基于堆棧結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式控制器關(guān)鍵技術(shù)研究.doc

-專(zhuān)業(yè)文檔，值得下載!-專(zhuān)業(yè)文檔，值得珍藏！-基于堆棧結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式控制器關(guān)鍵技術(shù)研究趙輝符意德白暉（南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京210094）摘要：本文提出了基于堆棧結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式控制器體系結(jié)構(gòu)，并給出該體系結(jié)構(gòu)的總體框架；在開(kāi)放式控制器的擴(kuò)展過(guò)程中，模塊化設(shè)計(jì)和配置系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，有效的通信機(jī)制是系統(tǒng)運(yùn)作的核心。針對(duì)系統(tǒng)地址的離散特征，設(shè)計(jì)采用觸發(fā)中斷的方式以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)硬件板卡接入的響應(yīng)，通過(guò)配置系統(tǒng)完成硬件板卡驅(qū)動(dòng)程序的加載。在通信機(jī)制中，采用了控制緩沖技術(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)多板卡的并行控制，采用信息緊湊技術(shù)以保證系統(tǒng)控制過(guò)程中信息的有效性和控制的實(shí)時(shí)性。關(guān)鍵詞：堆棧結(jié)構(gòu)；控制緩沖；信息緊湊；組態(tài)隨著技術(shù)市場(chǎng)、生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)等方面的快速變化，人們希望能根據(jù)不同的加工需求，迅速高效地構(gòu)建面向客戶需求的控制系統(tǒng)，降低生產(chǎn)廠家對(duì)控制系統(tǒng)的高依賴性，改變以往控制系統(tǒng)封閉性的設(shè)計(jì)模式，使得生產(chǎn)控制更簡(jiǎn)便有效1。這一趨勢(shì)促成了開(kāi)放式控制系統(tǒng)的產(chǎn)生。在開(kāi)放式控制系統(tǒng)中，邏輯上分離的組件是最基本的構(gòu)成單元，組件之間和組件與應(yīng)用平臺(tái)之間有良好的界面定義，并對(duì)用戶提供良好的交互界面2。本文主要針對(duì)現(xiàn)有控制系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，提出基于堆棧結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式控制器體系結(jié)構(gòu)，給出該體系結(jié)構(gòu)的總體框架和設(shè)計(jì)思路；在此基礎(chǔ)上對(duì)板卡接入后驅(qū)動(dòng)的加載給出具體的實(shí)現(xiàn)方式，對(duì)該體系在控制過(guò)程中為了保證控制信息的有效性和控制過(guò)程的實(shí)時(shí)性而采用的控制緩沖技術(shù)和信息緊湊技術(shù)給以說(shuō)明。1.開(kāi)放式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)開(kāi)放式控制系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了多年，但目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)開(kāi)放式控制器系統(tǒng)研究還爭(zhēng)論頗多。就現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外的開(kāi)放式控制器系統(tǒng)而言，雖然系統(tǒng)運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件環(huán)境之上，支持多種操作系統(tǒng)、硬件體系結(jié)構(gòu)及通訊傳輸協(xié)議；但對(duì)硬件的擴(kuò)充卻是受限的，整個(gè)系統(tǒng)仍然受到原有硬件結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)的限制，特別是有關(guān)硬件驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)和加載方法，有關(guān)信息有效性和控制實(shí)時(shí)性的保障策略仍然是制約系統(tǒng)擴(kuò)展的關(guān)鍵3。在我們提出的基于堆棧結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式控制器系統(tǒng)架構(gòu)中，將在三個(gè)層次上實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的開(kāi)放性；在硬件層次上，控制系統(tǒng)能夠方便的進(jìn)行功能擴(kuò)展，當(dāng)控制系統(tǒng)需要添加其他控制功能時(shí)，板卡可以通過(guò)主模板上的pc/104總線接口與系統(tǒng)連接；在系統(tǒng)控制層上，控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的定位外部板卡的接入，并實(shí)現(xiàn)板卡驅(qū)動(dòng)的加載；在控制應(yīng)用層上，系統(tǒng)可以通過(guò)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程額圖形化配置4。