CN103744342B - 一种基于双核处理器的pac实时控制*** - Google Patents

一种基于双核处理器的pac实时控制*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及可编程自动化控制器PAC***技术领域,一种基于双核处理器的PAC实时控制***,包括基于工业PC机的双核处理器、共享内存及I/O设备,所述双核处理器包括处理器核心CPU0和CPU1;所述CPU0中的第三方应用程序与人机交互模块连接、人机交互模块与内核接口模块连接、内核接口模块分别与实时内核模块及共享内存连接,所述CPU1中的实时内核模块分别与共享内存及I/O设备连接;所述CPU0运行Windows操作***并负责人机交互与网络通信,使CPU1运行PAC实时内核代码并负责用户程序的实时执行与I/O设备的控制;本发明将双核处理器的两个核心独立开来,相互独立的CPU0和CPU1由于分担不同任务而运行不同的***内核,从而保证了***的开放性、稳定性和实时性。

Description

一种基于双核处理器的PAC实时控制***
技术领域
本发明涉及一种基于双核处理器的PAC实时控制***,属于可编程自动化控制器PAC***技术领域。
背景技术
在工业自动化领域中,可编程控制器PLC是一种专门为工业环境应用而设计的数字运算操作电子装置,它将逻辑运算、算术运算、顺序控制、定时和计数等操作指令保存在存储器内,并通过数字式或模拟式的I/O接口,控制各种类型的机械和生产过程。随着工业控制***越来越追求网络化和智能化,传统PLC软硬件***受限于其专属式的设计弊端,其互操作性和灵活性很差,并不能完全满足用户需求,于是PAC的概念应运而生。作为一种***级的多功能控制平台,PAC综合了PLC实时性与可靠性、软PLC开放性和工业PC运算与通信能力的几大优势,不仅体系结构开放、互操作性强,还具有更好的实时性和稳定性,满足了高端工业应用对多领域控制、大规模控制、控制算法优化、网络设备通信、实时数据处理和企业数据集成等功能的要求。
开发PAC控制***主要有两种方法:一种是基于PLC平台的开发方案,这种PAC由传统PLC升级发展而来,具有较强的稳定性和实时性,但多数PLC厂商是通过在已有扫描式架构中添加以太网通信、运动控制和高级算法的方式实现新功能,因此导致***缺乏开放性与灵活性;另一种是基于工业PC平台的开发方案,这种PAC基于工业PC硬件平台和I/O设备,在商业操作***环境下运行,是PAC设计与开发的主流方案,该方案虽然具有较强的开放性和通用性,但由于商业操作***不是实时操作***,无法保证PAC***的稳定性和实时性。目前,国内市场上还未发现价格合理同时功能完备的PAC控制***。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足,本发明目的是提供一种基于双核处理器的PAC实时控制***。该***包括基于工业PC机的双核处理器、共享内存及I/O设备,所述双核处理器包括处理器核心CPU0和处理器核心CPU1;使双核处理器中的一个CPU核心CPU0负责人机交互与网络通信,使另一个CPU核心CPU1负责用户程序的实时执行与I/O设备的控制,两个相互独立的CPU核心由于分担不同任务而运行不同的***内核,保证了***的开放性、稳定性和实时性。
为了实现上述发明目的,解决现有技术中所存在的问题,本发明采取的技术方案是:一种基于双核处理器的PAC实时控制***,包括基于工业PC机的双核处理器、共享内存及I/O设备,所述双核处理器包括处理器核心CPU0和处理器核心CPU1;所述CPU0含有第三方应用程序、人机交互模块及内核接口模块,所述CPU1含有实时内核模块;所述CPU0中的第三方应用程序与人机交互模块连接、人机交互模块与内核接口模块连接、内核接口模块分别与实时内核模块及共享内存连接,所述CPU1中的实时内核模块分别与共享内存及I/O设备连接;所述CPU0运行Windows操作***,通过操作CPU0的高级可编程中断控制器APIC中的ICR寄存器产生CPU间中断,发送初始化命令和启动命令至CPU1,使CPU1运行实时内核代码。
