实时操作系统是开放式数控系统的核心部件，是确保数控系统高速、高精、体系结构开放以及智能化的关键技术之一。国内外的相关研究机构均开展了面向开放式数控系统的实时操作系统相关技术研究。在“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项的若干课题中，将基于开源软件的实时操作系统相关研究列为重要研究内容。但目前实时操作系统的现状是注重提升系统的平均实时性，不能完全满足开放式数控系统的需求。因此，针对开放式数控系统的共性需求以及各类开放式数控系统的特殊需求，开展面向开放式数控系统的实时操作系统优化技术的研究与应用，从功能优化与性能优化两方面增强实时操作系统的兼容性、可扩展性、自适应性以及对多核处理器的支持是需要解决的重要问题。围绕上述问题，本论文开展的研究工作如下：1.面向开放式数控系统的实时操作系统功能优化。现有的实时操作系统没有考虑到数控系统在开放性与性能评估上的特殊需求，难以支撑开放式数控系统的可扩展性与可移植性。为此，本论文对现有的开源实时操作系统进行了功能优化，提出实时操作系统接口抽象层、开放式调度框架以及实时系统性能评估模块，并将其应用于开放式数控系统的开发，以解决各类开放式数控系统对实时操作系统的共性需求。2.面向数控系统的数据流反馈调度研究与应用。开放式数控系统的核心功能由基于数据流的软件模型实现。在硬件资源紧张的标准型数控系统中，数据流有可能发生中断。数据流中断会降低数控系统的加工速度与加工精度。针对开放式数控系统的软件结构，本论文提出一种数据流反馈调度模型。通过动态监测系统中各个缓存的数据量，利用马尔可夫模型预测缓存中数据量的变化，动态调节相关任务的执行频率与优先级，以降低数据流中断的发生次数。本论文在标准型开放式数控系统中应用了该模型，并验证了该模型的有效性。3.基于勒贝格采样的自适应反馈调度研究与应用。在标准型数控系统中，实时负载的动态变化会导致人机界面等非实时任务长期得不到执行，从而降低系统的整体性能。针对此问题，本论文提出了能够均衡系统负载的自适应反馈调度模型，并利用勒贝格采样方法降低了反馈调度模型的系统开销。通过在标准型数控系统中的应用，验证了自适应反馈调度模型的有效性。4.面向双核处理器的Cache感知硬实时调度算法的研究。在使用双核处理器处理数控系统中的硬实时任务集时，并发的实时任务会通过共享Cache彼此干扰，严重制约了系统的实时性，并使得数控系统的加工质量无法得到保证。多核处理器上的Cache感知实时调度算法是目前实时调度领域的热点研究问题，这类算法能够解决并发任务彼此干扰的问题。为了提高双核处理器上硬实时任务集的实时性，本论文开展了Cache感知实时调度算法的研究工作，提出一种面向双核处理器的Cache感知硬实时调度算法，并且给出了相应的可调度性判断条件。通过相关实验验证了该算法的有效性。5.多核数控系统中实时性优化方法的研究与应用。在使用多核处理器处理开放式数控系统的混合任务集时，非实时任务会通过共享Cache干扰实时任务的实时性，软实时任务也会通过共享Cache干扰硬实时任务的实时性，从而制约了数控系统的整体性能。针对此问题，本论文提出了一种能够实现共享Cache分区的实时内存管理器，以及基于共享Cache分区的Cache感知多级调度框架。实时内存管理器为不同种类的任务划分独立的共享Cache分区，以排除非实时任务对实时任务的干扰。多级调度框架中的Cache感知软实时调度算法通过启发式方法进一步降低软实时任务集通过共享Cache的相互干扰。通过在多核数控系统中应用实时内存管理器与Cache感知多级调度框架，验证了它们的有效性。