1.3 Варианты реализации открытой архитектуры систем чпу

Гибкие и наиболее сложные системы ЧПУ с открытой архитектурой выполняют согласно двухкомпьютерной архитектурной модели (рис. 1.6).

Рисунок 1.6 - Двухкомпьютерная архитектурная модель системы ЧПУ

Двухкомпьютерная модель предусматривает размещение РС-подсистемы на одном компьютере, а NC-подсистемы – на другом.

В РС-подсистеме наиболее целесообразна операционная система Windows NT, а в NC-подсистеме – операционная система реального времени, например, UNIX. Обе операционные системы совместимы в том понимании, что поддерживают коммуникационные протоколы TCP/IP. Это позволяет построить коммуникационную среду, которая объединяет обе подсистемы. Включение в эту среду прикладного уровня с функциями доступа к интерфейсам модулей (а общее число таких функций может достигать нескольких сотен) создает виртуальную шину, которая обеспечивает низкоуровневые услуги доступа. Объектную надстройку в шине формирует глобальный сервер, т.е. единая для обеих подсистем объектно-ориентированная магистраль.

Однокомпьютерная модель допускает использование компьютера, оснащенного дополнительными контроллерами для связи с мехатронными объектами управления (рис. 1.7). В их числе могут быть контроллер следящих приводов, программируемый контроллер PLC (Programmable Logic Controller), специальные устройства для управления технологическими процессами и др.

Рисунок 1.7 - Однокомпьютерная архитектурная модель системы ЧПУ

Как операционная система может быть использована система Windows NT, снабженная соответствующим расширением, например, в виде системы RTX 4.1 американской фирмы VentureCom.

Windows NT не может использоваться в режиме реального времени по следующим причинам:

• недостаточное количество real-time приоритетов;

• отсутствие наследования приоритетов, как средства борьбы с инверсией приоритетов;

• не подходящая для RTOS (операционных систем реального времени) система обработки прерываний.

В Windows NT доступ к прерываниям осуществляется из драйвера ядра, а сами прерывания обрабатываются в два этапа:

• на первом этапе вызывается очень короткая программа (Interrupt Service Routine, ISR), которая осуществляет критическую обработку;

• на втором этапе происходит основная обработка прерывания в программе Deferred Procedure Call (DPC).

Особенностью обработки прерываний в Windows NT является то, что все обработки прерываний (DPC) выполняются с одинаковым уровнем приоритета в порядке поступления (принцип FIFO). При этом время окончания обработки DPC оказывается зависимым от непредвиденной активности других драйверов системы. Это недопустимо для систем реального времени, которые строятся по принципу жесткого детерминизма - необходимо точно знать максимальное время от момента возникновения прерывания к входу в процедуру обработки с гарантией, что это время не будет превышено.

Фирма VentureCom, будучи партнером Microsoft, получила право устанавливать свой исходный код в слой HAL (Hardware Abstraction Layer) операционной системы Windows NT. Фирма VentureCom разработала систему RTX (Real Time eXtention), которая модифицирует слой HAL и дополняет его диспетчером потоков (threads) реального времени. Этот диспетчер изолирует прерывания, что создает возможность строить приложения реального времени, о существовании которых любые другие приложения ничего не знают.

Подсистема реального времени RTSS (Real-Time Sub-System), которая реализована в виде драйвера Windows NT, служит дополнениям к операционной системе и использует сервисы Windows NT и HAL для работы приложений реального времени отдельно от любых других приложений. Выполняя собственные функции, эта подсистема осуществляет управление ресурсами RTX.

После установки RTX стандартная NT превращается в операционную систему реального времени с жестким детерминизмом (hard real-time). При этом сама NT об этом не подозревает, так как ни ядро, ни исполняющая подсистема NT не изменены. Подсистема реального времени видна с Windows NT, как еще один драйвер устройства.

На интерфейсном уровне прикладные программные интерфейсы Win32 и RTX схожи. В них реализованные функции, необходимые для создания обычных приложений (Win32) и приложений реального времени (RTX). При этом разработанную с использованием RTX программу можно налаживать и запускать в среде Win32.

Архитектурные варианты, представленные на рисунках 1.6-1.7, разработаны с учетом принципов открытой архитектуры относительно ЧПУ.

Принципы открытой архитектуры сводятся к следующему:

• четкое размежевание между системным, прикладным и коммуникационным компонентами;

• возможность независимого развития каждого из этих компонентов как на основе оригинальных разработок, так и путем встраивания покупных программных систем;

• клиент-серверная организация взаимодействия подсистем; стандартизация интерфейсов и транзакций.

В вертикальном сечении PC-подсистема имеет многоуровневую структуру (рис. 1.8) и в полной мере отвечает модели виртуальной машины.

Рисунок 1.8 - Виртуальная модель PC-подсистемы

Нижний уровень представляет аппаратура - компьютер и контроллер (контроллеры). Выше размещается операционная система Windows NT вместе с драйверами виртуальных устройств (VxD), которые обеспечивают управление внешними устройствами.

Доступ к операционной системе и ее службам осуществляется с помощью API-слоя (прикладной интерфейс), который поддерживается Win 32-функциями и NC-функциями. Указанные функции обеспечивают вход в подсистемы Windows NT и NC. Функции реализованы в виде DLL (Dynamic Link Library, библиотека с динамическим связыванием).

Выше API-слоя расположен объектно-ориентированный сервер, который создает фундамент для приложений в системе PCNC.

Объектно-ориентированный сервер включает в себя объекты стандартных классов из библиотеки MFC (Microsoft Foundation Classes), а также специально разработанные классы OOC_CL объектно-ориентированной магистрали ООС (Object Oriented Channel). Объектно-ориентированный сервер содержит общие для всех приложений алгоритмы - обработчики ошибок, средства форматирования и конвертирование данных, управляющие элементы многооконного экрана и др.

На прикладном уровне размещаются разнообразные приложения: интерфейс пользователя MMI (Man Machine Interface), инструмент разработки и верификации управляющих программ NC_PDT (NC Program Data Tool) и др.

Следует учесть, что в однокомпьютерном варианте распределение работы допускает оптимальное использование вычислительных ресурсов системы для реализации необходимого масштаба реального времени.

С учетом изложенного можно сделать следующие выводы:

• Архитектура системы ЧПУ определяется количеством и составом задач управления.

• Архитектурная компоновка системы ЧПУ представляет собой совокупность модулей. Каждый модуль автономен и является вложенным объектом. Он имеет собственную структуру данных и алгоритмов, а также собственную интерфейсную оболочку для работы в клиент-серверной среде.

• В двухкомпьютерной архитектуре коммуникационная среда, которая объединяет две операционных системы, поддерживается протоколами TCP/IP.

• В однокомпьютерной архитектуре используется операционная система Windows NT с расширением реального времени. Как коммуникационная среда используется объектно-ориентированная магистраль, которая реализует функции сервера.