所述人机交互模块是在CPU0上执行的Windows操作***用户层应用程序,通过EPA协议应用层通信服务与第三方应用程序连接,提供PAC实时控制***的监控界面,通过I/O请求包与内核接口模块连接;所述人机交互模块将接收到的PLC用户程序和监控命令以I/O请求包的形式发送给内核接口模块处理,内核接口模块再将处理结果以I/O请求包的形式返回给人机交互模块并显示给用户。
所述内核接口模块是在CPU0上执行的Windows操作***内核层设备驱动程序,负责人机交互模块与实时内核模块之间的接口工作,通过I/O请求包与人机交互模块连接,通过发送CPU间中断以及在工业PC机内存中建立共享内存与实时内核模块连接,引导CPU1初始化并加载实时内核代码,读取存储在本地磁盘的***配置文件,通过分派例程将***配置信息、PLC用户程序和监控命令存储到共享内存中供实时内核模块读取,再读取实时内核模块存储在共享内存中的运行状态和处理结果并以I/O请求包的形式发送给人机交互模块。
所述的实时内核模块是运行在CPU1最高特权级ring0层的内核代码,占用CPU1全部寄存器和缓存资源,实时调用定时管理、程序管理、内存管理和驱动管理四个功能模块,其中所述定时管理模块利用CPU1定时时基提供高精度定时器,所述内存管理模块与共享内存连接、在共享内存中实时维护***运行状态和用户程序变量。
所述程序管理模块包括逻辑控制指令、运动控制指令和过程控制指令,负责循环扫描、顺序执行PLC用户程序的指令,提供4M用户程序存储空间,支持符合IEC61131-3标准的梯形图和功能块图形编程语言。
所述驱动管理模块包括以太网驱动例程和RS-485串口驱动例程,所述以太网驱动例程通过EtherCAT协议与外部I/O设备连接,完成***I/O点周期刷新和I/O点扩展;所述RS-485串口驱动例程通过串口方式与外部I/O设备连接,提供Modbus从站服务和Profibus从站服务,可同时与外部I/O设备进行串行通信。
本发明有益效果是:一种基于双核处理器的PAC实时控制***,包括基于工业PC机的双核处理器、共享内存及I/O设备,所述双核处理器包括处理器核心CPU0和处理器核心CPU1;所述CPU0含有第三方应用程序、人机交互模块及内核接口模块,所述CPU1含有实时内核模块;所述CPU0中的第三方应用程序与人机交互模块连接、人机交互模块与内核接口模块连接、内核接口模块分别与实时内核模块及共享内存连接,所述CPU1中的实时内核模块分别与共享内存及I/O设备连接;所述CPU0运行Windows操作***,通过操作CPU0的高级可编程中断控制器APIC中的ICR寄存器产生CPU间中断,发送初始化命令和启动命令至CPU1,使CPU1运行实时内核代码。与已有技术相比,本发明将双核处理器的两个核心CPU0和CPU1独立开来,使CPU0运行Windows操作***并负责人机交互与网络通信,使CPU1运行PAC实时内核代码并负责用户程序的实时执行与I/O设备的控制,相互独立的CPU0和CPU1由于分担不同任务而运行不同的***内核,保证了***的开放性、稳定性和实时性,从而实现了符合产品定义标准的PAC实时控制***。
附图说明
图1是本发明总体框图。
图2是本发明中的实时内核模块组成框图。
图3是本发明运行流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示,一种基于双核处理器的PAC实时控制***,包括基于工业PC机的双核处理器、共享内存及I/O设备,所述双核处理器包括处理器核心CPU0和处理器核心CPU1;所述CPU0含有第三方应用程序、人机交互模块及内核接口模块,所述CPU1含有实时内核模块;所述CPU0中的第三方应用程序与人机交互模块连接、人机交互模块与内核接口模块连接、内核接口模块分别与实时内核模块及共享内存连接,所述CPU1中的实时内核模块分别与共享内存及I/O设备连接;所述CPU0运行Windows操作***,通过操作CPU0的高级可编程中断控制器APIC中的ICR寄存器产生CPU间中断,发送初始化命令和启动命令至CPU1,使CPU1运行实时内核代码。所述人机交互模块是在CPU0上执行的Windows操作***用户层应用程序,通过EPA协议应用层通信服务与第三方应用程序连接,提供PAC实时控制***的监控界面,通过I/O请求包与内核接口模块连接;所述人机交互模块将接收到的PLC用户程序和监控命令以I/O请求包的形式发送给内核接口模块处理,内核接口模块再将处理结果以I/O请求包的形式返回给人机交互模块并显示给用户。