多線程技術(shù)解決開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　實(shí)時(shí)性是數(shù)控系統(tǒng)一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)[1]。

　　在IPC(Industrial Personal Computer )+運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，雖然這種主從式結(jié)構(gòu)，確保了運(yùn)動(dòng)控制指令在運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)高速、實(shí)時(shí)的被執(zhí)行，但在PC機(jī)上，仍需要完成諸如實(shí)時(shí)顯示、預(yù)處理計(jì)算、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等許多任務(wù)。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，擬采用多線程技術(shù)，通過(guò)多任務(wù)并行處理的方式，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

　　本開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用IPC+運(yùn)動(dòng)控制器模式的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，主要的運(yùn)動(dòng)控制由固高公司的GT400-SV通用運(yùn)動(dòng)控制器完成。它提供C語(yǔ)言函數(shù)庫(kù)GT400sv.lib和Windows動(dòng)態(tài)連接庫(kù)GT400.dll，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制功能[2]。數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是將這些控制函數(shù)與自己控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶接口等應(yīng)用程序模塊集成在一起，建造符合特定應(yīng)用要求的控制系統(tǒng)。

　　2 進(jìn)程與線程以及多線程技術(shù)

　　Windows操作系統(tǒng)既支持多進(jìn)程，又支持多線程。一個(gè)進(jìn)程就是應(yīng)用程序的一個(gè)實(shí)例，一次執(zhí)行過(guò)程也就是調(diào)入內(nèi)存準(zhǔn)備執(zhí)行的程序，包括當(dāng)前執(zhí)行的應(yīng)用程序的執(zhí)行代碼和程序執(zhí)行相關(guān)的一些環(huán)境信息。每個(gè)進(jìn)程擁有整臺(tái)計(jì)算機(jī)的資源，無(wú)須知道其他進(jìn)程在計(jì)算機(jī)中的信息。通常每個(gè)進(jìn)程至少有一個(gè)線程在執(zhí)行所屬地址空間中的代碼，該線程稱為主線程。如果該主線程運(yùn)行結(jié)束，系統(tǒng)將自動(dòng)清除進(jìn)程及其他地址空間。

　　線程是進(jìn)程內(nèi)部執(zhí)行的路徑，是操作系統(tǒng)分配CPU時(shí)間的基本實(shí)體，是程序運(yùn)行的最小單位。每個(gè)進(jìn)程都由主線程開(kāi)始進(jìn)行應(yīng)用程序的執(zhí)行。線程由一個(gè)堆棧、CPU寄存器的狀態(tài)和系統(tǒng)調(diào)用列表中的一個(gè)入口組成。每個(gè)進(jìn)程可以包含一個(gè)以上的線程，這些線程可以同時(shí)獨(dú)立地執(zhí)行進(jìn)程地址空間中的代碼，共享進(jìn)程中的所有資源。

　　Windows系統(tǒng)分配處理器時(shí)間的最小單位是線程，系統(tǒng)不停地在各個(gè)線程之間切換。在PC機(jī)中，同一時(shí)間只有一個(gè)線程在運(yùn)行。通常系統(tǒng)為每個(gè)線程劃分的時(shí)間片很小(ms級(jí)別)，這樣快速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就有了保障[3]。

　　要實(shí)現(xiàn)多線程編程，可建立輔助線程(worker Thread)和用戶界面線程(User Interface Thread)。輔助線程主要用來(lái)執(zhí)行數(shù)控程序、坐標(biāo)顯示、動(dòng)態(tài)仿真和數(shù)據(jù)預(yù)處理;用戶界面線程用來(lái)處理用戶的輸入，響應(yīng)用戶產(chǎn)生的事件和消息。

　　3 數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析

　　3.1 線程的實(shí)時(shí)性

　　數(shù)控系統(tǒng)需要完成的任務(wù)有很多，這些任務(wù)中，優(yōu)先級(jí)的要求級(jí)別不一樣。據(jù)此，可以利用Windows系統(tǒng)的多任務(wù)、搶占式的特點(diǎn)和多線程技術(shù)將各個(gè)任務(wù)分給不同的線程，并賦予各個(gè)線程不同的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)的線程執(zhí)行時(shí)，即實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)需要執(zhí)行時(shí)，可以自動(dòng)地終止其他線程的工作轉(zhuǎn)而執(zhí)行這一線程[4]。通過(guò)這一方法，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)所要求的實(shí)時(shí)性。

　　3.2 輔助線程創(chuàng)建

　　本開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中所創(chuàng)建的輔助線程可大致劃分如下：

　　(1)坐標(biāo)顯示線程

　　在手動(dòng)脈沖面板、電動(dòng)控制面板和增量控制面板中，可實(shí)時(shí)顯示X、Y、Z三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的坐標(biāo)。這樣可使操作人員直觀看到三軸的實(shí)際坐標(biāo)。實(shí)時(shí)性要求較低，所以使用最低優(yōu)先級(jí)：Lowest Normal。

　　(2)圖形顯示線程

　　圖像顯示線程用于在動(dòng)態(tài)仿真面板中執(zhí)行圖形繪制的指令。通過(guò)圖形顯示，操作者可以在動(dòng)態(tài)仿真的同時(shí)，對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行操作。這一線程實(shí)時(shí)性要求較低，等級(jí)為：Blow Normal。

　　(3)IO狀態(tài)控制線程

　　此線程用于檢測(cè)由系統(tǒng)輸入的各個(gè)離散量，以及從數(shù)控程序得到的指令來(lái)輸出機(jī)床各離散量的狀態(tài)。此線程優(yōu)先級(jí)比前兩線程高，等級(jí)為：Normal。

