第二章数控系统组成原理主要内容1、计算机数控系统程序载体及输入\输出装置数控装置可编程程序控制器（PLC）伺服系统及位置检测装置机床的机械部件计算机数控系统硬件典型结构大板式结构和功能模块式结构图2.2大板式结构示意图功能模块式结构是将CPU、存储器、输入输出控制分别做成插件板（称为硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。硬软件模块形成一个特定的功能单元，称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口，可以进行信息交换。用户只要按需要选用各种单元母板及所需功能模板，再将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要的ＣＮＣ系统。常见的功能模块有ＣＮＣ控制板、位置控制板、ＰＬＣ板、图形板、通信板及主存储器模板等６种。这种结构使设计简单，试制周期短，调整维护方便，效率高。单机系统和多机系统1）主从结构图2.3单机或主从结构系统2）多主结构系统多主结构系统的形式有：共享总线结构型和共享存储器结构型。共享总线结构型以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上，由于在系统中多个CPU都有权使用系统总线，而在任一时刻只能允许一个CPU占用总线，因此，必须要有一个总线仲裁机构来裁定多个CPU同时请求使用系统总线的竞争问题，这是多主CPU系统的一个重要特征。优点：结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高等。缺点：总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将使整个系统受到影响；由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。图2.4FANUCl5系统共享存储器结构型是面向公共存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通信，同共享总线结构一样，该系统在同一时刻也只能允许有一CPU对多端口存储器进行访问(读／写)，所以也必须有一套多端口控制逻辑来解决访问冲突这一矛盾由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的CPU，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器(双端口RAM)。图2.5GE的MTCl—CNC系统3）分布结构系统封闭式结构和软件开放式结构计算机数控系统软件图2.6数控系统软件体系示意图数控系统软件特点并行处理是指软件系统在同一时刻或同一时间间隔内完成两个或两个以上任务处理的方法。并行处理的实现方式与数控系统的硬件结构相关，通常有以下方法：图2.7资源分时共享并行处理图并发处理和流水处理：在多CPU结构的数控系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种策略来提高系统处理速度。其一，如果任务之间的关联程度不高，则可将这些任务分别安排一个CPU，让其同时执行，即所谓的“并发处理”；其二，如果各任务之间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。流水处理技术是利用重复的资源(CPU)，将一个大的任务分成若干个子任务，这些小任务是彼此关联的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务，就像在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。图2.8流水处理示意图2）实时性和优先抢占调度机制实时周期性任务：这类任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括加工过程中的插补运算、位置控制等任务。为保证加工精度和加工过程的连续性，这类任务处理的实时性是关键。在任务的执行过程中，除系统故障外，不允许被其他任务中断。优先抢占调度机制是一种基于实时中断技术的任务调度机制，能按任务的重要程度对其及时响应。两个功能：一是优先调度，在CPU空闲时，当同时有多个任务请求执行时，优先级高的任务将优先得以满足；二是抢占方式，在CPU正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，CPU将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高的任务的请求。优先抢占调度机制是由硬件和软件共同实现的，硬件主要提供支持中断功能的芯片和电路，如中断管理芯片(8259)，定时器计数器(8263、8254等)等。软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先级定义方式、任务切换处理(断点的保护与恢复、中断向量的保存与恢复等)等。数控系统软件典型结构图2.9前后台程序运行关系图2）中断型结构模式除了初始化程序，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统(由硬件和软件组成)对各级中断服务程序实施调度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。由于系统的中断级别较多(最多可达8级)，可将强实时性任务安排在优先级较高的中断服务程序中，因此这类系统的实时性好。但模块的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。20世纪80年代至90年代初的CNC系统大多采用的是这种结构。图2.10中断型软件结构示意图3）基于实时操作系统的结构模式实时操作系统(RTOS)是操作系统的一个重要分支，它除了具有通用操作系统的功能外