基于Windows的線(xiàn)接觸加工數控系統實(shí)時(shí)性研究

1 Windows 2000操作系統進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的解決方案
在Windows 2000操作系統環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，根據對定時(shí)精度以及實(shí)時(shí)性要求不同，通?？刹捎靡韵聨追N方法。
1．1 利用Windows系統提供的常規定時(shí)器及多媒體定時(shí)器
PC機中，最小的定時(shí)間隔是55 ms申請一次中斷請求。在一般的應用軟件開(kāi)發(fā)平臺上都提供了一個(gè)具有定時(shí)功能的Timer控件用于響應這個(gè)中斷，如C++Builder中的Timer控件，用戶(hù)可以通過(guò)Windows提供的API函數SetTimer和KillTimer來(lái)實(shí)現定時(shí)，但是由于系統時(shí)鐘的限制，采用這種方式所獲得的時(shí)鐘周期是不會(huì )超過(guò)55 ms的。同時(shí)這些常用的定時(shí)器事件也是由消息機制驅動(dòng)的，定時(shí)消息被放在消息隊列里與其他消息一起排隊，而定時(shí)消息的優(yōu)先權很低，一旦遇到系統比較忙時(shí)，就有可能在消息隊列里同時(shí)阻塞很多條定時(shí)消息。Windows系統對定時(shí)消息的處理是：當在隊列中同時(shí)有幾條時(shí)間消息時(shí)，系統就會(huì )丟棄其他的時(shí)間消息，而僅僅處理其中最后的一條定時(shí)消息。由此可見(jiàn)，利用系統提供的定時(shí)器只能處理一些對定時(shí)精度、實(shí)時(shí)控制要求不高的情況。另外也可以利用Windows操作系統中mmsystem．dll多媒體擴展庫提供的定時(shí)器，它是利用設置定時(shí)器回調函數TimeSetEvent，定時(shí)時(shí)間一到，系統就會(huì )調用回調函數，從而實(shí)現定時(shí)。定時(shí)回調函數是通過(guò)掛接定時(shí)中斷來(lái)實(shí)現的，從而避開(kāi)操作系統的消息驅動(dòng)機制。采用這種方法最高可以獲得1 ms的定時(shí)精度。
1．2 利用系統定時(shí)中斷
利用PC機中8254定芯片產(chǎn)生的中斷請求0獲得定時(shí)間隔。操作系統在工作時(shí)，工作時(shí)鐘主要由PC機的8254時(shí)鐘芯片提供。8254．共有三個(gè)獨立的16位計數器，計數器0，1，2的地址分別是40H，41H和42H，43H是控制寄存器的端口地址。其中計數器0為日時(shí)鐘的中斷源，同時(shí)也是系統的定時(shí)中斷源。在系統加電后，：BIOS對8254初始化，設置計數器0的初值為0，脈沖輸出方式是方式3(輸出方波脈沖)。這樣，就可以在輸出端得到頻率為f=1．913 18 MHz／65 535=18．2 Hz(其中1．913 18 MHz是8254時(shí)鐘輸入端的輸入脈沖頻率，65 535是16位計數器的計數寬度)的方波輸出脈沖作為輸出中斷頻率，即每隔55 ms提起一次中斷請求，CPU響應后轉入日時(shí)鐘中斷處理程序，即中斷請求0的中斷服務(wù)程序。
通過(guò)上面的分析，要想獲得高精度的定時(shí)時(shí)鐘，可以通過(guò)兩步實(shí)現：首先，根據需要修改8254計數器0的計數初值，從而改變計數器0的輸出時(shí)鐘中斷頻率。然后通過(guò)修改中斷請求0中斷服務(wù)程序的中斷地址，將中斷請求0掛接到中斷服務(wù)程序上。
具體掛接中斷服務(wù)程序的辦法是通過(guò)編寫(xiě)WDM驅動(dòng)程序，修改IDT(Interrupt Descriptor Table)中斷描述符表。IDT是定義硬件中斷映射的表，其工作原理類(lèi)似于MS-DOS環(huán)境中的中斷向量表，它在內存中的地址是從0000：0000開(kāi)始，每個(gè)表項共占4個(gè)字節，共有8 192個(gè)中斷描述符，但是CPU能夠利用的只有前面的256個(gè)。在Windows 2000操作系統中這些IDT表項及其所對應的中斷地址可以通過(guò)在SoftICE中執行IDT指令顯示出來(lái)。當中斷到來(lái)時(shí)，要執行中斷服務(wù)程序，可以通過(guò)將IDT中8號中斷對應的中斷服務(wù)例程地址改為中斷服務(wù)程序所在的地址。硬件中斷發(fā)生的時(shí)候，CPU就會(huì )直接把控制權交到IDT的相應ISR中去運行。
