基于双核处理器平台的数控系统数控软件架构设计

0 前言

　　随着数控系统的不断发展，控制周期越来越短，控制精度越来越高，控制算法越来越复杂，要同时运行的功能模块也越来越多，这都对当前普遍采用的单核处理器平台提出了严峻的挑战。要在单核平台上提高现有数控系统的性能或者集成更多的应用，主要可以从以下方面考虑:一是采用更高性能的单核处理器，二是优化现有数控系统的软件架构，三是从各个细节上着手优化具体的代码和算法。但是这几种方法都面临着各种不同的困难。比如第一种方法，一般情况下性能或主频的提升往往伴随着功耗和发热的增加，而数控系统的特点决定了其功耗不能太高，用于散热装置的空间有限，在这些约束下单核处理器的性能提升是有限的，因此这种方法有一定的局限性。

　　本文主要采用双核处理器平台以解决前述问题。使用双核处理器只需额外增加少量硬件和软件设计工作，即可使系统性能有很大的提升，一些专门针对双核处理器设计的软件的性能提升甚至能接近两倍。本文基于该平台，借鉴开源EMC2数控系统的软件设计，研究了双核平台上的数控软件设计方案，并提出在类似平台上进行数控软件设计和优化的一般方法(同样适用于有超过两个核心的多核处理器)。

1 双核处理器的硬件结构

　　1.1 缓存结构

　　高速缓存(这里只考虑L2 Cache)是衡量处理器图中处理器有两个核心Core0和Corel，每个核心有各自的L2 Cache，两个核心之间通过总线接口连接到前端总线。两个核心可以同时各执行一个任务，当两边缓存需要保持一致性时则通过前端总线进行通信。程序运行时的局部性好坏会影响缓存命中率，因此应该把重要的实时任务安排到一个固定的核心上，并防止其他无关任务挤占对应的缓存，这样可以提高实时任务运行速度和实时性。

图1 独立缓存结构的CPU 

　　1.2 中断管理

　　中断处理会对程序的运行速度和实时性产生影响。高频率外部中断会不停地打断正常的程序执行流，如果中断处理程序也比较耗时，就可能会导致实时任务在运行过程中不断被打断和推迟，超过要求的时间限度。目前在中断管理上普遍采用可编程中断控制器，可以通过编程的方式控制每个核心上的中断响应，比如可以在某个核心上开启或者关闭某个中断。这样就可以在运行重要实时任务的核心上关闭无关的中断，避免了实时任务被频繁打断，保证了任务的性能和实时性。

2 双核平台需要的软件支持

　　2.1 操作系统支持

　　要发挥双核处理器的性能优势，需要操作系统的密切配合。数控系统设计中应用较多的实时系统有RTAI、RTLinux和Vxworks等，这些系统提供的实时控制功能大同小异，本文采用的系统平台是RTcore(前身是RTLinux Pro)。

　　RTCore是一款硬实时系统，采用了“双内核”H1结构。实时内核运行在最底层，直接管理时钟和硬件中断。实时任务运行在实时内核层，而Linux作为一个最低优先级任务运行，只有当前没有实时任务需要占用处理器时，才会调度Linux系统运行。RTcore支持sMP对称多处理平台，提供了丰富的实时进程调度、进程通信和中断管理等功能，可以满足在双核处理器平台上设计数控系统的需求。

　　2.2 应用程序的支持

　　仅有硬件和操作系统的支持还不够，要充分利用多核平台的性能优势，还需要应用程序本身的支持。在这方面可以采用的方法主要是多线程编程，把原来由一个线程串行处理的工作交由多个线程并行处理，可以大幅度提高处理速度。

　　除了多线程技术，多核处理器上的软件开发还有一些其他需要考虑的问题。比如对实时性有要求的应用，可以采用线程．处理器绑定、处理器预留和中断屏蔽等技术，提高应用的性能和实时性。