数控系统软件及软件结构解析课件.ppt

,数控系统软件及软件结构,主要内容,一、,CNC,系统软件的特点,二、,1,、多任务性,2,、多任务的并行处理,3,、实时性,4,、优先抢占调度机制,CNC,系统软件的结构模式,一、,CNC,系统软件的特点,CNC,装置是典型的实时多任务控制系统，,CNC,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。,系统软件的主要特点为：,1,、多任务性,2,、多任务的并行处理,3,、实时性,4,、优先抢占调度机制,CNC,1,、多任务性,CNC,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,输,入,输,出,管,理,故,障,诊,断,处,理,.,编,译,处,理,刀,具,半,径,补,偿,插,补,运,算,位,置,控,制,机,床,输,入,输,出,主,轴,控,制,.,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。,2,、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,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,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,A,）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,资源,(CPU),分时共享图,-,循环调度与中断调度相结合,初始化,显示,插补控制,4ms,译码,加减速运算,8ms,I/O,刀补,中断级别低,背景程序,16ms,0ms,4ms,8ms,12ms,16ms,插补控制,加减速运算,背景程序,各任务占用,CPU,时间示意图,资源分时共享技术的特征,:,?,在任何一个时刻只有一个任务占用,CPU,；,?,在一个时间片（如,8,ms,或,16,ms,）内，,CPU,并,行地执行了两个或两个以上的任务。,因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的,意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。,B,）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,并行处理技术：,若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的,CPU,上同时执行,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,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。,流水处理技术的涵义,:,流水处理技术是利用重复的资源（,CPU,），将一个,大的任务分成若干个子任务,(,任务的分法与资源重复的,多少有关,),，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,上分不同工序加工零件的流水作业一样。,空,间,输,出,输,出,1,2,3,空,间,n3,输,输,输,出,出,出,1,1,1,2,2,3,2,3,3,n1,n2,1,2,3,n1,t,2t,时间,t,t+,t,时间,顺序处理,流水处理,流水处理技术示意图,并发处理和流水处理的特征,:,?,在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均,有两个或两个以上的任务在并发执行；,?,并发处理和流水处理的关键是时间重叠，是,以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者,说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。,三、实时性任务的定义和分类,实时性定义,:,任务的执行有严格时间要求（任务必须规定时,间内完成或响应），否则将导致执行结果错误或系,统故障的特性。,实时性任务分类,:,1,、强实时性任务：,实时突发性任务、实时周期性任务,2,、弱实时性任务,A,）强实时性任务,实时突发性任务：,任务的发生具有随机性和突发性，是一种异步中断事件。主,要包括,故障中断,(,急停，机械限位、硬件故障等,),、,机床,PLC,中断、硬件（按键）操作中断,等。,实时周期性任务：,任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括,插补运算、,位置控制,等任务。为保证加工精度和加工过程的连续性，这,类任务处理的实时性是关键。在任务的执行过程中，除系统,故障外，不允许被其它任何任务中断。,B,）弱实时性任务,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,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,对它们进行合理的调度。,这类任务主要包括：,CRT,显示、零件程序的编辑、,加工状态的动态显示、加工轨迹的静态模拟仿真及,动态显示,等。,四、优先抢占调度机制,为了满足,CNC,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,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,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,CPU,也不必为其开销过多的时间。,抢占式优先调度机制功能,抢占方式：,在,CPU,正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求,执行，,CPU,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,优先调度：,在,CPU,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。,抢占式优先调度机制的实现方式,?,硬件主要提供支持中断功能的芯片和电路，如中断管理,芯片（,8259,或功能相同的芯片），定时器计数器（,8253,、,8254,等）等。,?,软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先级的定义、,任务切换（断点的保护与恢复、中断向量的保存与恢复,等）等。,CNC,系统中采用的任务调度机制,?,抢占式优先调度；,?,时间片轮换调度；,?,非抢占式优先调度。,二、,CNC,系统软件的结构模式,结构模式：,指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划,分方式、任务调度机制、任务间的信息交,换机,制以及系统集成方法等。,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,时序配合要求和逻辑关系，以满足,CNC,系统的各种,控制要求。,分类,前后台型,中断型,基于实时操作系统型,1,、前后台型结构模式,该模式将,CNC,系统软件划分成两部分：,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,任务，它是一个实时中断服务程序。,后台程序,(,背景程序,):,完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入,/,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。,中断执行,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,循环执行,前后台程序运行关系图,前后台型结构模式的特点,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。,2,、中断型结构模式,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,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,各级中断服务程序实施调度管理。,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,中断型软件系统结构图,级,中,断,服,务,程,序,级,中,断,服,务,程,序,中断型结构模式的特点,任务调度机制,:,抢占式优先调度。,信息交换,:,缓冲区。,实时性好,:,由于中断级别较多（最多可达,8,级），强实时性,任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。,模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和,扩充。,二十世纪,80,至,90,年代初的,CNC,系统大多采用这种结,构。,三、基于实时操作系统的结构模式,实时操作系统（,Real Time Operating,System RTOS,）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，还具有,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,的通信机制（如邮箱、消息队列、信号灯等）,等功能。由此可知，,CNC,系统软件完全可以,在实时操作系统的基础上进行开发。,RTOS,模,块,（,任,务,）,1,模,块,（,任,务,）,2,模,块,（,任,务,）,?,基于实时操作系统系统结构图,基于实时操作系统结构模式的特点,A,、,弱化功能模块间的耦合关系,CNC,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，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。,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。,B,、,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,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。,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（,TCB,），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,CNC,系统具有良好的开放性和可维护性。,C,、,减少系统开发的工作量,在,CNC,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,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。,在商品化的实时操作系统下开发,CNC,系统，国外有些著名,CNC,系统厂家采用了这种方式。,将通用,PC,机操作系统（,DOS,、,WINDOWS,）扩充扩展成实时操,作系统，然后在此基础上开发,CNC,系统软件。目前国内有些,CNC,系,统的生产厂家就是采用的这种方法。该法的优点在于,DOS,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。,