4-数控系统软件及软件结构解析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,数控系统软件及软件构造,主要内容,一、CNC系统软件的特点,二、CNC系统软件的构造模式,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,2,1、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,一、CNC系统软件的特点,CNC装置是典型的实时多任务掌握系统，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。,CNC系统软件的主要特点为：,3,CNC任务,治理任务,掌握任务,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、多任务性,4,CNC软件在工作中这些任务不是挨次执行的，而往往需要多任务并行处理。,比方：在机床加工过程中(执行掌握任务)，显示屏要实时显示加工状态(治理任务)。,在掌握任务中，为了保证加工的连续性，刀补、速度处理、插补运算以及位置掌握同时不连续运行。,5,2、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亲密相关,6,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，依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构造的CNC中，可承受“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：各任务的优先级安排问题；,其二：各任务占用CPU时间长度，即时间片安排问题,7,译码,刀补,I/O,显示,初始化,插补掌握,加减速运算,背景程序,4ms,8ms,16ms,中断级别低,资源(CPU)分时共享图,-循环调度与中断调度相结合,8,0ms 4ms 8ms 12ms 16ms,插补掌握,加减速运算,背景程序,各任务占用CPU 时间示意图,9,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8ms或16ms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。,10,假设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；,假设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，则可实行流水处理的方法来实现,并行处理。,B并发处理和流水处理,依据各任务之间的关联程度，可承受以下两种并行处理技术：,11,流水处理技术是利用重复的资源CPU，将一个大的任务分成假设干个子任务(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，然后按肯定的挨次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。,流水处理技术的涵义,:,12,1,2,3,1,2,3,2t,t,空间,时间,顺序处理,输出,输出,n1,时间,t+,t,t,空间,1,2,3,1,2,3,1,2,3,输出,输出,输出,n1,n2,n3,流水处理,流水处理技术示意图,13,在任何时刻流水处理除开头和完毕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，或者说以空间简单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:,14,实时性定义:,任务的执行有严格时间要求任务必需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,三、实时性任务的定义和分类,15,实时突发性任务：,任务的发生具有随机性和突发性，是一种异步中断大事。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：,任务是准确地按肯定时间间隔发生的。主要包括插补运算、位置掌握等任务。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。,A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，或依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展合理的调度。,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。,B弱实时性任务,17,为了满足CNC系统实时任务的要求，系统的调度机制必需具有能依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展任务调度的力量。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大事的一种能按任务的重要程度、轻重缓急对其准时响应，而CPU也不必为其开销过多的时间。,四、优先抢占调度机制,18,抢占方式：,在CPU正在执行某任务时，假设另一优先级更高的任务恳求执行，CPU将马上终止正在执行的任务，转而响应优先级高任务的恳求,优先调度：,在CPU空闲时，当同时有多个任务恳求执行时，优先级高的任务将优先得到满足。,抢占式优先调度机制功能,19,硬件主要供给支持中断功能的芯片和电路，如中断治理芯片8259或功能一样的芯片，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、任务切换断点的爱护与恢复、中断向量的保存与恢复等等。,抢占式优先调度机制的实现方式,20,抢占式优先调度；,时间片轮换调度；,非抢占式优先调度。,CNC系统中承受的任务调度机制,21,构造模式：,指系统软件的组织治理方式，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。,构造模式的功能：,组织和协调各个任务的执行，使之满足肯定的时序协作要求和规律关系，以满足CNC系统的各种掌握要求。,二、CNC系统软件的构造模式,22,前后台型,中断型,基于实时操作系统型,分类,23,该模式将CNC系统软件划分成两局部：,前台程序:,主要完成插补运算、位置掌握、故障诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断效劳程序。,后台程序(背景程序):,完成显示、零件加工程序的编辑治理、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，前后台相互协作来完成零件的加工任务。,1、前后台型构造模式,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,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承受的是挨次调度。,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。该构造仅适用于掌握功能较简洁的系统。早期的CNC系统大都承受这种构造。,前后台型构造模式的特点,26,2、中断型构造模式,这种构造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效劳程序中，然后由中断治理系统由硬件和软件组成对各级中断效劳程序实施调度治理。,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,中断型软件系统构造图,28,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效劳程序中。,模块间的关系简单，耦合度大，不利于对系统的维护和扩大。二十世纪80至90年月初的CNC系统大多承受这种构造。,中断型构造模式的特点,29,三、基于实时操作系统的构造模式,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，还具有任务治理、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根底上进展开发。,30,基于实时操作系统系统构造图,RTOS,模块（任务）1,模块（任务）2,模块,（,任务）,31,基于实时操作系统构造模式的特点,A、弱化功能模块间的耦合关系,CNC各功能模块之间在规律上存在着耦合关系，在时间上存在着时序协作关系。为了协调和组织它们，前述构造模式中，需用很多全局变量标志和推断、分支构造，致使各模块间的关系简单。,在本模式中，设计者只须考虑模块自身功能的实现，然后按规章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。,32,B、系统的开放性和可维护性好,从本质上讲，前述构造模式承受的是单一流程加中断掌握的机制，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，假设想对系统进展功能扩大和修改将是困难的。,在本模式中，系统功能的扩大或修改，只须将编写好的任务模块模块程序加上任务掌握块TCB，挂到实时操作系统上按要求进展编译即可。因而，承受该模式开发的CNC系统具有良好的开放性和可维护性。,33,C、削减系统开发的工作量,在CNC系统软件开发中，系统内核任务治理、调度、,通信机制的设计开发的往往是很简单的，而且工作量也相,当大。当以现有的实时操作系统为内核时，即可大大削减系,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CNC系统，国外有些著名CNC系统厂家承受了这种方式。,将通用PC机操作系统DOS、WINDOWS扩大扩展成实时操作系统，然后在此根底上开发CNC系统软件。目前国内有些CNC系统的生产厂家就是承受的这种方法。该法的优点在于DOS WINDOWS是得到普遍应用的操作系统，扩大扩展相对较简洁，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。,35,