[发明专利]一种开放式数控系统的实时内核芯片

说明书

技术领域

本发明属先进控制与先进制造领域，具体涉及一种用于开放式数控系统的实时内核芯片。

技术背景

基于IEEE定义的现有开放式数控系统是以实时操作系统(Real Time Operating System，RTOS)为中心的系统架构。

实时操作系统中关于内外资源的管理机制以及关于内外环境变化的应变机制与插补迭代控制算法的运算规则紧密耦合在一起构成一种普适的数字控制方法即插补迭代控制方法，实时操作系统从而成为进行实时插补迭代的实时控制中心。

插补迭代控制方法贯穿于数字控制技术与数控系统的全部历史，创建了数控系统的“插补时代”。

在上世纪七十年代以前，计算机基本上只用于科学计算，其应用环境是多个用户程序的管理，由此产生了面向多用户的分时操作系统。八十年代后，计算机广泛应用于生产过程的实时控制。为了解决操作系统的实时性，在通常的多用户分时操作系统中嵌入一个实时内核，并称之为实时操作系统。例如，在PC中，WindowsNT+RTX与Linux+RTLinux便广泛使用实时内核RTX与RTLinux。

文献《PC数控原理、系统及应用》(作者：周凯，机械工业出版社2007年7月第1版·第2次印刷)指出，在基于PC的现有开放式数控系统中，实时内核是数控软件系统的核心。数控软件系统的结构、设计与运行管理所涉及的“以多进程和多线程等方式实现的多任务软件设计”，“对实时性和可靠性要求相当苛刻的实时软件设计”，“实时软件与非实时软件间的相互协调运行和信息交换”等问题均依赖于实时内核。

IEEE(Institute of Electrical and Electronic s Engineers，电气电子工程师协会)关于开放式系统的定义为：

“符合系统规范的应用系统可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它系统的应用进行互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。”

中国国家标准《GB/T 18759.1-2002·机械电气设备·开放式数控系统·第1部分总则》抓住IEEE定义的本质并遵循IEEE定义的基本原则，在3.1款中直截了当将开放性定义为应用软件的“即插即用”，将开放式数控系统定义为：

“指应用软件构筑于遵循公开性、可扩展性、兼容性原则的系统平台之上的数控系统，使应用软件具备可移植性、互操作性和人机界面的一致性。”

上述定义表明，在体系结构上，现有开放式数控系统完全被IEEE定义“计算机化”，成为需要配置实时操作系统的通用计算机系统，数控软件系统则只是其中的一个专用应用系统。

实时性的本质为timing predictability，指的是操作系统中所有任务的运行时间是可预见的，也就是说，实时性是指操作系统在可预见的时间内响应和处理外部事件的能力。因此，所谓实时内核，必然涉及操作系统中与进程调度/线程调度有关的高精度时钟管理、多级嵌套中断管理、任务调度的通信与同步等依赖低层硬件的基本功能。换言之，现有开放式数控系统中的实时内核并非是针对数字控制中的具体实时过程，而是针对操作系统响应和处理内外环境变化的应变机制。

事实上，由于工业应用环境的复杂性，导致实时过程的具体形态差异极大。对于种种不同形态的实时过程采用统一的应变机制违反了具体问题具体分析的原则，必然耗费大量的计算资源并导致事倍功半的效果。对于数字控制来说，上述实时内核作为数控软件系统的核心还存在下述问题。

实时内核中的关键技术是进程调度/线程调度。实时性将进程调度复杂化。并行算法又将进程调度进一步复杂化。更为麻烦的是线程，与机器指令级流水线的并发性和处理器级进程的并发性相比，线程的并发性所面临的不确定性极为复杂。进程与线程，再加上并行算法，导致实时操作系统的高度复杂化以及数控软件系统的高度复杂化。对于高速高精度的多轴系统，数控软件系统势必成为采用并行算法、涉及多进程/多线程嵌套调用以及多重实时嵌套中断的一个庞大而复杂的中断系统。为了研发这个庞大而复杂的中断系统，既要精通数字控制技术，又要精通计算机软硬体系结构，还要精通并行算法与多线程编程。这就意味着，数控软件系统成为所谓的专家型系统，即只有精通上述技术的复合型专家才能研发的系统，用户无法进行二次开发，从而完全丧失了开放性。