本文主要針對(duì)在硬件層次開(kāi)放過(guò)程中，有關(guān)板卡接入和驅(qū)動(dòng)的加載給以說(shuō)明，并對(duì)系統(tǒng)擴(kuò)充后的相關(guān)通信問(wèn)題給予論述。首先，我們給出系統(tǒng)的總體框圖：具體構(gòu)成如圖1，系統(tǒng)構(gòu)成是基于主模塊和接入板卡的，主模板是開(kāi)放式控制器的核心，其硬件由CPU、SDRAM、NORFlash、NANDFlash、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、RS-232接口、USB主接口、以太網(wǎng)接口、全真彩LCD接口、類(lèi)PC104總線驅(qū)動(dòng)等組成。功能模塊通過(guò)類(lèi)PC104總線與主模板連接，并提供特定的控制功能，其硬件包含CPU、SDRAM、NORFlash、NANDFlash、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、類(lèi)PC104總線驅(qū)動(dòng)等，并根據(jù)具體的控制功能要求，提供一定數(shù)量的I/O接口和A/D接口。-專(zhuān)業(yè)文檔，值得下載!-專(zhuān)業(yè)文檔，值得珍藏！-圖1在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，我們將其分為硬件層，硬件抽象層，控制支撐層和控制應(yīng)用層。其中，硬件抽象層主要包含啟動(dòng)引導(dǎo)程序和精簡(jiǎn)操作系統(tǒng)；控制支撐層包含監(jiān)控系統(tǒng)，配置系統(tǒng)，語(yǔ)言系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，診斷系統(tǒng)和系統(tǒng)調(diào)用接口API；控制應(yīng)用層主要包含應(yīng)用程序，數(shù)據(jù)庫(kù)，web服務(wù)，控制算法，控制圖形庫(kù)和控制組態(tài)軟件。如圖2所示引導(dǎo)程序（硬件控制）硬件精簡(jiǎn)操作系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)配置系統(tǒng)語(yǔ)言系統(tǒng)診斷系統(tǒng)通信系統(tǒng)調(diào)用接口API應(yīng)用程序圖2其中，精簡(jiǎn)操作系統(tǒng)5包括進(jìn)程控制系統(tǒng)和文件系統(tǒng)；進(jìn)程控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)進(jìn)程間通信和進(jìn)程調(diào)度，文件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)文件和設(shè)備的管理并負(fù)責(zé)創(chuàng)建虛擬文件系統(tǒng)，管理高速緩沖，另外精簡(jiǎn)操作系統(tǒng)還負(fù)責(zé)內(nèi)存管理并負(fù)責(zé)向上層提供系統(tǒng)調(diào)用接口，具體關(guān)系如圖3所示。監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)硬件的實(shí)時(shí)監(jiān)控、響應(yīng)板卡的接入，并配合配置系統(tǒng)完成板卡的驅(qū)動(dòng)加載；配置系統(tǒng)負(fù)責(zé)操作系統(tǒng)功能模塊的加載和應(yīng)用軟件的升級(jí)和控制應(yīng)用功能的擴(kuò)展。文件系統(tǒng)虛擬文件系統(tǒng)高速緩沖進(jìn)程控制系統(tǒng)進(jìn)程間通信進(jìn)程調(diào)度內(nèi)存管理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序硬件控制系統(tǒng)調(diào)用接口圖3以下，我們將對(duì)基于堆棧結(jié)構(gòu)6的開(kāi)放式控制器在硬件層次開(kāi)放過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)給出具體的解決方案和具體策略。2驅(qū)動(dòng)加載技術(shù)基于堆棧結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式控制器，其硬件擴(kuò)展方式的特征決定了擴(kuò)展板卡驅(qū)動(dòng)加載過(guò)程的特殊性；對(duì)于總體系統(tǒng)而言，由于主模板和擴(kuò)展板卡在硬件上的獨(dú)立性，整個(gè)系統(tǒng)在內(nèi)存單元，地址分配都具有較強(qiáng)的離散特征。當(dāng)擴(kuò)展板卡接入系統(tǒng)時(shí)，總線接口的特定引腳將觸發(fā)中斷，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)進(jìn)程將做出響應(yīng)，直到板卡接入穩(wěn)定為止，然后配置系統(tǒng)將按圖4，完成驅(qū)-專(zhuān)業(yè)文檔，值得下載!-專(zhuān)業(yè)文檔，值得珍藏！-動(dòng)程序的加載。