数控系统软件及软件结构解析课件

数控系统软件及软件结构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、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 CNCCNC系统软件的结构模式系统软件的结构模式 主要内容 一、CNC系统软件的特点 二、1、多任务性 2、多一、一、CNCCNC系统软件的特点系统软件的特点 CNC CNC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。系统软件的主要特点为：系统软件的主要特点为：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 CNC CNC一、CNC系统软件的特点 CNC装置是典型的实时多任1 1、多任务性、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.1、多任务性 CNC任务 管理任务 控制任务 零 件 程 序 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。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2 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 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 A）资源分时共享（对单CPU的系统）?资源分时共享在规 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 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 资源(CPU)分时共享图 0ms 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 0ms 4ms 8ms 1资源分时共享技术的特征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在任何一个时刻只有一个任务占用 CPUCPU；?在一个时间片（如在一个时间片（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。因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的因此，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。意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。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CB）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。B）并发处理和流水处理 根据各任务之间的关联程度，可流水处理技术的涵义流水处理技术的涵义: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:流水处理技术是利用重复的资源空间输出 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流水处理技术示意图 空间输出 输出 1 2 3 空间n3 输输输出 出 出 1 并发处理和流水处理的特征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；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。说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:?在任何时刻（流水处理除开始和三、实时性任务的定义和分类三、实时性任务的定义和分类 实时性定义实时性定义:任务的执行有严格时间要求（任务必须规定时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。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 实时性定义:任务的执行A A）强实时性任务）强实时性任务 实时突发性任务：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。主要包括要包括故障中断故障中断(急停，机械限位、硬件故障等急停，机械限位、硬件故障等)、机床机床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：任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括插补运算、插补运算、位置控制位置控制等任务。为保证加工精度和加工过程的连续性，这等任务。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。故障外，不允许被其它任何任务中断。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B B）弱实时性任务）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。这类任务主要包括：这类任务主要包括：CRTCRT显示、零件程序的编辑、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动态显示等。等。B）弱实时性任务 这类任务的实时性要求相对较弱，只需四、优先抢占调度机制四、优先抢占调度机制 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 为了满足CNC系统实时任务的要求抢占式优先调度机制功能抢占式优先调度机制功能 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 抢占方式：在CPU正在执行某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?硬件主要提供支持中断功能的芯片和电路，如中断管理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（芯片（82598259或功能相同的芯片），定时器计数器（或功能相同的芯片），定时器计数器（82538253、82548254等）等。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、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任务切换（断点的保护与恢复、中断向量的保存与恢复等）等。等）等。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?抢占式优先调度；抢占式优先调度；?时间片轮换调度；时间片轮换调度；?非抢占式优先调度。非抢占式优先调度。CNC系统中采用的任务调度机制?抢占式优先调度；?时间片二、二、CNCCNC系统软件的结构模式系统软件的结构模式 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、CNC系统软件的结构模式 结构模式：指系统软分类分类 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 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、前后台型结构模式 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、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。完成零件的加工任务。1、前后台型结构模式 该模式将CNC系统软件划分成两部分：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程序运行关系图 中断执行 前台程序 故障处理 位置控制 插补运算 前后台型结构模式的特点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。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2、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。2、中断型结构模式 这种结构是将除了初始化程序之外，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 初始化 中断管理系统（硬件+软件）0级中断服务程中断型结构模式的特点 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。实时性好实时性好:由于中断级别较多（最多可达由于中断级别较多（最多可达 8 8级），强实时性级），强实时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。模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。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系统大多采用这种结构。构。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，还具有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。由此可知，等功能。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。三、基于实时操作系统的结构模式 实时操作系统（ReaRTOS 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系统结构图 RTOS 模块（任务）1模块（任务）2 模块（任务）?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 CNC CNC各功能模块之间在逻辑上存在着耦合关系，在时间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。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。间的耦合关系。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 B 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。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。B、系统的开放性和可维护性好 从本质上讲，前述结构模C 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。C、减少系统开发的工作量 在CNC系统软件开发中，系统 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）扩充扩展成实时操作系统，然后在此基础上开发作系统，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系系统的生产厂家就是采用的这种方法。该法的优点在于统的生产厂家就是采用的这种方法。该法的优点在于DOS DOS WINDOWSWINDOWS是得到普遍应用的操作系统，扩充扩展相对较容易，有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。的好方法。在商品化的实时操作系统下开发CNC系统，国外有些著名