【正文】 DSP的流水線操作是指它的這幾個(gè)階段在程序執(zhí)行過(guò)程中是重疊的。DSP廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行時(shí)間，從而增強(qiáng)了處理器的處理能力。DSP的這種多處理單元結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)在將一些特殊算法做成硬件以提高速度，如典型的FFT的位反轉(zhuǎn)尋址等。例如，當(dāng)完成一個(gè)乘法和累加的同時(shí)，輔助算術(shù)單元已經(jīng)完成了下一個(gè)地址的尋址工作，為下一次的運(yùn)算做好了充分的準(zhǔn)備。 （2）多處理單元 DSP內(nèi)部一般都包括多個(gè)處理單元，如硬件乘法器(MUL ),累加器(CACC)、算術(shù)邏輯單元(AsU),輔助算術(shù)單元(ARAU)以及DMA控制器等。與此相對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)中設(shè)置了至少四套總線:程序總線、數(shù)據(jù)總線、程序的地址總線、數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線和數(shù)據(jù)的地址總線。 與一般微處理器不同，DSP內(nèi)部一般采用的是哈佛(HarVar)體系結(jié)構(gòu)。 9) 以N總線用戶接口簡(jiǎn)單，編程方便，配置靈活，很容易構(gòu)成用戶系統(tǒng)。這樣的報(bào)文將失效，并自動(dòng)進(jìn)行重新發(fā)送。 6) CAN節(jié)點(diǎn)有能力識(shí)別永久性故障和短暫擾動(dòng)，且故障節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重時(shí)會(huì)自動(dòng)切斷與總線的聯(lián)系。 4) CAN總線報(bào)文傳輸不含目標(biāo)地址，以全網(wǎng)廣播為基礎(chǔ)，各個(gè)接收站根據(jù)報(bào)文中反映數(shù)據(jù)性質(zhì)的標(biāo)識(shí)符過(guò)濾報(bào)文，決定是否接收，其優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)在線上網(wǎng)(下網(wǎng))、即插即用和多點(diǎn)接收。 3) CAN可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求。 2) 采用非破壞性總線優(yōu)先級(jí)仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送消息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可以不受影響地繼續(xù)發(fā)送信息，有效避免了總線沖突。 基于上述問(wèn)題，由于CAN總線屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，所以它具有現(xiàn)場(chǎng)總線的特征。 出錯(cuò)指示幀是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的接受節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到總線上的報(bào)文出錯(cuò)時(shí)向總線發(fā)出的一組錯(cuò)誤指示信息，通知發(fā)送方當(dāng)前報(bào)文未被正確接受，重新發(fā)送當(dāng)前報(bào)文超載幀用于通知網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)目前接受節(jié)點(diǎn)正忙或總線正忙，請(qǐng)各節(jié)點(diǎn)暫緩發(fā)送。遠(yuǎn)程幀是在網(wǎng)絡(luò)上的接受節(jié)點(diǎn)需要尋址數(shù)據(jù)源時(shí)才向總線發(fā)出的，以啟動(dòng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)幀結(jié)束ACK場(chǎng)CRC場(chǎng)數(shù)據(jù)場(chǎng)控制場(chǎng)仲裁場(chǎng)幀起始圖32 CAN的數(shù)據(jù)幀送各自的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀用于各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的傳送數(shù)據(jù)或指令。網(wǎng)絡(luò)的物理層和鏈路層的功能由CAN接口器件完成，而應(yīng)用層的功能則由應(yīng)用系統(tǒng)的處理器來(lái)完成。按照ISO制定的OS工七層網(wǎng)絡(luò)通信模型的要求，并考慮到作為工業(yè)測(cè)控的底層網(wǎng)絡(luò)，其信，息傳輸盤(pán)相對(duì)較少，信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求較高，現(xiàn)場(chǎng)連接方式也較簡(jiǎn)單，所以，CAN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)只采用了符合OSI規(guī)范的三層結(jié)構(gòu)模型:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，如圖31所示。