所述内核接口模块是在CPU0上执行的Windows操作***内核层设备驱动程序,负责人机交互模块与实时内核模块之间的接口工作、通过I/O请求包与人机交互模块连接、通过发送CPU间中断以及在工业PC机内存中建立共享内存与实时内核模块连接,引导CPU1初始化并加载实时内核代码,读取存储在本地磁盘的***配置文件,通过分派例程将***配置信息、PLC用户程序和监控命令存储到共享内存中供实时内核模块读取,再读取实时内核模块存储在共享内存中的运行状态和处理结果并以I/O请求包的形式发送给人机交互模块。本发明所应用的***平台包括基于双核处理器的PAC开发平台和I/O设备,所述的PAC开发平台采用工业PC机,其处理器为Intel双核四线程Atom-D525型号处理器,该处理器包含两个CPU核心,即CPU0和CPU1,CPU0与CPU1之间通过CPU间中断进行通信,将双核处理器的核心CPU0和CPU1独立开来,使CPU0运行Windows操作***,在Windows操作***内运行人机交互模块和内核接口模块;使CPU1只运行PAC实时内核代码,即实时内核模块。为实现所述的对双核处理器核心的分配,需要先在工业PC机的BIOS设置中关闭超线程功能,然后对Windows操作***进行***配置,使Windows操作***只使用一个核心CPU0,此时核心CPU1在初始化后便可以运行PAC实时内核代码。为实现所述的对CPU1的初始化,需要通过内核接口模块操作核心CPU0的高级可编程中断控制器APIC中ICR寄存器来产生CPU间中断,即通过正在活动的核心CPU0发送CPU间中断的初始化命令和启动命令给CPU1,CPU1启动后直接运行PAC实时内核代码。为实现所述的CPU1启动后直接运行PAC实时内核代码,需要提前将引导程序Boot代码和实时内核代码加载到指定内存位置。因为CPU1刚启动时处于实模式状态,需要从实模式跳转到保护模式,实模式下CPU1的寻址范围只是前1M内存空间,而计算机前1M内存是用来启动***之用,所以内核接口模块将引导程序Boot代码加载到内存前1M空间中,同时将PAC实时内核代码加载到为实时内核模块指定的代码段内存位置。CPU0发送给CPU1的CPU间中断命令序列包含了引导程序Boot代码的入口地址,CPU1接收完三个命令后跳转到该地址去执行引导程序Boot代码,即开启保护模式、开启32位地址线和初始化全局内存描述符表,之后CPU1再跳转到PAC实时内核代码的入口地址去执行实时内核模块。为实现所述的将PAC实时内核代码加载到为实时内核模块指定的代码段内存位置,需要对Windows操作***的引导页选项进行***配置,从而分配出256M物理内存空间,其中196M内存空间分配给实时内核模块作为代码段、数据段和堆栈段,其余60M内存空间作为共享内存,供内核接口模块和实时内核模块进行信息与数据交互。为实现所述的内核接口模块和实时内核模块通过共享内存进行信息与数据交互,需要设备驱动程序内核接口模块将其运行时使用的逻辑地址经过段页转换变为物理地址,可通过调用Windows操作***的API函数MmMapIoSpace,使内核接口模块所使用的指针变量直接指向共享内存中。
如图2所示,所述实时内核模块是运行在CPU1最高特权级ring0层的内核代码,占用CPU1全部寄存器和缓存资源,实时调用定时管理、程序管理、内存管理和驱动管理四个功能模块,通过实时执行PLC用户程序,满足PAC实时控制***对稳定性和实时性的要求。其中所述定时管理模块与Windows操作***保持时间同步,利用CPU1定时时基提供高精度定时器、所述内存管理模块与共享内存连接,负责管理实时内核模块对共享内存的数据访问和存储,在共享内存中实时维护***运行状态和用户程序变量。所述程序管理模块负责循环扫描、顺序执行PLC用户程序的指令,提供4M用户程序存储空间,支持符合IEC61131-3标准的梯形图和功能块图形编程语言,包括143条逻辑控制指令、45条运动控制指令和PID过程控制指令,通过指令指针寄存器EIP对应的全局指针变量对用户程序指令进行寻址,每次扫描过程包括输入数据采样、程序指令执行和输出数据刷新三个步骤,全局指针变量首先指向存储用户程序的代码段内存地址,按照指令第1个字所存储的操作码跳转到该指令的执行函数,完成该指令功能后再跳过此指令的存储区域,继续指向下一个要执行的指令。所述驱动管理模块包括以太网驱动例程和RS-485串口驱动例程,所述以太网驱动例程通过EtherCAT协议与外部I/O设备连接、完成***I/O点周期刷新和I/O点扩展;所述RS-485串口驱动例程通过串口方式与外部I/O设备连接,提供Modbus从站服务和Profibus从站服务,可同时与外部I/O设备进行串行通信。
