基于高檔數(shù)控的實(shí)時(shí)多任務(wù)實(shí)現(xiàn)

摘要：為了解決高檔數(shù)控系統(tǒng)對控制軟件實(shí)時(shí)性的要求，提出了分時(shí)并行處理的設(shè)計(jì)方法，以實(shí)時(shí)環(huán)境下多線程技術(shù)的原理為依據(jù)，用Delphi提供的多線程編程組件完成了系統(tǒng)線程的具體實(shí)現(xiàn)，并且以開發(fā)實(shí)例的方式給出了多線程技術(shù)在實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)中的應(yīng)用。實(shí)時(shí)多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，顯著提高了CPU的利用率，并使系統(tǒng)的可靠性得到了保證。
關(guān)鍵詞：高檔數(shù)控系統(tǒng)；分時(shí)并行處理；實(shí)時(shí)控制；多線程技術(shù)

0 引言
    實(shí)時(shí)性是數(shù)控系統(tǒng)一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)。
    通信在IPC(Industrial Personal Computer)與運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成的開放式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)平臺上，雖然這種主從式結(jié)構(gòu)，確保了運(yùn)動(dòng)控制指令在運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)高速、實(shí)時(shí)的被執(zhí)行，但在PC平臺上，仍需要完成諸如實(shí)時(shí)顯示、預(yù)處理計(jì)算、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等許多任務(wù)。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，擬采用多線程技術(shù)，通過多任務(wù)并行處理的方式，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

1 進(jìn)程與線程以及多線程技術(shù)
    Windows操作系統(tǒng)既支持多進(jìn)程，又支持多線程。一個(gè)進(jìn)程就是應(yīng)用程序的一個(gè)實(shí)例，一次執(zhí)行過程也就是調(diào)入內(nèi)存準(zhǔn)備執(zhí)行的程序，包括當(dāng)前執(zhí)行的應(yīng)用程序的執(zhí)行代碼和程序執(zhí)行相關(guān)的一些環(huán)境信息。每個(gè)進(jìn)程擁有整臺計(jì)算機(jī)的資源，無須知道其他進(jìn)程在計(jì)算機(jī)中的信息。通常每個(gè)進(jìn)程至少有一個(gè)線程在執(zhí)行所屬地址空間中的代碼，該線程稱為主線程，如果該主線程運(yùn)行結(jié)束，系統(tǒng)將自動(dòng)清除進(jìn)程及其他地址空間。
    線程是進(jìn)程內(nèi)部執(zhí)行的路徑，是操作系統(tǒng)分配CPU時(shí)間的基本實(shí)體，是程序運(yùn)行的最小單位。每個(gè)進(jìn)程都由主線程開始進(jìn)行應(yīng)用程序的執(zhí)行。線程由一個(gè)堆棧、CPU寄存器的狀態(tài)和系統(tǒng)調(diào)用列表中的一個(gè)人口組成。每個(gè)進(jìn)程可以包含一個(gè)以上的線程，這些線程可以同時(shí)獨(dú)立地執(zhí)行進(jìn)程地址空間中的代碼，共享進(jìn)程中的所有資源。
    Windows系統(tǒng)分配處理器時(shí)間的最小單位是線程，系統(tǒng)不停地在各個(gè)線程之間切換。在PC機(jī)中，同一時(shí)間只有一個(gè)線程在運(yùn)行。通常系統(tǒng)為每個(gè)線程劃分的時(shí)間片很小(ms級別)，這樣快速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就有了保障。
    要實(shí)現(xiàn)多線程編程，可建立輔助線程(Worker Thread)和用戶界面線程(User Interface Thread)。輔助線程主要用來執(zhí)行數(shù)控程序、坐標(biāo)顯示、動(dòng)態(tài)仿真和數(shù)據(jù)預(yù)處理；用戶界面線程用來處理用戶的輸入，響應(yīng)用戶產(chǎn)生的事件和消息。