目前，CAN的應(yīng)用范圍遍及高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的工業(yè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，公認(rèn)為極具發(fā)展前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 6) CAN總線的成本低，僅為令牌總線的幾十分之一。 3) CAN采用非破壞性總線總裁技術(shù)，將節(jié)點(diǎn)信息分為不同地優(yōu)先級(jí)，可滿足不同地實(shí)時(shí)要求。其物理層可以使用雙絞線，符合IS011898標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)鏈路層采用了具有優(yōu)先級(jí)控制地載波偵聽(tīng)及碰撞檢測(cè)機(jī)制(CSMA/CD)。它最早用于汽車內(nèi)部測(cè)量和執(zhí)行部件之間地?cái)?shù)據(jù)通訊，由德國(guó)Bosch公司提出，是一種有效支持分布式實(shí)時(shí)控制地串行通信網(wǎng)絡(luò)。另外，由于 RS422/485接口通信規(guī)約缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備很難互連，不適合開(kāi)放系統(tǒng)的建設(shè)，因而需采用新的技術(shù)替代這種通信方式。 過(guò)去的運(yùn)動(dòng)控制卡同伺服系統(tǒng)通訊一般都采用RS232或者RS485進(jìn)行通訊，由于RS232的通訊速度低，不能滿足數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的要求，雖然RS485的速度高，但是這種接口的通信多為查詢方式，效率低，難以滿足較高的實(shí)時(shí)性要求。這是因?yàn)橹醒胫俨闷髦槐O(jiān)測(cè)PCI總線的REQ,FRAME和IRDY信號(hào)，而對(duì)STOP信號(hào)引起的終止是不知道的，這樣將不能及時(shí)把總線所有權(quán)轉(zhuǎn)給其他提出申請(qǐng)的設(shè)備，因此要置RE則無(wú)效。 4) PCI主設(shè)備可在任何需要時(shí)刻對(duì)總線提出申請(qǐng)，REQ有效后，也可在任何時(shí)刻撤回申請(qǐng)。NT都有效)，如果中央仲裁器想把總線所有權(quán)轉(zhuǎn)給另外一個(gè)主設(shè)備，它將置當(dāng)前設(shè)備的GNT無(wú)效，此時(shí)有2種情況:t1)當(dāng)前主設(shè)備正在進(jìn)行操作(FRAME有效)，那么當(dāng)前主設(shè)備完成操作后，交回總線所有權(quán)。在9個(gè)CLK(推薦為3 ^4個(gè))周期內(nèi)驅(qū)動(dòng)PAR信號(hào)至1個(gè)穩(wěn)定電平。如果該設(shè)備不放棄所有權(quán)，且在第16個(gè)CLK周期仍不能開(kāi)始操作，中央仲裁器則認(rèn)為該主設(shè)備為“死設(shè)備”，以后也不再授予其總線所有權(quán)。協(xié)議基本要求： 1)對(duì)總線所有權(quán)提出申請(qǐng)的設(shè)備必須具備立刻開(kāi)始總線周期的能力。由中央仲裁器對(duì)各設(shè)備的申請(qǐng)進(jìn)行仲裁，決定由誰(shuí)占用總線。 5)主設(shè)備可以由主設(shè)備故障終止、目標(biāo)設(shè)備可以由重試終止、斷開(kāi)終止、目標(biāo)設(shè)備故障 終止來(lái)結(jié)束周期。 3)中斷確認(rèn)周期只能是讀操作。 1)中斷確認(rèn)周期執(zhí)行無(wú)需譯碼，所以包含中斷控制器的PCI總線設(shè)備對(duì)操作的響應(yīng)通過(guò)置DEV SEL有效完成。中斷控制器的任務(wù)是在該周期的數(shù)據(jù)周期把中斷矢量放在AD[31:00]信號(hào)線上。PCI總線規(guī)則支持分布式的中斷申請(qǐng)信號(hào)線(INTX), TNTX信號(hào)線的目的可以允許特殊的PCI設(shè)備對(duì)主CPU進(jìn)行總線申請(qǐng)。與單一方式一樣，當(dāng)FRAME無(wú)效而IRDY有效時(shí)，突發(fā)傳輸進(jìn)行最后數(shù)據(jù)傳送，,FRAME和IRDY都無(wú)效時(shí)，傳輸結(jié)束[7]。一個(gè)突發(fā)傳送包括一系列微傳送(micro access),第一個(gè)微傳送的地址稱基地址(base address),在地址期得到。如果FRAME在IRDY有效的同時(shí)無(wú)效，即開(kāi)始第一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)無(wú)效，說(shuō)明此操作為單一數(shù)據(jù)傳輸。 在地址期，單個(gè)和突發(fā)傳輸協(xié)議是一致的。 PCI總線支持成組突發(fā)方式傳送。