（机械电子工程专业论文）基于windows+cenet的开放式数控系统的研究.pdf

摘要 研究开放式数控系统的主要目的就是要建立一个模块化、可重构、可扩展、 可移植的系统平台数控系统的开放层次大致有开放的人机接口：有限开放的控 制内核层接口；控制内核层全部开放三种开放形式s o f t 型开放式数控系统具 有最高的开放层次即控制内核的全开放，具有更好性价比，和短的开发周期，是开 放式数控系统的发展趋势所在开放式数控系统的理想操作系统平台是实时多任 务操作系统。d o s 是单任务操作系统，不具备多任务调度能力，w i n d o w s9 x n t 虽 然是多任务操作系统，但实时性严重不足实时多任务操作系统有很多，比较著 名的有v x w o r k s ，i r m x 、o n x 等。这些操作系统产品大多比较昂贵，开放性较差， 且相关的开发软件和可利用的资源较少在本课题s o f t 型开放式数控系统的研 究中，操作系统软件平台选择的是微软公司的实时多任务操作系统平台w i n d o w s c e n e t 。 插补技术作为数控技术中的核，t l , 技术，它的好坏直接影响着数控加工的优 劣，是目前数控技术急需提高和完善的重要环节之一。本文对样条插补和三坐标 曲面直接插补进行了研究。对于样条插补，本文对b 样条曲线和n u r b s 曲线的数学 表示和插补原理分别进行了研究。对于曲面加工，本文首先对现有的曲面加工模 式进行了分析，在此基础上介绍了基于曲面直接插补的曲面加工模式。并对三坐 标曲面直接插补中的关键技术进行了研究。着重研究了曲面直接插补中的轨迹生 成方法、行距确定方法、插补原理。最后给出了双三次参数曲面数控加工的g 代 码定义。经过软件仿真，证明了本文所研究的样条插补算法原理的正确性。且算 法稳定可靠，逼近误差小，满足数控系统对插补算法的要求 关键词：s o f t 型c n c ，w i n d o w sc e n e t ，b 样条蓝线插补，曲面插补 a b s t r a c t t h eo b j e c to f r e s a t r e ho f o p e nc n ci st os e tu pas y s t e mp l a t f o r m ，w h i c hc a nb e m o d u l a r i z e d ，r e b u i l t , e x t e n d e d ，t r a n s p l a n t t h eo p e nl e v e lo fc h i ch a so p e nh u i ， f i n i t eo p e nc o n t r o lk e r n e ll e v e l ，t o t a lo p e nc o n t r o lk e r n e ll e v e l s o f tc n ch a st h e h i g h e s to p e nl e v e l ，w h i c hi st o t a lo p e nc o n t r o lk e m e lh a st h eb e t t e rp r i c ec o n t r a s t w i t hq u a l i t ya n ds h o r tt h ec y c l eo fd e v e l o p m e n t s o f tc n ci st h ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o no fc n c t h ei d e a lp l a t f o r mo p e r a t i n gs y s t e mo fc n ci sr e a l _ t i m e ，m u t i _ t a s ko p e r a t i o ns y s t e m d o si sas i n g l et a s ko s ，w h i c hc a n n o tp r o v i d em u t i - t a s k s c h e d u l e ra b i l i t y w i n d o w sn t 9 xi sam u t i - t a s ko s ，b u ti ti sn o tar e a l - t i m eo s t h e r ea r em a n yk i n d so f r e a l - t i m eo s ，s u c ha sv x w o r k s ，q n x , i r m x ，a n ds oo n t h e s eo sa r ev e r ye x p e n s i v e ，l e s so p e n ，l e s sr e l a t i v ed e v e l o p m e n td o c u m e n t sa n dl e s s u s e f u lr e s o u r c e s i nt h er e s e a r c ho fs o f to c n c ，t h i sp a p e rs e l e c tt h ew i n d o w s c e n e to sa st h es y s t e mp l a t f o r m i ti sar e a l - t i m em u t i - t a s ko s t h ei n t e r p o l a t i o nt e c h n o l o g yi sak e yt e c h n o l o g yo fo p e nc n c i ta f f e c t st h e q u a l i t yo fc n cm a c h i n i n ga n di tn e e d st ob ei m p r o v e da n dd e v e l o p e d i nt h i sp a p e r s p l i n ei n t e r p o l a t i o na n ds u r f a c ei n t e r p o l a t i o na r er e s e a r c h e d f o rs p l i n ei n t e r p o l a t i o n ， t h em a t hd e f i n i t i o na n di n t e r p o l a t i o np r i n c i p a lo fb _ s p l i n ea n dn u r b sa r e r e s e a r c h e d f o rs u r f a c em a c h i n i n g ，f i r s t l ya n a l y s i so ft h em o d eo fs u r f a c em a c h i n i n g i sg i v e n ，s e c o n d l yt h em a c h i n i