　　(4)數(shù)據(jù)預(yù)處理線程

　　數(shù)據(jù)預(yù)處理線程主要負(fù)責(zé)完成編碼形式轉(zhuǎn)換、刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償、刀具半徑補(bǔ)償和公英制轉(zhuǎn)換等運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)預(yù)處理函數(shù)的執(zhí)行。等級(jí)為：Normal。

　　(5)運(yùn)動(dòng)控制線程

　　此線程主要用于運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行數(shù)控代碼函數(shù)的運(yùn)行。負(fù)責(zé)向緩沖器輸入運(yùn)動(dòng)控制命令，清空緩沖器和打開(kāi)關(guān)閉緩沖器等操作。等級(jí)稍高：Above Normal。

　　(6)緊急控制線程

　　此線程處理一些需要機(jī)床立即做出反應(yīng)的時(shí)間，如機(jī)床的急停等。優(yōu)先級(jí)最高，等級(jí)為：Highest。

　　本系統(tǒng)中所創(chuàng)建的輔助線程可大致劃分如下表1所示。

　　表1 線程的創(chuàng)建及優(yōu)先級(jí)設(shè)置

　　4 多線程的實(shí)現(xiàn)

　　在Windows操作系統(tǒng)中，多線程的實(shí)現(xiàn)需要調(diào)用一系列的API函數(shù)，如CreateThread、ResumeThread等，比較麻煩且容易出錯(cuò)。使用新一代RAD開(kāi)發(fā)工具C++ Builder中的TThread類，可以方便地實(shí)現(xiàn)多線程的編程，特別是對(duì)于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是C的Windows系列操作系統(tǒng)，它具有其它編程語(yǔ)言無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　4.1 線程的創(chuàng)建

　　在C++ Builder中雖然用TThread對(duì)象說(shuō)明了線程的概念，但是TThread對(duì)象本身并不完整，需要在TThread下新建其子類，并重載Execute來(lái)使用線程對(duì)象。

　　在C++ Builder IDE環(huán)境下選擇菜單File|New，在New欄中選中Thread Object，按OK，在彈出的對(duì)話框中輸入TThread對(duì)象子類的名字CoordinateDisplyThread，自動(dòng)創(chuàng)建了一個(gè)CoordinateDisply的TThread子類。同時(shí)在編輯器中創(chuàng)建了一個(gè)名為CoordinateDisplyThread單元。

　　4.2 線程的實(shí)現(xiàn)

　　在創(chuàng)建的代碼中Execute()函數(shù)就是要在線程中實(shí)現(xiàn)的任務(wù)的代碼所在處。在原Unit1.cpp代碼中包含了CoordinateDisplayThread.h文件。使用時(shí)，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建一個(gè)TCoordinateDisplay對(duì)象，具體執(zhí)行的代碼就是Execute()方法重載的代碼。

　　由于Execute()中添加的線程運(yùn)行時(shí)所需要執(zhí)行的函數(shù)調(diào)用了VCL組件，而VCL對(duì)象不具有線程安全性，它們的特性和方法只能在主線程中訪問(wèn)，所以用Synchronize()函數(shù)將坐標(biāo)顯示函數(shù)進(jìn)行包裝。而坐標(biāo)顯示函數(shù)需如下聲明：

　　void_fastcall Function().

　　下面以坐標(biāo)顯示線程即CoordinateDisplayThread的實(shí)現(xiàn)步驟為例，說(shuō)明線程實(shí)現(xiàn)的具體方法。其他線程的實(shí)現(xiàn)需根據(jù)具體情況，進(jìn)行修正。

　　在CoordinateDisplayThread.cpp文件中的CoordinateDisplayThread::Execute()函數(shù)里添加如下語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z坐標(biāo)顯示函數(shù)調(diào)用的一致性。

　　首先用switch語(yǔ)句判斷單軸運(yùn)動(dòng)中的哪一軸的坐標(biāo)位置發(fā)生改變：

　　做好上述準(zhǔn)備工作之后，需要在主單元中的適當(dāng)?shù)奈恢锰砑娱_(kāi)始線程和掛起線程的命令。代碼如下所示：

　　4.3 關(guān)于線程同步

　　線程同步在編程技術(shù)中非常重要，當(dāng)一個(gè)線程在訪問(wèn)一個(gè)進(jìn)程對(duì)象時(shí)，如果另一個(gè)線程要改變?cè)搶?duì)象，可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。在本例開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，利用API函數(shù)，可以直接使用臨界或互斥來(lái)達(dá)到同步的目的。為了提高同步的可靠性和靈活性，同時(shí)用到了標(biāo)志變量和臨界機(jī)制。只需在程序中聲明一個(gè)TRTLCriticalSection類型的變量Sect1，并在主線程的構(gòu)造函數(shù)中進(jìn)行初始化。之后在某個(gè)線程中，可以把相應(yīng)的代碼標(biāo)記為臨界部分，當(dāng)在一個(gè)線程中調(diào)用EnterCriticalSection()并傳遞Sect1時(shí)，就設(shè)置多個(gè)數(shù)據(jù)成員，以表明臨界部分進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)。如果另一個(gè)線程要調(diào)用它自己的臨界部分時(shí)，函數(shù)EnterCriticalSection()將發(fā)現(xiàn)有一個(gè)臨界部分正在使用，就讓第二個(gè)線程處于休眠狀態(tài)，直到第一個(gè)線程退出臨界部分為止。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文將C++ builder多線程技術(shù)應(yīng)用于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，有效的解決了線程同步問(wèn)題，保證了數(shù)控軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，取得了較好的運(yùn)用效果。