基于堆栈结构的开放式控制器关键技术研究

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1、基于堆栈结构的开放式控制器关键技术研究赵辉符意德白晖（南京理工大学计算机科学与技术学院，南京210094）摘要：本文提出了基于堆栈结构的开放式控制器体系结构，并给出该体系结构的总体框架；在开放式控制器的扩展过程中，模块化设计和配置系统是整个系统设计的关键，有效的通信机制是系统运作的核心。针对系统地址的离散特征，设计采用触发中断的方式以实现系统对硬件板卡接入的响应，通过配置系统完成硬件板卡驱动程序的加载。在通信机制中，采用了控制缓冲技术以实现对多板卡的并行控制，采用信息紧凑技术以保证系统控制过程中信息的有效性和控制的实时性。关键词：堆栈结构；控制缓冲；信息紧凑

2、；组态随着技术市场、生产组织结构等方面的快速变化，人们希望能根据不同的加工需求，迅速高效地构建面向客户需求的控制系统，降低生产厂家对控制系统的高依赖性，改变以往控制系统封闭性的设计模式，使得生产控制更简便有效[1]。这一趋势促成了开放式控制系统的产生。在开放式控制系统中，逻辑上分离的组件是最基本的构成单元，组件之间和组件与应用平台之间有良好的界面定义，并对用户提供良好的交互界面[2]。本文主要针对现有控制系统中存在的问题，提出基于堆栈结构的开放式控制器体系结构，给出该体系结构的总体框架和设计思路；在此基础上对板卡接入后驱动的加载给出具体的实现方式，对该体系在

3、控制过程中为了保证控制信息的有效性和控制过程的实时性而采用的控制缓冲技术和信息紧凑技术给以说明。1.开放式控制系统的体系结构开放式控制系统已经发展了多年，但目前学术界和工业界对开放式控制器系统研究还争论颇多。就现有的国内外的开放式控制器系统而言，虽然系统运行在标准的软硬件环境之上，支持多种操作系统、硬件体系结构及通讯传输协议；但对硬件的扩充却是受限的，整个系统仍然受到原有硬件结构和操作系统的限制，特别是有关硬件驱动的开发和加载方法，有关信息有效性和控制实时性的保障策略仍然是制约系统扩展的关键[3]。在我们提出的基于堆栈结构的开放式控制器系统架构中，将在三个层

4、次上实现控制系统的开放性；在硬件层次上，控制系统能够方便的进行功能扩展，当控制系统需要添加其他控制功能时，板卡可以通过主模板上的pc/104总线接口与系统连接；在系统控制层上，控制系统能够准确的定位外部板卡的接入，并实现板卡驱动的加载；在控制应用层上，系统可以通过组态软件实现控制过程额图形化配置[4]。本文主要针对在硬件层次开放过程中，有关板卡接入和驱动的加载给以说明，并对系统扩充后的相关通信问题给予论述。首先，我们给出系统的总体框图：具体构成如图1，系统构成是基于主模块和接入板卡的，主模板是开放式控制器的核心，其硬件由CPU、SDRAM、NORFlash、

5、NANDFlash、实时时钟、RS-232接口、USB主接口、以太网接口、全真彩LCD接口、类PC104总线驱动等组成。功能模块通过类PC104总线与主模板连接，并提供特定的控制功能，其硬件包含CPU、SDRAM、NORFlash、NANDFlash、实时时钟、类PC104总线驱动等，并根据具体的控制功能要求，提供一定数量的I/O接口和A/D接口。图1在系统的结构设计上，我们将其分为硬件层，硬件抽象层，控制支撑层和控制应用层。其中，硬件抽象层主要包含启动引导程序和精简操作系统；控制支撑层包含监控系统，配置系统，语言系统，通信系统，诊断系统和系统调用接口API

6、；控制应用层主要包含应用程序，数据库，web服务，控制算法，控制图形库和控制组态软件。如图2所示图2其中，精简操作系统[5]包括进程控制系统和文件系统；进程控制系统负责进程间通信和进程调度，文件系统主要负责文件和设备的管理并负责创建虚拟文件系统，管理高速缓冲，另外精简操作系统还负责内存管理并负责向上层提供系统调用接口，具体关系如图3所示。监控系统负责硬件的实时监控、响应板卡的接入，并配合配置系统完成板卡的驱动加载；配置系统负责操作系统功能模块的加载和应用软件的升级和控制应用功能的扩展。图3以下，我们将对基于堆栈结构[6]的开放式控制器在硬件层次开放过程中的关

7、键技术给出具体的解决方案和具体策略。2驱动加载技术基于堆栈结构的开放式控制器，其硬件扩展方式的特征决定了扩展板卡驱动加载过程的特殊性；对于总体系统而言，由于主模板和扩展板卡在硬件上的独立性，整个系统在内存单元，地址分配都具有较强的离散特征。当扩展板卡接入系统时，总线接口的特定引脚将触发中断，系统监测进程将做出响应，直到板卡接入稳定为止，然后配置系统将按图4，完成驱动程序的加载。图4配置系统在确定扩展板卡部件稳定接入系统后，将给该部件创建硬件设备节点和链接文件，链接文件指向存放在该扩展板卡的Flash的固定区域，该区域存放该板卡的驱动程序；节点和链接文件创建成

8、功后，主模板将通过类PC/104总线读取该板卡的硬件