, um den Anforderungen neuer Anwendungsfälle gerecht zu werden und die Bearbeitungseffizienz und -qualität von Werkzeugmaschinen zu verbessern. Damit einher geht ein steigender Bedarf an Rechenleistung. Gleichzeitig besteht der Anspruch, dass die Kosten der unterlagerten Systemplattform nicht ansteigen. Mit Multicore-Prozessoren besteht eine Technologie, die in allen Bereichen der Computersysteme Einzug hält und auch für Embedded und Echtzeitsysteme an Bedeutung gewinnt. Die Multicore-Technologie kann den waschsenden Bedarf an Rechenleistung befriedigen und gleichzeitig den Anforderungen an die Kosten standhalten. Folglich ist der Einsatz von Multicore-Prozessoren für NC-Steuerungen aus technologischer und wirtschaftlicher Sicht erstrebenswert. Der effiziente Einsatz der Multicore-Technologie für spezifische Anwendungen ist maßgeblich davon abhängig, ob die verfügbare Leistung durch die auszuführende Software genutzt werden kann. Diese muss möglichst effizient auf die verfügbaren Prozessorkerne eines Multicore-Systems aufteilbar sein. Diesbezüglich weisen NC-Steuerungen ein Defizit auf. Speziell der NC-Kern, der maßgeblich für die Leistungsfähigkeit einer NC-Steuerung verantwortlich ist, weist nur ein geringes Potenzial für die parallele Ausführung auf einem Multicore-Prozessor auf. Die vorliegende Arbeit präsentiert deshalb einen Ansatz den NC-Kern in unabhängig voneinander ausführbare Teilaufgaben, sogenannte Tasks zu zerlegen und damit zu befähigen, die Leistungsfähigkeit von Multicore-Prozessoren auszunutzen. Dieser Partitionierungsansatz stützt sich auf Entwurfsmuster für parallele Systeme, einmal hinsichtlich der Zerlegung des NC-Kerns und dessen Funktionen in unabhängig ausführbare Tasks, zum anderen bezüglich der Koordination derselben. Zur Bewertung des Partitionierungskonzepts beschreibt diese Arbeit die Anwendung und damit spezifische Ausprägung der Partitionierung für ausgewählte Funktionen des NC-Kerns. Die nachgelagerte Analyse des Speedups und der Effizienz hinsichtlich der betrachteten Funktionen bestätigt, dass das vorgestellte Partitionierungskonzept für NC-Steuerung zielführend im Sinne einer Leistungssteigerung angewendet werden kann.

To meet the requirements of novel use cases and to improve the machining efficiency and quality of machine tools, NC controls are continuously enhanced regarding their functionality. This leads to higher demands for computational power. But at the same time costs of the underlying system platform must not increase. With multi-core processors there exists a technology that is permeating all areas of computing systems. This applies for the area of embedded and real-time systems, too. The multi-core technology can satisfy the increasing demand for computational power and the requirements regarding cost at the same time. Consequently, the use of multi-core processors for NC controls is desirable from both, a technological and an economical perspective. However, the efficient utilisation of the multi-core technology for specific applications significantlydepends on how the available computational power can be made accessible by the deployed software. The software must be implemented in a manner that it can be distributed among the available processor cores of the multi-core system in an efficient way. In this regard, NC controls show poor characteristics. Especially the NC kernel, that is substantially responsible for the technical merit of NC controls, shows only little potential to be executed in a parallel manner on multi-core processors. On these grounds this thesis presents an approach that enables NC controls to make use of the computational power of multi-core processors. A concept describes how to decompose the NC kernel into tasks that can be independently executed on different processor cores. The partitioning approach is based on design patterns for parallel systems regarding the decomposition of the NC kernel and its functions and regarding the coordination of the created tasks. Furthermore, for evaluation this thesis describes the implementation of the partitioning concept at the example of several functions of the NC kernel. The subsequent analysis of the speedup and the efficiency confirms that the approach can be effectively applied and enables NC controls to benefit from the available computational power of multicore systems.