雷立群

(吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機械與土木工程學(xué)院，吉林吉林132101)

基于PC 的數(shù)控系統(tǒng)是實現(xiàn)開放式數(shù)控系統(tǒng)的最佳途徑，而全軟件數(shù)控系統(tǒng)又是開放式數(shù)控系統(tǒng)的最理想途徑。數(shù)控系統(tǒng)是最為典型的強實時性控制系統(tǒng)。而Windows 操作系統(tǒng)因其具有強大的功能和友好的通信用戶界面，使得它不僅被廣泛地用作管理事務(wù)型工作的平臺，也被工業(yè)領(lǐng)域的工程人員所關(guān)注。但是Windows 操作系統(tǒng)因采用事件式驅(qū)動方式，使得其在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用受到限制。如何在Windows操作系統(tǒng)下，開發(fā)出滿足工業(yè)實時性要求的控制系統(tǒng)成為人們近些年不斷努力的目標。通過對Windows 操縱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理進行研究，得出Windows 操縱系統(tǒng)采用了WDM 驅(qū)動程序模型，它位于操作系統(tǒng)的底層，直接對硬件進行操作，該程序模型支持即插即用、電源管理和WMI 技術(shù)。在操作系統(tǒng)的底層，通過編寫WDM 驅(qū)動程序來實現(xiàn)Windows 操作系統(tǒng)下的強實時性控制，使得利用一臺PC 機就能完全實現(xiàn)與硬件相似的功能成為可能。

1 WDM 驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)研究

WDM 驅(qū)動程序采用了中斷請求包的程序結(jié)構(gòu)，可以在該程序模型處編寫針對硬件操作的強實時性程序，并通過中斷請求包與Windows 操作系統(tǒng)頂層的應(yīng)用程序進行通信，從而使PC 機的軟件和硬件資源得到充分的利用。為使PC 的軟硬件資源能在工業(yè)實時控制中得到應(yīng)用，必須要充分了解WDM 驅(qū)動程序模型的結(jié)構(gòu)特點。

1.1 WDM 程序在Windows 操作系統(tǒng)中的位置

要了解WDM 驅(qū)動程序，必須先了解Windows 操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及WDM 程序所在的位置。圖1 是Windows2000 操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)簡圖［1-2］。

圖1 Windows 2000 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從圖1 中可以看到:Windows2000 操作系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為兩大部分，即用戶模式和內(nèi)核模式，應(yīng)用程序工作在用戶模式，當應(yīng)用程序需要對硬件設(shè)備進行操作時，需要調(diào)用相應(yīng)的API 函數(shù)，API 函數(shù)通過Win32 子系統(tǒng)向IO 管理器發(fā)送一個請求，IO 管理器接收到這個請求后創(chuàng)建一個叫做IO 請求包(IRP)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并把這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)送到相應(yīng)的驅(qū)動程序的入口點，執(zhí)行這個IRP 的驅(qū)動程序或者通過硬件抽象層對硬件進行操作，或者直接對硬件設(shè)備進行操作。

1.2 WDM 驅(qū)動程序的工作方式

WDM 程序模型采用了分層工作方式，一個IRP由一個分層的設(shè)備驅(qū)動程序棧處理。圖2 表示了IRP在一個驅(qū)動程序棧中的傳遞過程。

圖2 WDM 模型驅(qū)動程序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)

IRP 是WDM 驅(qū)動程序的核心部分，驅(qū)動程序的一切操作都是以它為中心。IO 管理器把它所創(chuàng)建的IRP 發(fā)送到設(shè)備棧的頂部，這樣任何高層的過濾驅(qū)動程序或功能驅(qū)動程序總是最先接收并處理IRP，若該IRP 處理完成，則向IO 管理器返回完成狀態(tài)，反之則繼續(xù)向下傳遞，直至完成該IRP 請求。WDM 驅(qū)動模型程序在實現(xiàn)上實質(zhì)上采用的是“基于對象”技術(shù)，驅(qū)動程序中包含了很多的例程，當操作系統(tǒng)遇到一個IRP 時就調(diào)用驅(qū)動程序中的例程來執(zhí)行該IRP 操作。Windows 操作系統(tǒng)的內(nèi)核中，驅(qū)動程序例程的運行可分為32 個優(yōu)先級，如圖3所示。將這32 個優(yōu)先級按從低到高的優(yōu)先次序分為兩類:軟件中斷、硬件中斷。其中的硬件中斷指的是由系統(tǒng)的硬件設(shè)備所產(chǎn)生的中斷，如配置文件的定時、時鐘、處理器之間中斷級等，硬件中斷的中斷級別最高。這里的中斷級別意味著系統(tǒng)中任何一個中斷級別都可以被更高的中斷級別打斷，因此要使某個中斷級別的例程具有較高的實時性，就要使其具有更高的中斷級別。

