4-数控系统软件及软件结构解析.ppt

数控系统软件及软件结构数控系统软件及软件结构主要内容主要内容一、一、CNCCNC系统软件的特点系统软件的特点二、二、CNCCNC系统软件的结构模式系统软件的结构模式1 1、多任务性、多任务性2 2、多任务的并行处理、多任务的并行处理3 3、实时性、实时性4 4、优先抢占调度机制、优先抢占调度机制21 1、多任务性、多任务性2 2、多任务的并行处理、多任务的并行处理3 3、实时性、实时性4 4、优先抢占调度机制、优先抢占调度机制一、一、CNCCNC系统软件的特点系统软件的特点 CNCCNC装置是典型的实时多任务控制系统，装置是典型的实时多任务控制系统，CNCCNC装置装置的系统软件则可看成是一个专用实时多任务操作系统。的系统软件则可看成是一个专用实时多任务操作系统。CNCCNC系统软件的主要特点为：系统软件的主要特点为：3CNC任务管理任务控制任务零件程序管理显示处理人机交互交互位置控制输入输出管理插补运算故障诊断处理机床输入输出编译处理主轴控制刀具半径补偿.1 1、多任务性、多任务性4 CNC软件在工作中这些任务不是顺序执行的，而往往需要多任务并行处理。比如：在机床加工过程中(执行控制任务)，显示屏要实时显示加工状态(管理任务)。在控制任务中，为了保证加工的连续性，刀补、速度处理、插补运算以及位置控制同时不间断运行。52 2、并行处理的多任务的调度、并行处理的多任务的调度 并行处理是指软件系统在同一时刻或同一时间间隔内并行处理是指软件系统在同一时刻或同一时间间隔内完成两个或两个以上任务处理的方法。目的是为了提高系完成两个或两个以上任务处理的方法。目的是为了提高系统资源的利用率和系统处理速度统资源的利用率和系统处理速度 并行处理的方法：A、资源分时处理 B、并发处理和流水处理 这些实现方法与系统的硬件密切相关6A）资源分时共享（对单CPU的系统）资源分时共享在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。在单CPU结构的CNC中，可采用“资源分时共享”实现多任务的并行处理。“资源分时共享”的技术关键：其一：各任务的优先级分配问题；其二：各任务占用CPU时间长度，即时间片分配问题7译码刀补I/O显示初始化插补控制加减速运算背景程序4ms8ms16ms中断级别低 资源资源(CPU)(CPU)分时共享图分时共享图 -循环调度与中断调度相结合循环调度与中断调度相结合80ms 4ms 8ms 12ms 16ms插补控制加减速运算背景程序各任务占用各任务占用CPU CPU 时间示意图时间示意图9资源分时共享技术的特征资源分时共享技术的特征:u在任何一个时刻只有一个任务占用在任何一个时刻只有一个任务占用CPUCPU；u在在一一个个时时间间片片（如如8 8msms或或1616msms）内内，CPUCPU并并行地执行了两个或两个以上的任务。行地执行了两个或两个以上的任务。因因此此，资资源源分分时时共共享享的的并并行行处处理理只只具具有有宏宏观观上上的的意意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。10若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的 CPUCPU上同时执行上同时执行并发处理；并发处理；若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另 一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现 并行处理。并行处理。B）并发处理和流水处理并发处理和流水处理 根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术：并行处理技术：11 流水处理技术是利用重复的资源（流水处理技术是利用重复的资源（CPUCPU），），将一个将一个大的任务分成若干个子任务大的任务分成若干个子任务(任务的分法与资源重复的任务的分法与资源重复的多少有关多少有关)，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务，就象在一条生产线顺序安排每个资源执行一个任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。