通過(guò)修改8254．定時(shí)器0的定時(shí)初值，并掛接中斷服務(wù)程序，可以獲得一個(gè)穩定的時(shí)鐘中斷。但是由于8254定時(shí)器除了提供系統的日時(shí)鐘中斷源外，還是系統工作的定時(shí)中斷源，當把中斷請求0掛接到中斷服務(wù)程序上時(shí)，為確保系統穩定工作，必須保存原來(lái)系統的中斷服務(wù)程序地址，當8254計數器0的定時(shí)時(shí)間達到55 ms時(shí)，必須將中斷請求8的中斷服務(wù)程序地址恢復為原來(lái)的中斷服務(wù)程序地址，以完成系統定時(shí)需要。這種通過(guò)修改中斷服務(wù)程序地址的方法獲得高精度的定時(shí)中斷，由于涉及到系統工作的定時(shí)中斷源，一旦處理不當，很容易使系統工作不穩定，嚴重時(shí)會(huì )造成系統的崩潰。
1．3 通過(guò)對系統CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘編程
Windows 2000操作系統中要獲得高精度的定時(shí)中斷，可以通過(guò)修改CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘的方法來(lái)獲得，即利用PC機的中斷請求8來(lái)獲得。在Pc機中都存在一個(gè)CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，該時(shí)鐘由于采用的是獨立晶振、用獨立的電池供電，因此可以永不間斷地運行。它的主要功能是為系統提供備用時(shí)鐘、三個(gè)可屏蔽的中斷和一個(gè)通用的中斷輸出、可編程方波發(fā)生器等。另外，它與操作系統相互獨立，修改它的定時(shí)中斷頻率對操作系統工作的影響不大，所以，通過(guò)修改CMOS中斷頻率的辦法可獲得與前面利用系統定時(shí)中斷相比較，更可靠、更穩定的高精度定時(shí)時(shí)鐘中斷。
PC機的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘一般采用MC146818芯片，該芯片上包含了一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和一個(gè)64 B的CMOS內存。在這64個(gè)字節的內存中0～0DH是與實(shí)時(shí)時(shí)鐘相關(guān)的信息，0E～3FH中包含的是關(guān)于計算機的硬件配置信息。其中CMOS內存的地址口的地址為70H，數據口的地址為71H。實(shí)時(shí)時(shí)鐘有4個(gè)狀態(tài)寄存器A，B，C，D。其中寄存器A主要功能是用來(lái)開(kāi)啟、關(guān)閉振蕩器，并選擇不同的輸出頻率，它的具體位定義如表1所示。寄存器B用來(lái)控制實(shí)時(shí)時(shí)鐘各種功能的使能狀態(tài)等。寄存器C與D是只讀寄存器，寄存器C主要是提供各種中斷狀態(tài)標志位。因此，當設置好A，B寄存器后，要想讀出CMOS內存的數據，只需將要讀數據所在內存地址送到70H，再從71H中將數據讀出即可，向CMOS內寫(xiě)入數據的過(guò)程正好與上面的操作相反。

表2列出了寄存器A的周期性中斷速率和方波輸出頻率，可以看到，通過(guò)修改CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘的A寄存器選擇不同的方波輸出頻率，其最大輸出速率可達到122μs。與上面利用系統提供的中斷請求0相比較，IRQ0是每隔55 ms中斷一次，而IRQ8因為用的是自己的晶振，中斷頻率則要高很多，軟件上的實(shí)現上同前面利用系統定時(shí)中斷中的方法相同，即通過(guò)編寫(xiě)WDM驅動(dòng)程序，修改中斷描述表(IDT)，然后通過(guò)hook掛接中斷服務(wù)程序，從而搶先實(shí)現任務(wù)。