通常情況下，總線主控設(shè)備可以通過(guò)設(shè)置FRAME無(wú)效、IRDY有效來(lái)指示最后一個(gè)數(shù)據(jù)周期。寫(xiě)操作期間的數(shù)據(jù)傳輸方式類似于讀操作。此外PCI總線主設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備都可以通過(guò)在IRDY和TRDY有效前加入若干等待周期以延遲傳輸開(kāi)始時(shí)間。數(shù)據(jù)傳輸完畢，IRDY被里無(wú)效，1次傳輸正常結(jié)束。數(shù)據(jù)的傳輸開(kāi)始于IRDY和TRDY都有效情況下CLK的第1個(gè)上升沿時(shí)。對(duì)于讀周期，PCI總線主設(shè)備驅(qū)動(dòng)有效字節(jié)信息至CBE，由目標(biāo)設(shè)備驅(qū)動(dòng)被讀數(shù)據(jù)和到AD信號(hào)的校驗(yàn)到PAR信號(hào)線上。此時(shí)AD和C/BE上分別為數(shù)據(jù)和字節(jié)的使能信息(指出32位數(shù)據(jù)總線中哪幾個(gè)字節(jié)有效)。 C/BE命令類型C/BE[3210]命令類型C/BE[3210]命令類型0000中斷確認(rèn)周期1000保留0001特殊周期1001保留0010I/O讀周期1010配制讀周期0011I/O寫(xiě)周期1011配制寫(xiě)周期0100保留1100多重存儲(chǔ)讀器0101保留1101雙地址周期0110內(nèi)存讀周期1110存儲(chǔ)器在線讀0111內(nèi)存寫(xiě)周期1111存儲(chǔ)器寫(xiě)使能無(wú)效在地址期之后為1個(gè)數(shù)據(jù)期(DATA PHASE)，在這段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)被傳送。1個(gè)存取周期開(kāi)始時(shí)，PCI總線主設(shè)備置FRAME有效，首先開(kāi)始1個(gè)地址期(ADDRESS PHASE)，在這段時(shí)間內(nèi)，有效地址和命令分別位于AD和C/BE信號(hào)線上。PCI總線定義3種不同的地址空間:內(nèi)存空間、I/O空間和配制空間。輸入輸出讀、寫(xiě)。存取周期指PCI總線主設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。TlS為雙向3態(tài)信號(hào):S/T/S為持續(xù)三態(tài)信號(hào)。位擴(kuò)展信號(hào)可參閱文獻(xiàn)[5]。所以原先工業(yè)普遍使用的ISA總線逐漸被PCI總線代替。 7)預(yù)留了發(fā)展空間。 6)適合于各種機(jī)型，兼容性強(qiáng)。PCI獨(dú)立于處理器的結(jié)構(gòu)，形成一種獨(dú)特的中間緩沖器設(shè)計(jì)方式，將中央處理器子系統(tǒng)與外圍設(shè)備分開(kāi)。PCI獨(dú)特的同步操作功能可保證微處理器能夠與各種總線主控同時(shí)操作，不必等待后者的完成。支持PCI的設(shè)備，存取延誤很小，能夠大幅度減少外圍設(shè)備取得總線控制權(quán)所需的時(shí)間。另外PCI最獨(dú)特之處是可以支持突發(fā)讀取及突發(fā)寫(xiě)入，這使使用高性能圖形加速器尤為重要。 2)線性突發(fā)傳輸。 結(jié)合開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)際需要解決的問(wèn)題，作者選用PCI總線作為PC機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制單元的通訊總線，與以往的運(yùn)動(dòng)控制單元選用ISA總線相比，選用的PCI總線具有明顯的優(yōu)勢(shì)： 1)高性能。由于現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊協(xié)議遵循網(wǎng)絡(luò)通訊的開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型，所以屬于控制網(wǎng)絡(luò)范疇。由于現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議遵循網(wǎng)絡(luò)通信的開(kāi)放系統(tǒng)互連接模型，故也屬于控制網(wǎng)絡(luò)范疇。 目前比較流行的標(biāo)準(zhǔn)總線有并行和串行兩種，其中并行總線有：8/32位的STD總線、16位的工SA總線、MULTIBUS I , 32位的MULTIBUS II , VME總線，PCI等。這樣，在需要升級(jí)系統(tǒng)時(shí)，就可以模塊為單位進(jìn)行更新和升級(jí)。具有總線結(jié)構(gòu)方式的系統(tǒng)硬件可以模塊化，適合開(kāi)放式系統(tǒng)的要求。基于PC的開(kāi)放式CNC系統(tǒng)采用通用標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)來(lái)解決因總線定義不同而帶來(lái)的硬件不能公開(kāi)的問(wèn)題。在具體的實(shí)現(xiàn)中，采用一次策略將有助于開(kāi)放式CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的開(kāi)放化設(shè)計(jì)。