上分不同工序加工零件的流水作业一样。流水处理技术的涵义流水处理技术的涵义:121231232tt空间时间顺序处理输出输出n1时间t+tt空间123123123输出输出输出n1n2n3流水处理 流水处理技术示意图流水处理技术示意图13u在在任任何何时时刻刻（流流水水处处理理除除开开始始和和结结束束外外）均均有两个或两个以上的任务在并发执行有两个或两个以上的任务在并发执行；u并并发发处处理理和和流流水水处处理理的的关关键键是是时时间间重重叠叠，是是以以资资源源重重复复的的代代价价换换得得时时间间上上的的重重叠叠，或或者者说说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。并发处理和流水处理的特征并发处理和流水处理的特征:14实时性定义实时性定义:任任务务的的执执行行有有严严格格时时间间要要求求（任任务务必必须须规规定定时时间间内内完完成成或或响响应应），否否则则将将导导致致执执行行结结果果错错误误或或系系统故障的特性。统故障的特性。实时性任务分类实时性任务分类:1 1、强实时性任务：、强实时性任务：实时突发性任务、实时周期性任务实时突发性任务、实时周期性任务2 2、弱实时性任务、弱实时性任务三、实时性任务的定义和分类三、实时性任务的定义和分类15q实时突发性任务：实时突发性任务：任任务务的的发发生生具具有有随随机机性性和和突突发发性性，是是一一种种异异步步中中断断事事件件。主主要要包包括括故故障障中中断断(急急停停，机机械械限限位位、硬硬件件故故障障等等)、机机床床PLCPLC中断、硬件（按键）操作中断中断、硬件（按键）操作中断等。等。实时周期性任务：实时周期性任务：任任务务是是精精确确地地按按一一定定时时间间间间隔隔发发生生的的。主主要要包包括括插插补补运运算算、位位置置控控制制等等任任务务。为为保保证证加加工工精精度度和和加加工工过过程程的的连连续续性性，这这类类任任务务处处理理的的实实时时性性是是关关键键。在在任任务务的的执执行行过过程程中中，除除系系统统故障外，不允许被其它任何任务中断。故障外，不允许被其它任何任务中断。A A）强实时性任务强实时性任务16 这类任务的实时性要求相对较弱，只需要保证这类任务的实时性要求相对较弱，只需要保证在某一段时间内得以运行即可。在系统设计时，它在某一段时间内得以运行即可。在系统设计时，它们或被安排在背景程序中，或根据重要性将其设置们或被安排在背景程序中，或根据重要性将其设置成不同的优先级（级别较低），再由系统调度程序成不同的优先级（级别较低），再由系统调度程序对它们进行合理的调度。对它们进行合理的调度。这这类类任任务务主主要要包包括括：CRTCRT显显示示、零零件件程程序序的的编编辑辑、加加工工状状态态的的动动态态显显示示、加加工工轨轨迹迹的的静静态态模模拟拟仿仿真真及及动态显示动态显示等。等。B B）弱实时性任务弱实时性任务17 为了满足为了满足CNCCNC系统实时任务的要求，系统的调度机制必须系统实时任务的要求，系统的调度机制必须具有能根据外界的实时信息以足够快的速度（在系统规定的具有能根据外界的实时信息以足够快的速度（在系统规定的时间内）进行任务调度的能力。优先抢占调度机制就是能满时间内）进行任务调度的能力。优先抢占调度机制就是能满足上述要求的调度技术，它是一种基于实时中断技术的任务足上述要求的调度技术，它是一种基于实时中断技术的任务调度机制。众所周知，中断技术是计算机系统响应外部事件调度机制。众所周知，中断技术是计算机系统响应外部事件的一种能按任务的重要程度、轻重缓急对其及时响应，而的一种能按任务的重要程度、轻重缓急对其及时响应，而CPUCPU也不必为其开销过多的时间。也不必为其开销过多的时间。四、优先抢占调度机制四、优先抢占调度机制18抢占方式：抢占方式：在在CPUCPU正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，执行，CPUCPU将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高任务的请求任务的请求优先调度：优先调度：在在CPUCPU空闲时，当同时有多个任务请求执行时，优先级高空闲时，当同时有多个任务请求执行时，优先级高的任务将优先得到满足。