多微处理器结构优化方案

目前，多微处理器CNC装置一般采用两种结构形式，即紧耦合结构和松耦合结构。在前一种结构中，由各微处理器构成处理部件，处理部件之间采取紧耦合方式，有集中的操作系统，共享资源。在后一种结构中，由各微处理器构成功能模块，功能模块之间采取松耦合方式，有多重操作系统，可以有效地实现并行处理。

多微处理器CNC装置多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。由于采用模块化结构，可以采取积木方式组成CNC装置，因此具有良好的适应性和扩展性，且结构紧凑。由于插件模块更换方便，因此，可使故障对系统的影响降到最低限度。与单微处理器CNC装置相比，多微处理器CNC装置的运算速度有了很大的提高，它适应多轴、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。

1.多微处理器的模块化结构

（1）功能模块CNC装置中有以下六种基本功能模块：

①CNC管理模块：用于管理和组织整个CNC系统的工作，主要包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断等功能。

②CNC插补模块：主要是完成插补前的预处理。例如零件程序的译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算、进给速度处理、插补计算，为各个坐标提供位置给定值。

③位置控制模块：用来进行位置给定值与检测器测得的位置实际值的比较，进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，以便驱动进给电动机。

④存储器模块：为程序和数据的主存储器，或为功能模块间进行数据传送的共享存储器。

⑤PLC模块：对零件程序中的开关功能和机床来的信号进行逻辑处理，实现机床电气与设备的启停、刀具交换、主轴转数、转台分度、加工零件和机床运转时间的计数，以及各功能、操作方式间的联锁等。

⑥指令、数据的输入/输出及显示模块：这个模块包括零件程序、参数和数据，各种操作命令的输入/输出及显示所需要的各种接口电路，如纸带阅读机接口、穿孔机、电传机接口、打印机接口、键盘、CRT接口、通信接口等。

（2）结构 多微处理器的CNC装置中各模块之间的互联和通信主要采用共享总线和共享存储器两类结构。

1）多微处理器共享总线结构：是将各功能模块插在配有总线插座的机箱内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。在共享总线的结构中，挂在总线上的功能模块分为带有CPU或DMA器件的主模块和不带CPU或DMA器件的从模块（如各种RAM/EPROM模块、I/O模块等），只有主模块才有权控制使用总线，而且某一时刻只能由两个主模块占有总线。在共享总线结构中，必须解决多个主模块同时请求使用总线的竞争问题，为此必须要有仲裁机构，当多个主模块争用总线时，判别出其优先权的高低。通常采用两种裁决方式：串行裁决方式和并行裁决方式。

在串行总线裁决方式中，由各主模块的链接位置来决定其优先权。某个主模块只有在前面优先权更高的主模块释放总线后，才能使用总线，同时通知它后面优先权较低的主模块不得使用总线。在并行总线裁决方式中，通常采用由优先权编码器和译码器等组成的专门逻辑电路来解决各主模块使用总线优先权的判别问题。(www.xing528.com)

在共享总线结构中，多采用公共存储器方式进行各模块之间的信息交换。公共存储器直接挂在系统总线上，各主模块都能访问，可供任意两个主模块交换信息。共享总线结构的框图如图1-6所示。

图1-6 多微处理器共享总线结构的框图

共享总线结构系统配置灵活，结构简单，容易实现，无源总线造价低，因此经常被采用。该种结构的缺点是由于各主模块使用总线时会引起“竞争”而使信息传输效率降低，总线一旦出现故障就会影响全局。

2）多微处理器共享存储器结构：是采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互联和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问，由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。图1-7所示为具有多微处理器共享存储器结构的框图。当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率，因此这种结构功能扩展比较困难。

2.多微处理器CNC装置的结构特点

1）计算处理速度高。多微处理机结构中的每一个微处理器完成系统中指定的一部分功能，独立执行程序，并行运行，比单微处理器提高了计算处理速度。它适应多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。由于系统共享资源，性能价格比也较高。

2）可靠性高。由于CNC装置中每个微处理器分管各自的任务，形成若干模块，插件模块更换方便，可使故障对系统影响减到最小。共享资源省去了重复机构，不但降低造价，而且提高了可靠性。

3）有良好的适应性和扩展性。多微处理器的CNC装置大都采用模块化结构。可将微处理器、存储器、输入/输出控制组成独立微型计算机级的硬件模块，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，接口是固定的，成为工厂标准或工业标准，彼此可以进行信息交换，于是可以积木式组成CNC装置，使设计简单，有良好的适应性和扩展性。

4）硬件易于组织规模生产。一般硬件是通用的，容易配置，只要开发新的软件就可以构成不同的CNC装置，便于组织规模生产，保证质量，形成批量。

图1-7 多微处理器共享存储器结构的框图