因此，開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)硬件應(yīng)該是以總線和網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。硬件是CNC系統(tǒng)工作的物質(zhì)基礎(chǔ)。本章小結(jié) 本章結(jié)合當(dāng)今CNC系統(tǒng)發(fā)展的新進(jìn)展，對(duì)CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，討論了CNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)放化的基本概念和實(shí)行開(kāi)放的途徑，并在需求分析的基礎(chǔ)上提出了開(kāi)放體系CNC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和概念模型，為后續(xù)章節(jié)進(jìn)一步對(duì)開(kāi)放式CNC系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)造和詳細(xì)研究提供了一個(gè)總體參考框架。這些服務(wù)由程序的基本系統(tǒng)服務(wù)部分完成。這兩層還可以細(xì)分為小的層次，其目的時(shí)為了在層與層之間建立比較完善的接口，便于以后物理上的功能擴(kuò)展。在控制系統(tǒng)的下層，DSP將接受上位PC機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)具體的運(yùn)動(dòng)控制。改界面可以與其他系統(tǒng)集成。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖26所示。可擴(kuò)展性體現(xiàn)在當(dāng)控制用戶界面基本系統(tǒng)服務(wù)和加工控制用戶模塊開(kāi)發(fā)服務(wù)組件PCI板卡接口函數(shù)DSP下位機(jī)系統(tǒng)算法控制圖26 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的功能不能滿足用戶要求時(shí)，用戶可以進(jìn)行開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展。這就要求在軟件整體規(guī)劃時(shí)，就要考慮軟件整體的可伸縮性和可擴(kuò)展性。 PC機(jī)將經(jīng)過(guò)插補(bǔ)后的位置指令，通過(guò)雙端口RAM傳遞給DSP ，DSP完成位置調(diào)節(jié)和速度調(diào)節(jié)并將指令經(jīng)過(guò)CAN總線傳遞給伺服控制系統(tǒng)。PC機(jī)的操作系統(tǒng)提供了文件管理能力，方便了加工程序的組織，同時(shí)能顯示文字和圖象信息，為良好的人機(jī)界面設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。PC機(jī)所完成的任務(wù)是將插補(bǔ)運(yùn)算得到的各軸的理論位置乘相應(yīng)的系數(shù)轉(zhuǎn)換成為各軸所應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度值，通過(guò)雙口RAM傳給DSP。 由于個(gè)人PC機(jī)的性價(jià)比非常高，同時(shí)系統(tǒng)也比較可靠。2)，對(duì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有較大的影響，系統(tǒng)非線性因素主要分布于其中.3) FC機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡。交流伺服驅(qū)動(dòng)單元將來(lái)自運(yùn)動(dòng)控制卡的位置誤差信號(hào)做速度環(huán)的隨動(dòng)輸入，按微分控制規(guī)律對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。但是基于DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)的運(yùn)動(dòng)控制卡性能很好的處理這些問(wèn)題。以前的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要是基于單片機(jī)的，實(shí)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)、碼盤(pán)的信號(hào)處理等功能。如基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)果能把通訊和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)與DSP有機(jī)的結(jié)合在一起，可開(kāi)發(fā)出一種全新的基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開(kāi)放式機(jī)構(gòu)的DSP智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，這是當(dāng)今世界運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展主流。