圖3 WDM 程序的中斷優(yōu)先級

2 WDM 驅(qū)動程序解決工業(yè)實時控制的方法

Windows 系統(tǒng)頂層的應(yīng)用程序并非是基于優(yōu)先級來調(diào)度任務(wù)的，無法立即響應(yīng)外部事件的中斷，不能滿足工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中實時事件處理和實時控制應(yīng)用的要求，因此，如何在Windows 環(huán)境下實現(xiàn)實時控制是實現(xiàn)大多數(shù)實時系統(tǒng)的關(guān)鍵。根據(jù)對WDM 驅(qū)動程序模型的分析，提出在Windows 系統(tǒng)底層的WDM 驅(qū)動程序中編寫強實時性的中斷程序，通過頂層與底層程序之間的通信來解決Windows 操作系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中的實時性控制問題。

2.1 WDM 程序模型的實時控制特征

(1)可直接對硬件進行操作，并可截獲硬件中斷。從圖1 中可以看到WDM 既可以通過硬件抽象層來控制硬件，也可以直接控制硬件。另外在WDM 程序中可通過在硬件中斷級中編寫中斷服務(wù)例程的方法來響應(yīng)硬件中斷。也就是把控制系統(tǒng)中實時性較強的部分放到操作系統(tǒng)底層的中斷服務(wù)例程中編寫，而將控制系統(tǒng)中的非實時性內(nèi)容放到操作系統(tǒng)頂層的應(yīng)用程序中處理。下面是在驅(qū)動程序中實現(xiàn)實時控制的中斷服務(wù)例程的部分程序。

(2)能夠安排任務(wù)的優(yōu)先級。WDM 程序的例程共有32 個優(yōu)先級，可以通過編寫不同中斷優(yōu)先級的例程來安排任務(wù)的優(yōu)先級。

(3)任務(wù)是可搶先的。在WDM 程序中，低優(yōu)先級的任務(wù)隨時可以被更高優(yōu)先級的任務(wù)中斷。

2.2 WDM 在工業(yè)實時控制中的應(yīng)用

數(shù)控系統(tǒng)是典型的實時控制系統(tǒng)，全軟件數(shù)控系統(tǒng)要實現(xiàn)實時控制需要提供一個高頻的實時時鐘，文中采用通過ISA 總線引入一個外部的定時時鐘［4］中斷控制器8259 到Windows 操作系統(tǒng)的底層WDM 驅(qū)動程序，并在驅(qū)動程序中通過中斷程序來截取該時鐘中斷，編寫強實時控制程序。ISA 總線的地址范圍是200H～3FFH，在I/O 地址空間內(nèi)。通過DriverStudio提供的KIoRange 類將外部總線的I/O 地址空間范圍映射到處理器總線的地址空間進行操作。具體操作過程如下:

首先在設(shè)備程序中定義一個KIoRange 類的實例，以定義相關(guān)的地址空間:

KIoRange m_ ParPortIos;

初始化實例(指定ISA 總線首地址，進行地址空間映射):

Status=m_ ParPortIos.Initialize(

0x200 ，//ISA 板卡首地址

TRUE，//在CPU I/O 空間內(nèi)

8，//設(shè)備讀寫數(shù)據(jù)的字節(jié)長度是8 個字節(jié)

TRUE //映射到系統(tǒng)空間

);

初始化工作完成之后，可以用下面的函數(shù)向外部I/O 端口發(fā)送數(shù)據(jù):

m_ ParPortIos.outb(0，0x01)//0 代表寫入端口地址相對于首地址的偏移值為0，0x01 代表要寫入的數(shù)據(jù)