2 實(shí)時(shí)多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)
    數(shù)控系統(tǒng)軟件具有實(shí)時(shí)性和多任務(wù)兩大特點(diǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中要管理和控制的任務(wù)很多，如當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)正處于加工控制狀態(tài)時(shí)，為了保證加工的連續(xù)性，在各個(gè)程序段之間不停頓，各數(shù)控加工程序段的預(yù)處理、插補(bǔ)計(jì)算、位置控制和各種輔助控制任務(wù)都要及時(shí)進(jìn)行；為了使操作人員及時(shí)了解和干預(yù)數(shù)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，系統(tǒng)在執(zhí)行加工任務(wù)的同時(shí)還應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行一些人機(jī)交互工作，即顯示加工狀態(tài)、接收操作人員通過操作面板輸入的各種改變系統(tǒng)狀態(tài)的控制信號等。為了及時(shí)檢查和預(yù)報(bào)軟、硬件的各種故障，系統(tǒng)在運(yùn)行控制程序和人機(jī)交互程序同時(shí)還要及時(shí)運(yùn)行診斷程序；此外，系統(tǒng)還可能被要求及時(shí)完成通信等其他任務(wù)。可見，理想的數(shù)控程序，應(yīng)具有實(shí)時(shí)多任務(wù)的處理能力。
    針對數(shù)控系統(tǒng)軟件的實(shí)時(shí)性和多任務(wù)性兩大特點(diǎn)，采用分時(shí)并行處理技術(shù)來確定數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)。分時(shí)并行處理技術(shù)是指一個(gè)處理器同時(shí)完成多種任務(wù)。系統(tǒng)用時(shí)間片輪換的方式處理和完成各任務(wù)，即按照某種輪換次序給每個(gè)任務(wù)分配一段CPU時(shí)間進(jìn)行各任務(wù)的處理。從微觀上看，各任務(wù)分時(shí)占用CPU；從宏觀的角度來看，在一段時(shí)間內(nèi)，CPU并行完成了多個(gè)任務(wù)。在軟件設(shè)計(jì)中，利用Windows的多線程技術(shù)以“資源分時(shí)共享”為原則，有效地解決CNC系統(tǒng)的實(shí)時(shí)多任務(wù)問題。應(yīng)用優(yōu)先級搶占方式來進(jìn)行線程調(diào)度，以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，利用時(shí)間重疊和資源共享的方法來實(shí)現(xiàn)并行處理。
2．1 系統(tǒng)線程的總體設(shè)計(jì)
    Windows提供兩種線程，輔助線程和主線程。主線程有窗口，因此它有自己的消息循環(huán)，可以處理消息，使程序能夠迅速響應(yīng)命令和其他事件；輔助線程沒有窗口，所以它不需要處理消息。它可用于完成一些費(fèi)時(shí)的工作，以免在由主線程處理這些工作時(shí)阻礙程序消息的處理。軟件設(shè)計(jì)時(shí)有并行要求的模塊置于獨(dú)立的線程中，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多任務(wù)并行工作。根據(jù)對系統(tǒng)實(shí)時(shí)多任務(wù)的分析，將軟件系統(tǒng)中的線程設(shè)計(jì)為：
    (1)主線程
    主線程是應(yīng)用系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建的第一個(gè)線程，其他線程都是由主線程直接或間接創(chuàng)建。主線程主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建客戶界面、數(shù)據(jù)顯示、與客戶交互、系統(tǒng)初始化以及對其他線程進(jìn)行監(jiān)控。
    (2)譯碼線程
    譯碼線程是由主線程創(chuàng)建的，負(fù)責(zé)程序的譯碼，并將計(jì)算結(jié)構(gòu)存入公共數(shù)據(jù)區(qū)，為通信線程提供數(shù)據(jù)來源。
    (3)通信線程
    通信線程負(fù)責(zé)上下位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。上下位機(jī)間的傳輸以一來一回的形式進(jìn)行。通信線程接收到下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，根據(jù)事先定義好的協(xié)議對它進(jìn)行識別，并根據(jù)識別的結(jié)果來判斷是否需要將插補(bǔ)命令等傳給下位機(jī)，還需要通知主線程來處理異常情況。
    通信線程所承擔(dān)的任務(wù)是強(qiáng)實(shí)時(shí)周期性任務(wù)，譯碼線程所承擔(dān)的任務(wù)是弱實(shí)時(shí)性任務(wù)，主線程承擔(dān)的是實(shí)時(shí)突發(fā)性任務(wù)。因此根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)弱不同，可為各個(gè)線程設(shè)置相應(yīng)的優(yōu)先級來確保實(shí)時(shí)性。主線程與進(jìn)程的優(yōu)先級相同，通信線程的優(yōu)先級高于主線程，而譯碼線程的優(yōu)先級高于主線程低于通信線程。
     在線程優(yōu)先級設(shè)置中，通信線程的優(yōu)先級最高，這使得通信線程在需要CPU時(shí)間片等資源時(shí)，能夠順利的搶占其他線程的資源，保證上下位機(jī)的通信順暢，使下位機(jī)在加工時(shí)能夠平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程，并且使下位機(jī)在出現(xiàn)異常情況時(shí)能及時(shí)通知上位機(jī)。由于通信這一動(dòng)作是依照某種頻率進(jìn)行的，因此通信線程不會(huì)一直占用CPU資源，從而不會(huì)因?yàn)樗膬?yōu)先級高使其他線程無法運(yùn)行。
    具體實(shí)現(xiàn)原理架構(gòu)如圖1所示。

2．2 系統(tǒng)線程的具體實(shí)現(xiàn)
    Delphi提供了許多與多線程編程相關(guān)的組件，其中最重要的是Tthread類，本文就是利用它來實(shí)現(xiàn)多線程編程。該類封裝了大多數(shù)與線程相關(guān)的方法，使用Tthread類大大簡化了多線程程序的開發(fā)步驟。Tthread類是一個(gè)抽象類，不可以直接創(chuàng)建它的實(shí)例，但是可以創(chuàng)建它的派生類。創(chuàng)建方法在Delphi菜單中依次選擇“File”→“New”→“Other”→“New”，選擇“Thread Object”項(xiàng)，在對話框中輸入新的線程類的名稱，確認(rèn)后即創(chuàng)建了一個(gè)新的線程類：
   
   
    其中：“private”及“protected”用來定義變量和程序函數(shù)，“procedure Execute；override；”是線程函數(shù)，用來編寫線程的執(zhí)行部分。同時(shí)Delphi還提供了各種函數(shù)用來運(yùn)行和終止線程等。創(chuàng)建了線程的派生類后可以生成該類的對象，來表示應(yīng)用程序的執(zhí)行線程。各個(gè)線程創(chuàng)建好后將NC的解釋程序、通信程序等放在各自線程函數(shù)內(nèi)，再創(chuàng)建線程的對象，設(shè)置幾個(gè)線程就生成幾個(gè)對象，在對象內(nèi)編寫打開或終止線程等函數(shù)來控制線程的運(yùn)行。

3 結(jié)語
    基于Windows平臺的高檔數(shù)控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了不僅能向Windows平臺添加實(shí)時(shí)功能，而且使這些實(shí)時(shí)功能具有很好的可擴(kuò)展性。本課題下步的目標(biāo)是將此實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在Windows XPEmbedded平臺上，使其具備高檔數(shù)控系統(tǒng)需要的嵌入式設(shè)備的特性。