CNC装置系统软件的设计思想探析

1.多任务性与并行处理技术

CNC系统通常作为一个独立的过程控制单元应用于工业自动化生产中，因此，它的系统软件必须完成管理和控制两大任务，这就是CNC系统的多任务性。系统的管理部分包括输入、I/O处理、显示和诊断。系统的控制部分包括译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制。在许多情况下，管理和控制的某些工作必须同时进行。如图2-8a所示，当CNC系统工作在加工控制状态时，为了使操作人员能及时地了解CNC系统的工作状态，管理软件中的显示模块必须与控制软件同时运行；当CNC系统工作在NC加工方式时，管理软件中的零件程序输入模块必须与控制软件同时运行；而当控制软件运行时，其本身的一些处理模块也必须同时运行。如图2-8b所示，为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序段之间不停刀，译码、刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行，而插补又必须与位置控制同时进行。图2-8中，双向箭头表示两个模块之间有并行处理关系。

图2-8 多任务并行处理关系图

所谓并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。并行处理最显著的优点是提高了运算速度。拿n位串行和n位并行运算来比较，在元件处理速度相同的情况下，后者运算速度几乎提高为前者的n倍。这是一种资源重复的并行处理方法，它是根据“以数量取胜”的原则大幅度提高运算速度。并行处理的作用不仅不局限于设备的简单重复，它还具有更多的含义，如：时间重叠和资源共享。所谓时间重叠是根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分。而资源共享则是根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备，这就大大提高了设备资源的利用率。

2.资源分时共享

在单CPU的CNC系统中，主要采用CPU分时共享的原则来解决多任务的同时进行处理的问题，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。一般来说，在使用分时共享并行处理的计算机系统中，首先，要解决的问题是各任务占用CPU时间的分配原则，这里面有两方面的含义：其一，是各任务何时占用CPU；其二，是允许各任务占用CPU时间的长短。

在CNC系统中，对各任务使用CPU是用循环轮流和中断优先相结合的方法来解决的。图2-9所示是一个典型CNC系统多任务分时共享CPU的时间分配图。

3.指令的执行方式

一条指令执行完后，后续指令的衔接方式有3种：顺序方式、重叠方式和流水方式。

当CNC系统处在NC工作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入、插补准备（包括译码、刀具补偿和速度处理）、插补运算和位置控制4个子过程组成。如果每个子过程的处理时间分别为Δt₁、Δt₂、Δt₃、Δt₄，那么一个程序段的数据转换时间t₁=Δt₁+Δt₂+Δt₃+Δt₄。如果以顺序方式处理每个零件程序段，即第一个程序段处理完以后再处理第二个程序段，依此类推，这种顺序处理时的时间─空间关系如图2-10所示。从图中可以看出，如果等待第一个程序段处理完之后才开始对第二个程序段进行处理，那么在两个程序段的输出之间将有一个时间长度为t₁的间隔。同样，在第二个程序段与第三个程序段的输出之间也会有时间间隔，依此类推。(www.xing528.com)

图2-9 典型CNC系统多任务分时共享CPU的时间分配图

图2-10 指令顺序执行方式的时间——空间关系

而对于重叠的执行方式，是指当现行程序段尚未执行完毕，就去取后续指令。因为在取出第N₁条指令执行时，存储器已经空闲，可以提前去取第N₂条指令。这样第N₁条指令的执行周期便与第N₂条指令的取指周期重叠，使其相应的操作并行执行。指令重叠执行方式的时间─空间关系如图2-11所示。从图中可以看出两个程序段之间有一个时间间隔为t₂=Δt₁+Δt₂+Δt₃的时间间隔。以上两种指令执行方式反映在电动机上就是电动机的时转时停，反映在刀具上就是刀具的时走时停，这些都是加工工艺所不允许的。消除这种现象的办法就是使用流水处理技术。

流水执行方式是重叠执行方式的引申，它仍基于并行重叠工作原理，但重叠程度进一步提高。它是将一条指令的执行过程分解为多个子过程（程序输入、插补准备、插补运算、位置控制），每个子过程由独立的功能部件完成，从而构成一条流水线。指令流水执行方式的时间─空间关系如图2-12所示。指令序列1、2、3、4相继进入流水线，当第N₁条指令的指令序列1从程序输入站流出进入插补准备站时，第N₂条指令的指令序列1立即进入程序输入站……经过流水处理后，虽然一条指令的执行速度并没有提高，但提高了指令序列的执行速度。亦即从时间Δt₄开始，每个程序段的输出之间不再有间隔，从而保证了电动机和刀具工作的连续性。

图2-11 指令重叠执行方式的时间——空间关系

图2-12 指令流水执行方式的时间——空间关系