[发明专利]一种基于四核处理器的数控系统体系结构以及构建方法

说明书

本发明公开了一种基于四核处理器的数控系统体系结构以及构建方法，其涉及数控技术领域，尤其设计多核数控系统体系结构设计技术领域。本发明首先，采用RT Preempt实时抢占补丁实时化底层Linux操作系统；然后，在实时Linux系统的用户空间，建立统一的用户态组件模型以及组件通信模型，最后，以用户态组件模型为基础，建立四核处理器的数控系统体系结构模型。采用国产CPU以及开源实时操作系统，有效提升了软硬件的自主可控。本发明数控系统采用自主可控的国产处理器芯片和开源操作系统，针对系统硬件采用基于MIPS架构“龙芯”3A高性能处理器，针对实时系统采用Linux+RT Preempt实时抢占补丁方案，提升了数控系统在底层硬件和上层软件的自主可控能力。

技术领域

本发明涉及数控技术领域，尤其涉及多核处理器的数控系统体系结构技术领域，具体涉及一种基于四核处理器的数控系统体系结构以及设计方法。

背景技术

高档数控系统属于高端嵌入式产品，是国家工业和国防基础性装备，其中CPU芯片、工业主板、操作系统等核心部件构成了高档数控系统的基础平台，是决定高档数控系统性能、功能、可靠性与成本的重要部件。目前国产高档数控系统使用的这些基础平台均为国外产品，其核心技术仍为国外所控制。这已成为影响产业安全，进而影响国家安全的关键要素。在高性能通用CPU芯片方面，我国已实现技术突破，国产多核CPU芯片已达到较为先进的水平并已批量生产，同时经过多年的发展国产CPU芯片逐步打造自己的软硬件生态，生态圈已经初成规模。

数控系统运行及加工过程中的可预测性与系统的实时性密切相关，数控系统为了获得实时性，保证加工过程符合预期，底层需要有实时系统作支撑。随着数控系统对计算能力的需求不断提高，国产多核处理器将在该领域得到广泛应用，它在提升数控系统性能的同时，也给底层实时操作系统带来了新的挑战。多核处理器的特殊结构会导致任务之间争用共享资源，从而影响系统时间行为的可预测性。因此，如何针对国产多核处理器结构以及开源实时操作系统架构设计数控系统体系结构模型，成为国产多核处理器在数控系统中应用的技术难题。

发明内容

为解决上述技术难题，本发明提供一种基于四核处理器的数控系统体系结构以及设计方法。

本发明采用如下技术方案：一种基于四核处理器的数控系统体系结构，包括：

硬件层，所采用的处理器四个核分别为CPU核#0、#1、#2、#3，CPU核#2、#3与CPU核#0、#1隔离，CPU核#2、#3用于执行实时任务；

内核空间层，包括原生网卡驱动模块，用于和外围伺服驱动、I/O交互数据，网卡驱动模块的中断与隔离的CPU核#3绑定；

用户空间层，包括人机界面组件、任务控制组件、PLC组件、运动控制组件、实时以太网总线组件；其中人机界面组件和任务控制组件是用户态非实时组件，与CPU核#1绑定；PLC组件、运动控制组件以及实时以太网总线组件为用户态实时组件，PLC组件与隔离的CPU核#2绑定，运动控制组件和实时以太网组件与隔离的CPU核#3绑定。

一种基于四核处理器的数控系统体系结构构建方法，包括以下步骤：

A.将处理器的四个核分别命名为CPU核#0、#1、#2和#3，将CPU核#2和#3隔离出来，预留给用户态实时组件；

B.设计原生网卡驱动程序，将实时以太网总线数据包重定向到用户空间的用户态实时组件中，将原生网卡驱动的中断绑定在CPU核#3上；

C.根据用户态组件模型，构建数控系统用户态功能组件包括：人机界面组件、任务控制组件、PLC组件、运动控制组件、实时以太网总线组件，将人机界面组件和任务控制组件设计为非实时用户态组件，将PLC组件、运动控制组件以及实时以太网驱动组件设计为用户态实时组件；