這使得以單片機(jī)為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生了重大變化，利用現(xiàn)有的操作系統(tǒng)和資源，可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的成本，并增加系統(tǒng)的通用性。采用DSP技術(shù)使得232軸的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠濃縮到一塊PC的PCI控制卡上。 從90年代開(kāi)始，DSP技術(shù)和FPGA芯片技術(shù)在美國(guó)得到高速發(fā)展，出現(xiàn)了一批高性能低成本的DSP。在開(kāi)放式結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的指導(dǎo)下，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)完成了從造價(jià)昂貴的專業(yè)大型機(jī)到開(kāi)放式，積木式通用個(gè)人計(jì)算機(jī)的改良。機(jī)床系統(tǒng)硬件平臺(tái)控制器硬件平臺(tái)操作系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序總控模塊代碼處理模塊插補(bǔ)運(yùn)算模塊過(guò)程控制模塊軸控制模塊人機(jī)界面檢測(cè)監(jiān)控模塊設(shè)備管理模塊人機(jī)界面外部接口模塊專家系統(tǒng)MIS系統(tǒng)CAD/CAM系統(tǒng)圖24 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 1986年以來(lái)，世界工業(yè)界一直致力于在制造業(yè)中推廣開(kāi)放，積木式的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)。 PC機(jī)的低價(jià)格保證了控制器的低價(jià)格，而Windows上的各種開(kāi)發(fā)工具VC等又使CNC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度大大降低，開(kāi)發(fā)費(fèi)用大幅下降。而且，CNC系統(tǒng)提供的各種接口允許外部程序獲得其所有內(nèi)部信息。 這個(gè)參考模型充分體現(xiàn)了開(kāi)放性原則，由于分層次、模塊化的結(jié)構(gòu)，各個(gè)層次間采用標(biāo)準(zhǔn)接口，從而使每一模塊都能實(shí)現(xiàn)互換，可以由不同的廠商來(lái)生產(chǎn)，組合起來(lái)就是一個(gè)高性能性價(jià)比的系統(tǒng)。二是和本地機(jī)上的其他應(yīng)用程序間交換數(shù)據(jù)。外部接口模塊提供CAD/CAM接口、MIS系統(tǒng)接口、專家系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)接口等。過(guò)程邏輯控制主要處理過(guò)程控制、各種開(kāi)關(guān)量、機(jī)床狀態(tài)等。它的核心是模塊化，由它來(lái)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的諧調(diào)、高效運(yùn)作。這些操作系統(tǒng)提供良好的圖形用戶接口(GUI)、應(yīng)用程序接口(API )庫(kù)、多任務(wù)機(jī)制。這兩層是硬件層。最低層的是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，它包括機(jī)床本身，X, Y, Z, C軸驅(qū)動(dòng)器、各種繼電器、伺服電機(jī)等。 上述開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，可以用于指導(dǎo)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)構(gòu)造與開(kāi)發(fā)。 5)可擴(kuò)展性:本系統(tǒng)可以使用戶或者二次開(kāi)發(fā)者安全、有效的將自己的軟件集成到個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，形成自己的專用系統(tǒng)。、命名習(xí)慣、用戶接口外觀等有利于不同系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。 4)可移植性:系統(tǒng)的模塊化保證了在同一軟硬件平臺(tái)上，具有相同功能構(gòu)成要素的可移植性。 3)動(dòng)態(tài)配置系統(tǒng):為了實(shí)現(xiàn)更靈活的配置和更有好的操作，本系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行狀態(tài)下，完成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)配置。 2)模塊化:數(shù)控系統(tǒng)