最后说明的是本发明提供的基于双核处理器的PAC实时控制***不局限于上述实施例,还可以做出各种修改、变换和变形。因此,说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。凡是依据本发明的技术方案进行修改、修饰或等同变化,而不脱离本发明技术方案的思想和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种基于双核处理器的PAC实时控制***,包括基于工业PC机的双核处理器、共享内存及I/O设备,其特征在于:所述双核处理器包括处理器核心CPU0和处理器核心CPU1;所述CPU0含有第三方应用程序、人机交互模块及内核接口模块,所述CPU1含有实时内核模块;所述CPU0中的第三方应用程序与人机交互模块连接、人机交互模块与内核接口模块连接、内核接口模块分别与实时内核模块及共享内存连接,所述CPU1中的实时内核模块分别与共享内存及I/O设备连接;所述CPU0运行Windows操作***,通过操作CPU0的高级可编程中断控制器APIC中的ICR寄存器产生CPU间中断,发送初始化命令和启动命令至CPU1,使CPU1运行实时内核代码。
2.根据权利要求1所述一种基于双核处理器的PAC实时控制***,其特征在于:所述人机交互模块是在CPU0上执行的Windows操作***用户层应用程序,通过EPA协议应用层通信服务与第三方应用程序连接,提供PAC实时控制***的监控界面,通过I/O请求包与内核接口模块连接;所述人机交互模块将接收到的PLC用户程序和监控命令以I/O请求包的形式发送给内核接口模块处理,内核接口模块再将处理结果以I/O请求包的形式返回给人机交互模块并显示给用户。
3.根据权利要求1所述一种基于双核处理器的PAC实时控制***,其特征在于:所述内核接口模块是在CPU0上执行的Windows操作***内核层设备驱动程序,负责人机交互模块与实时内核模块之间的接口工作,通过I/O请求包与人机交互模块连接,通过发送CPU间中断以及在工业PC机内存中建立共享内存与实时内核模块连接,引导CPU1初始化并加载实时内核代码,读取存储在本地磁盘的***配置文件,通过分派例程将***配置信息、PLC用户程序和监控命令存储到共享内存中供实时内核模块读取,再读取实时内核模块存储在共享内存中的运行状态和处理结果并以I/O请求包的形式发送给人机交互模块。
4.根据权利要求1所述一种基于双核处理器的PAC实时控制***,其特征在于:所述的实时内核模块是运行在CPU1最高特权级ring0层的内核代码,占用CPU1全部寄存器和缓存资源,实时调用定时管理、程序管理、内存管理和驱动管理四个功能模块,其中所述定时管理模块利用CPU1定时时基提供高精度定时器,所述内存管理模块与共享内存连接、在共享内存中实时维护***运行状态和用户程序变量。
5.根据权利要求4所述一种基于双核处理器的PAC实时控制***,其特征在于:所述程序管理模块包括逻辑控制指令、运动控制指令和过程控制指令,负责循环扫描、顺序执行PLC用户程序的指令,提供4M用户程序存储空间,支持符合IEC61131-3标准的梯形图和功能块图形编程语言。
6.根据权利要求4所述一种基于双核处理器的PAC实时控制***,其特征在于:所述驱动管理模块包括以太网驱动例程和RS-485串口驱动例程,所述以太网驱动例程通过EtherCAT协议与外部I/O设备连接,完成***I/O点周期刷新和I/O点扩展;所述RS-485串口驱动例程通过串口方式与外部I/O设备连接,提供Modbus从站服务和Profibus从站服务,可同时与外部I/O设备进行串行通信。
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