的任务将优先得到满足。抢占式优先调度机制功能抢占式优先调度机制功能19q硬硬件件主主要要提提供供支支持持中中断断功功能能的的芯芯片片和和电电路路，如如中中断断管管理理芯芯片片（82598259或或功功能能相相同同的的芯芯片片），定定时时器器计计数数器器（82538253、82548254等）等。等）等。q软软件件主主要要完完成成对对硬硬件件芯芯片片的的初初始始化化、任任务务优优先先级级的的定定义义、任任务务切切换换（断断点点的的保保护护与与恢恢复复、中中断断向向量量的的保保存存与与恢恢复复等）等。等）等。抢占式优先调度机制的实现方式抢占式优先调度机制的实现方式20q抢占式优先调度；抢占式优先调度；q时间片轮换调度；时间片轮换调度；q非抢占式优先调度。非抢占式优先调度。CNCCNC系统中采用的任务调度机制系统中采用的任务调度机制21 结构模式：结构模式：指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交分方式、任务调度机制、任务间的信息交换机换机制以及系统集成方法等。制以及系统集成方法等。结构模式的功能：结构模式的功能：组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足时序配合要求和逻辑关系，以满足CNCCNC系统的各种系统的各种控制要求。控制要求。二、二、CNCCNC系统软件的结构模式系统软件的结构模式22前后台型前后台型中断型中断型基于实时操作系统型基于实时操作系统型分类分类23 该模式将该模式将CNCCNC系统软件划分成两部分：系统软件划分成两部分：前台程序前台程序:主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性很强的主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。任务，它是一个实时中断服务程序。后台程序后台程序(背景程序背景程序):):完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入/出、插出、插补预处理等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，在运补预处理等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，在运行过程中，不断地被后台程序定时打断，前后台相互配合来完行过程中，不断地被后台程序定时打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。成零件的加工任务。1、前后台型结构模式、前后台型结构模式24前台程序故障处理位置控制插补运算后台程序译 码刀补处理速度预处理输入/输出显示中断执行循环执行前后台程序运行关系图前后台程序运行关系图25任务调度机制:优先抢占调度和循环调度。前台程序的调 度是优先抢占式的；前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。信息交换:缓冲区。实时性差:在前台和后台程序内无优先级等级、也无抢占机制。该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早期的CNC系统大都采用这种结构。前后台型结构模式的特点前后台型结构模式的特点262、中断型结构模式、中断型结构模式 这种结构是将除了初始化程序之外，这种结构是将除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。各级中断服务程序实施调度管理。27初始化中断管理系统（硬件+软件）0级中断服务程序 级中断服务程序 级中断服务程序级中断服务程序中断型软件系统结构图28任务调度机制任务调度机制:抢占式优先调度。抢占式优先调度。信息交换信息交换:缓冲区。缓冲区。实实时时性性好好:由由于于中中断断级级别别较较多多（最最多多可可达达8 8级级），强强实实时时性性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。模模块块间间的的关关系系复复杂杂，耦耦合合度度大大，不不利利于于对对系系统统的的维维护护和和扩充。扩充。