CNC系统控制软件的结构模式优化

CNC系统控制软件的另一个重要特征是实时中断处理。在数控系统运行期间，当出现某种非预期的事件时，CPU暂时停下现行程序，转向为该事件服务，待事件处理完毕，再恢复执行原程序，这个过程称为中断。中断赋予数控系统中CPU的应变能力，把有序的运行和无序的事件统一起来，大大增强了系统的处理能力。具体来讲，中断有以下几方面作用。

①中断能实现主机和外部设备的并行工作。

②中断系统能在故障出现时发出中断信号，调用相应的处理程序，将故障的危害降到最低程度，并请求系统管理员排除故障。

③计算机在现场测试和控制、网络通信、人机对话时都具有很强的实时性，中断技术能确保实时信号的处理。

1.中断的类型

①外部中断。外部中断主要有外部监控中断（如：紧急停、量仪到位等）和键盘操作面板输入中断。因为前一种中断的实时性要求很高，所以将它们放在较高的优先级上，而键盘和操作面板中断则放在较低的中断优先级上。在有些系统中，甚至用查询的方式处理。

②内部定时中断。内部定时中断主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断。在有些系统中，这两种定时中断合二为一，但在处理时，总是先处理位置控制，然后处理插补运算。

③硬件故障中断。它是各种硬件故障检测装置发出的中断，如：存储器出错、定时器出错和插补运算超时等。

④程序性中断。它是程序中出现的各种异常情况的报警中断，如：各种溢出和除零等。

2.前后台型结构模式

前、后台型软件结构的中断模式。前、后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器CNC装置。在此种软件结构中，整个控制软件分为前台程序和后台程序。前台程序是一个实时中断服务程序，它完成全部的实时功能，如：插补、位置控制、机床I/O控制和软硬件故障处理等实时性很强的任务；而后台程序即背景程序，其实质是一个循环运行程序，它能完成显示、零件程序的输入/输出、人机界面管理（参数设置、程序编辑、文件管理等）和插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理）等实时性弱的任务，它们被安排在一个循环往复执行的程序环内。在后台程序运行的过程中，前台实时中断程序不断插入，后台程序按一定的协议通过信息交换缓冲区向前台程序发送数据，同时前台程序向后台程序提供显示数据及系统运行状态。前、后台程序相互配合，共同完成零件加工任务。

前、后台型软件结构中实时中断程序与背景程序的关系如图2-9所示。

前、后台型软件结构的任务调度机制是：前台程序为优先抢占调度；后台程序为顺序调度。

前、后台型软件结构虽然具有直观、简单的优点，但由于后台程序循环执行，程序模块间依赖关系复杂，功能扩展困难，协调性差，程序运行时资源不能得到合理协调，因此，实时性差。例如，当插补运算没有预处理数据时，后台程序正在运行图形显示，使插补程序处于等待（空插补）状态，只有当图形显示处理完后，CPU才进行插补准备，等到插补预处理缓冲区中有写好的数据时，插补程序已等待了整整一个后台程序循环周期。

3.中断型结构模式

中断型软件结构的特点是除了初始化程序之外，系统软件中所有任务模块均被安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的中断系统。由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序按照中断优先级的高低实施调度管理。如：加工过程中的插补、脉冲分配和位置采样输出等实时周期性任务就是一些精确时间间隔中断任务，它具有最高优先级；机床可编程控制器（PLC）等会产生一些实时突发性随机中断任务，其优先级次于前者；用户通过键盘和面板等交互输入设备进行操作所产生的受时间限制不很严格的中断任务，其优先级最低，那么当这3个中断同时来时，就优先处理最前者。

在数控系统中，中断优先级共分为7级，0级最低，6级最高，除了第4级为用硬件中断来完成报警功能外，其余均为软件中断。表2-1给出了数控系统中各级中断及其主要功能。

表2-1 数控系统中各级中断及其主要功能

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①0级中断程序，即为被初始化程序。电源接通后，首先进入此程序。初始化主要完成以下工作：一是为RAM中作为工作寄存器的单元设置初始状态；二是为数控加工正常进行而设置一些所需的初始状态。

②1级中断程序是主控程序，即背景程序。当没有其他中断时，1级程序始终循环运行。它主要完成CRT显示器显示控制和ROM奇偶校验。

③2级中断程序主要是对系统所处的各种工作方式进行处理。这些工作方式主要有自动方式、MDI方式、JOG方式、增量方式、手轮方式、示教方式和编辑方式等。

④3级中断服务程序主要完成的功能有：I/O映像处理，用于PLC开关量信号的控制；键盘扫描和处理；M、S、T处理。3级中断服务程序可将辅助功能，如：主轴正、反转（M03、M04），切削液的开、关（M08，M09），主轴转速（S指令），换刀（M06及T指令）等控制信号输出，以控制机床的动作。

⑤4级中断程序是硬件中断。当数控系统硬件出现故障时，由系统诊断程序进行检测，并将出错信息用指示灯或CRT显示器显示出来。

⑥5级中断程序主要完成插补运算、坐标位置修正、间隙补偿和加减速控制。

⑦6级中断程序是一种软件定时方法。通过这种定时，可以实现2级和3级的16ms定时中断，并使其相隔8ms。当2级或3级中断还没有返回时，不再发出中断请求信号。

4.中断的处理过程

中断的处理过程如图2-13所示。中断的处理过程主要分为以下几步。

①中断响应。它是将CPU最重要的两个寄存器：指令计数器和程序状态字寄存器的内容保存到存储器中。

②中断识别。用来判断是哪一个中断源发出的请求，并调出即将响应的中断服务程序。

③保护现场。即把中断服务程序中要使用的通用寄存器的原内容保存到存储器中，中断服务程序要动用哪个寄存器，就保存哪个寄存器中的内容。

④中断服务是中断处理的核心。不同的中断要求配置不同的中断服务程序。

⑤恢复现场。即在完成中断服务后，将通用寄存器中的原内容从存储器中取出来，恢复原样。

图2-1 3中断的处理过程

⑥返回原程序（中断返回）。原程序的断点就是在中断响应时保存起来的指令计数器的内容，此时，恢复指令计数器和程序状态字寄存器。