利用Softice 調(diào)試工具可以看到設(shè)備通過m_ParPortIos.outb(0，0x01)向I/O 端口發(fā)送控制脈沖時，轉(zhuǎn)換成需要執(zhí)行的匯編語言指令有百余條，主要是由于這條指令是通過函數(shù)調(diào)用方式實現(xiàn)的，在調(diào)用的時候需要對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行必要的保護，如入棧、出棧等。為了能夠更加有效地節(jié)省控制時間，采用在中斷程序中嵌入?yún)R編語言的形式來編寫程序。實驗證明:采用這種方法可以大大減少中斷程序所占用的時間。

頂層應(yīng)用程序與WDM 程序之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過用戶模式虛擬緩沖區(qū)來實現(xiàn)的。該緩沖區(qū)位于內(nèi)核模式的非分頁內(nèi)存中。具體實現(xiàn)方法如下:

在應(yīng)用程序中通過ReadFile 和WeadFile 函數(shù)將數(shù)據(jù)拷貝到緩沖區(qū)中或從緩沖區(qū)中讀出。程序上的實現(xiàn)如下:

WriteFile(hDevice，DATA，bytesize，＆nWritten，NULL);(程序中的參數(shù)分別是設(shè)備句柄、輸入緩沖地址、緩沖大小(字節(jié)數(shù))、實際讀的字節(jié)數(shù)、覆蓋結(jié)構(gòu)指針)

ReadFile(hDevice，DATAdisplay0，n，＆nRead，NULL);(函數(shù)中的參數(shù)分別是設(shè)備句柄、輸入緩沖地址、緩沖大小)

驅(qū)動程序通過下面的方式將應(yīng)用程序拷貝到緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀出:

首先，在WDM 程序中通過下面的方法定義一段非分頁內(nèi)存，用來將用戶模式緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到WDM 程序中:

WDM 程序利用下面的方法將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝出來:

RtlCopyMemory(pMyBuffer，pBuffer，dwTotal-Size);

3 實驗測試

在Windows 操作系統(tǒng)底層的WDM 驅(qū)動程序模塊中編寫強實時性控制程序，通過頂層應(yīng)用程序與底層驅(qū)動程序通信的方式實現(xiàn)全軟件數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)。通過實驗證明，該方法是可行的。圖4 是采用該方法實現(xiàn)的全軟件數(shù)控系統(tǒng)。

圖4 數(shù)控加工狀態(tài)顯示

該數(shù)控系統(tǒng)最終實現(xiàn)了對9 個軸電機驅(qū)動器的控制，控制系統(tǒng)的極限加工進給速度可達到1 500 mm/min，系統(tǒng)的最小脈沖當量是0.037 μm，數(shù)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對空間直線、圓弧等輪廓的加工控制，以及圓臺面、圓柱面等可展直紋面的加工控制。

4 結(jié)論

通過對Windows 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及WDM 驅(qū)動程序模型的研究，提出了在Windows 操作系統(tǒng)的底層采用WDM 驅(qū)動程序來實現(xiàn)工業(yè)控制中的強實時控制，從而使得利用Window 操作系統(tǒng)實現(xiàn)全軟件控制稱為可能。

經(jīng)過試驗測得，將WDM 驅(qū)動程序應(yīng)用于實時工業(yè)控制系統(tǒng)中，由外部給PC 提供中斷源，在中斷服務(wù)例程中編寫控制程序，當提供的外部時鐘頻率為12 μs 時，用ISA 并行總線作為控制系統(tǒng)輸出I/O 板卡，在中斷服務(wù)例程中僅執(zhí)行一條向外發(fā)送輸出脈沖指令時，中斷可全部截獲，同時系統(tǒng)工作正常，通過示波器可以清晰看到輸出的脈沖波形。

［1］LEI L Q，WANG K Q，HAN J.Implementation Study about the Software CNC System Based on Windows［J］.Advanced Materials Research，2011(9/10/11):264-269.

［2］武安河，邰銘，于洪濤.Windows2000/XP WDM 設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003:1-354.

［3］CANT Chris.Windows WDM 設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)指南［M］.孫義，馬莉波，國雪飛，等，譯.北京:機械工業(yè)出版社，2001:8-32.

［4］雷立群，于振文.基于Windows 的全軟件數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)方法研究［J］.機床與液壓，2012，40(9):94-97，20.