二十世纪二十世纪8080至至9090年代初的年代初的CNCCNC系统大多采用这种结构。系统大多采用这种结构。中断型结构模式的特点29三、基于实时操作系统的结构模式三、基于实时操作系统的结构模式 实时操作系统（实时操作系统（Real Time Operating Real Time Operating System RTOSSystem RTOS）是操作系统的一个重要分支，是操作系统的一个重要分支，它除了具有通用操作系统的功能外，它除了具有通用操作系统的功能外，还具有还具有任务管理、多种实时任务调度机制（如优先任务管理、多种实时任务调度机制（如优先级抢占调度、时间片轮转调度等）、任务间级抢占调度、时间片轮转调度等）、任务间的通信机制（如邮箱、消息队列、信号灯等）的通信机制（如邮箱、消息队列、信号灯等）等功能等功能。由此可知，。由此可知，CNCCNC系统软件完全可以系统软件完全可以在实时操作系统的基础上进行开发。在实时操作系统的基础上进行开发。30基于实时操作系统系统结构图基于实时操作系统系统结构图RTOS模块（任务）1模块（任务）2模块（任务）31基于实时操作系统结构模式的特点基于实时操作系统结构模式的特点A A、弱化功能模块间的耦合关系弱化功能模块间的耦合关系 CNCCNC各功能模块之间在逻辑上存在着耦合关系，在时间上各功能模块之间在逻辑上存在着耦合关系，在时间上存在着时序配合关系。为了协调和组织它们，前述结构模式中，存在着时序配合关系。为了协调和组织它们，前述结构模式中，需用许多全局变量标志和判断、分支结构，致使各模块间的关需用许多全局变量标志和判断、分支结构，致使各模块间的关系复杂。系复杂。在本模式中，设计者只须考虑模块自身功能的实现，然在本模式中，设计者只须考虑模块自身功能的实现，然后按规则挂到实时操作系统上，而模块间的调用关系、信息交后按规则挂到实时操作系统上，而模块间的调用关系、信息交换方式等功能都由实时操作系统来实现。从而弱化了模块间的换方式等功能都由实时操作系统来实现。从而弱化了模块间的耦合关系。耦合关系。32B B、系统的开放性和可维护性好系统的开放性和可维护性好 从本质上讲，前述结构模式采用的是单一流程加中断控制从本质上讲，前述结构模式采用的是单一流程加中断控制的机制，一旦开发完毕，系统将是的完全封闭（对系统的开发的机制，一旦开发完毕，系统将是的完全封闭（对系统的开发者也是如此），若想对系统进行功能扩充和修改将是困难的。者也是如此），若想对系统进行功能扩充和修改将是困难的。在本模式中，系统功能的扩充或修改，只须将编写好的任在本模式中，系统功能的扩充或修改，只须将编写好的任务模块（模块程序加上任务控制块（务模块（模块程序加上任务控制块（TCBTCB），），挂到实时操作挂到实时操作系统上（按要求进行编译）即可。因而，采用该模式开发的系统上（按要求进行编译）即可。因而，采用该模式开发的CNCCNC系统具有良好的开放性和可维护性。系统具有良好的开放性和可维护性。33C C、减少系统开发的工作量减少系统开发的工作量 在在CNCCNC系统软件开发中，系统内核（任务管理、调度、系统软件开发中，系统内核（任务管理、调度、通信机制）的设计开发的往往是很复杂的，而且工作量也相通信机制）的设计开发的往往是很复杂的，而且工作量也相 当大。当以现有的实时操作系统为内核时，即可大大减少系当大。当以现有的实时操作系统为内核时，即可大大减少系 统的开发工作量和开发周期。统的开发工作量和开发周期。34 在商品化的实时操作系统下开发在商品化的实时操作系统下开发CNCCNC系统，国外有些著名系统，国外有些著名CNCCNC系统厂家采用了这种方式。系统厂家采用了这种方式。将通用将通用PCPC机操作系统（机操作系统（DOSDOS、WINDOWSWINDOWS）扩充扩展成实时操作扩充扩展成实时操作系统，然后在此基础上开发系统，然后在此基础上开发CNCCNC系统软件。目前国内有些系统软件。目前国内有些CNCCNC系统系统的生产厂家就是采用的这种方法。该法的优点在于的生产厂家就是采用的这种方法。该法的优点在于DOS WINDOWSDOS WINDOWS是得到普遍应用的操作系统，扩充扩展相对较容易，有利于形成是得到普遍应用的操作系统，扩充扩展相对较容易，有利于形成具有我国自主版权的数控软件，这是一种适合我国国情的好方法。具有我国自主版权的数控软件，这是一种适合我国国情的好方法。35