擴(kuò)展控制部件穩(wěn)定接入創(chuàng)建硬件設(shè)備節(jié)點(diǎn)和鏈接文件返回節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建成功讀取接入硬件接口和描述信息信息讀取成功拷貝硬件驅(qū)動(dòng)至緩沖區(qū)驅(qū)動(dòng)讀取成功調(diào)用驅(qū)動(dòng)管理程序驅(qū)動(dòng)緩沖空間剩余空間足夠硬件驅(qū)動(dòng)掛接用戶進(jìn)程調(diào)用驅(qū)動(dòng)YYYYYNNNN調(diào)用驅(qū)動(dòng)管理程序驅(qū)動(dòng)程序在驅(qū)動(dòng)緩沖區(qū)將驅(qū)動(dòng)拷貝至緩沖區(qū)硬件驅(qū)動(dòng)掛接驅(qū)動(dòng)操作驅(qū)動(dòng)緩沖空間剩余空間足夠按系統(tǒng)調(diào)度策略釋放緩沖區(qū)空間NYYNYN硬件驅(qū)動(dòng)掛接成功NY圖4配置系統(tǒng)在確定擴(kuò)展板卡部件穩(wěn)定接入系統(tǒng)后，將給該部件創(chuàng)建硬件設(shè)備節(jié)點(diǎn)和鏈接文件，鏈接文件指向存放在該擴(kuò)展板卡的Flash的固定區(qū)域，該區(qū)域存放該板卡的驅(qū)動(dòng)程序；節(jié)點(diǎn)和鏈接文件創(chuàng)建成功后，主模板將通過(guò)類(lèi)PC/104總線讀取該板卡的硬件接口和描述信息，并實(shí)現(xiàn)對(duì)此板卡的硬件抽象；然后調(diào)用驅(qū)動(dòng)管理程序，把鏈接文件指向的驅(qū)動(dòng)程序添加到驅(qū)動(dòng)鏈表中；驅(qū)動(dòng)管理程序首先通過(guò)系統(tǒng)總線將驅(qū)動(dòng)程序拷貝至主模板的一個(gè)特定的緩沖區(qū)，然后檢測(cè)驅(qū)動(dòng)鏈表所在的內(nèi)存分配空間的剩余大小，如果空間大小足夠，再將緩沖區(qū)的驅(qū)動(dòng)程序掛接到驅(qū)動(dòng)鏈表中，否則將不作任何處理。當(dāng)應(yīng)用程序通過(guò)系統(tǒng)接口調(diào)用特定的板卡驅(qū)動(dòng)時(shí)，如果該驅(qū)動(dòng)程序在驅(qū)動(dòng)鏈表中，將直接調(diào)用，否則將通過(guò)鏈接文件，將相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序拷貝至主模板的緩沖區(qū)，通過(guò)一定的調(diào)度策略，刪除驅(qū)動(dòng)鏈表中若干個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，直到該板卡的驅(qū)動(dòng)能夠成功添加到驅(qū)動(dòng)鏈表為止。開(kāi)放式控制器作為原有控制器的發(fā)展，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)放性的同時(shí)，必須保證控制功能的有效性。系統(tǒng)硬件的擴(kuò)展，必然會(huì)增加控制的復(fù)雜程度，降低系統(tǒng)的通信性能。為了保證通信過(guò)程中信息的有效性和控制的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)引入了控制緩沖和信息緊湊等策略。3.控制緩沖技術(shù)-專(zhuān)業(yè)文檔，值得下載!-專(zhuān)業(yè)文檔，值得珍藏！-所謂控制緩沖，就是在處理器和主模板接口之間，接入板卡和接入總線之間分別開(kāi)辟獨(dú)立的用于信息暫存的內(nèi)存塊，如圖5所示，該內(nèi)存塊具有動(dòng)態(tài)分配的特征，其內(nèi)存塊的大小按照整個(gè)系統(tǒng)接入板卡的數(shù)量進(jìn)行分配，并對(duì)板卡控制的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，圖示中是接入N個(gè)板卡后的分配狀態(tài)，該內(nèi)存塊被分為N個(gè)窗口，為了適應(yīng)處理器并行控制的需要，系統(tǒng)為此內(nèi)存塊分配M個(gè)接口；接入板卡在特定的Flash區(qū)開(kāi)辟與對(duì)應(yīng)窗體大小一直的區(qū)域，用于存放接受信息和發(fā)送信息的緩沖；圖中，處理器和總線間的通道用于實(shí)時(shí)性信息的傳輸和接收；處理器與該內(nèi)存塊之間的通道和該內(nèi)存塊與總線之間的通道用于處理器對(duì)多個(gè)接入板卡同時(shí)控制時(shí)信息的發(fā)送和接收。窗口1窗口2窗口3窗口N。處理器接口接口M。類(lèi)pc/104系統(tǒng)總線接入板卡窗口1接入板卡窗口2接入板卡。接入板卡窗口N圖54.信息緊湊技術(shù)所謂信息緊湊，就是當(dāng)主控器對(duì)若干接入板卡同時(shí)控制時(shí)，為了減少系統(tǒng)總線上的信息傳輸總量，提高系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性能，對(duì)此同步控制信息進(jìn)行的壓縮處理的過(guò)程。定義總線一次信息傳輸?shù)男畔⒘繛長(zhǎng)，傳輸時(shí)間為S，系統(tǒng)接入板卡的極限為N，對(duì)N按照操作上的互斥性分為M類(lèi)，使得類(lèi)內(nèi)的板卡在操作上互斥；特定板卡的控制集和為C，將C按照指令互斥性分為D類(lèi)，使得類(lèi)內(nèi)在操作上互斥；定義OP_L（T，G）為T(mén)時(shí)刻對(duì)G個(gè)接入板卡進(jìn)行同步控制的信息量；定義OP_S(T,G)為T(mén)時(shí)刻對(duì)G個(gè)接入板卡控制操作完成的時(shí)間；_(,)SOPLTG，_(,)SOPSTG為系統(tǒng)所有控制的信息總量和傳送時(shí)間。11TOP_L(T,G)OP_S(T,G)GiGiiLiS_2OP_L(T,G)R_NOP_S(R_N)OP_S(T,G)RN滿足則R_N可表達(dá)信息集合涵蓋L