n gm o d eb a s e do nt h es u r f a c ed i r e c t i o ni n t e r p o l a t i o ni s i n t r o d u c e d t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h r e ec o o r d i n a t es u r f a c em a c h i n i n gi sa l s o r e s e a r c h e d g r e a ta t t e n t i o n sa r ep u to nt h et r a c kc r e a t i o nm e t h o d ，r o ws p a c i n g c o n f i r m i n gm e t h o d , i n t e r p o l a t i o np r i n c i p l e l a s t l yg _ _ e o d ed e f i n eo fd o u b l et h r i c e p a r a m e t e rs u r f a c ei sg i v e n b ys o f t w a r es i m u l a t i o nt h ec o l t e c t n e s s ，s t a b i l i z a t i o n , l e s s a p p r o a c he r r o ro fa l g o r i t h mo fi n t e r p o l a t i o ni sp r o v e d i tm e e t st h en e e do fc n c i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m k e y w o r d ：s o f tc n c ，w i n d o w sc e n e t , b _ s p l i n ei n t e r p o l a t i o n , s u r f a c e i n t e r p o l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密臣 学位论文作者签名： oo 妒年6 月1 7 日 虢隆裟 4 。够年6 月0 日 眈 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：儡炙传 日期：3o 。够年6 月膨日 江苏大学硕士学位论文 第1 章序言 1 1 开放式数控技术的产生背景 数控技术是一门由机械学，电子学、控制论、计算机科学四大基础学科发展 起来的一门综合性新型学科。数控技术是数控机床的关键技术，数控机床又是推 行f m c ( 柔性制造单元) 、f m s ( 柔性制造系统) 以及c i m s ( 计算机集成制造 系统) 等的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术，对国 民经济的发展起着重要的作用。 自从1 9 5 2 年美国人发明了数控系统以来，这类数控系统系统开发投资大、周 期长、风险高、更新换代速度慢。5 0 年来数控技术的发展比任何一种用于机床 的控制技术的发展都要快传统的数控系统大多是封闭专用的体系结构，用于实 现某种专有的功能市场全球化的结果使得各个企业之间的竞争空前剧烈，从而 要求生产制造活动具有较强的市场适应能力，当今市场对于适合中小批量加工、 具有良好柔性和多种加工功能的制造系统的需求已经逐步超过了对大型单一功 能制造系统的需要这一市场发展的客观趋势促成了一个新的概念的产生。即开 放式数控系统 1 2 开放式数控系统的国内外现状 1 2 i 开放式数控系统的国内现状 r 1 基于dos w i ndows 平台的开放式数控系统p 1 近几年来，我国相继开发出了几种型号的开放式数控系统，包括有华中开发的 华中i 型、北航推出的ch 系列数控系统、珠峰公司的中华i 型以及南京四开公 司的蓝天( s k y ) 系列产品。这些数控系统的大部分产品基本都采用1 6 位或 3 2 位的工业pc 机，以d o s 为其操作系统。 基于现场总线技术的开放式数控系统 现场总线技术是2 0 世纪9 0 年代计算机信息技术、网络技术和微电子技术在 工业控制领域所取得的一项重大的技术突破和应用。北航已经成功地开发出基于 江苏大学硕士擘位论文 s e r c o s 技术的c h 2 0 1 0 s 开放式数控系统。s e r c o s 是一种用于数字伺服和传 动系统的现场总线接口和数据交换协议，用于实现工业控制计算机与数字伺服系 统、传感器和可编程控制器i o 口之间的实时数据通信该数控系统选用了 w i n d o w s 3 2 或w i n d o w s 9 5 作为操作系统平台，同时对操作系统作了实时控 制功能的扩充，使它能满足工业控制系统对实时性要求。 基于面向对象软件技术的开放式数控系统 。 面向对象( 00 ) 的思想方法是以对象和类作为软件开发的基石，模块化思 想贯穿了整个开发过程。对象作为类的应用特例，可以继承类的通用属性和操作。 实现软件的可重用性。因此采用面向对象的方法对数控软件进行分析，可实现软 件功能模块的抽象分离，并进而封装形成与功能相对应的类，各种类最终集成到数 控软件的通用类库中当根据实际情况需要对系统进行二次开发时，即可提取所 需的类生成对象，进行少许编程链接，迅速建立具体的应用系统。显然，00 思想方 法用于数控软件上能较好地满足开放式数控系统的可重用性、可扩展性及可重构 性等要求。华中科技大学据此思想开发的软件芯片系统是应用0o 建模方法的代 表性成果。该系统以模块作为基本芯片建立了软件芯片库，用户可以方便地对芯 片库进行重构、扩展工作，大大节省了二次开发的时间、费用和难度。上述基于 面向对象技术的数控软件系统是一种导出式的开发方式，具有较高软件重用性。 r f l 它可以避免对功能模块重复开发，已是一门较为成熟的技术p j 1 2 2 开放式数控系统的国外现状 国际上与开放式数控系统相关项目比较多，但是目前最具影响力的仍是 o s a c a 、o m a c 、o s e c 这三个项目。因而这三个计划的发展现状基本上代表了 开放式数控系统的发展现状 欧盟的o s a c a 自1 9 9 2 年5 月正式启动，目前已进入第三阶段，主要取得下述 成果：( 1 ) 定义了中性( 即不依附于任何厂家) 的开放式数控系统的基本 规范。( 2 ) 拟订了中性的可适用于数控系统、机器人、可编程逻辑控制器 和单元控制器的统一的参考结构。( 3 ) 开发了第一批示范性的应用软件模 块( o s a c aa p i ) 美国的o m a c 自1 9 9 4 年1 2 月由c h r y s l e r 、f o r d 和g e n e r a lm o t o r s 等几家公司 公布了“开放的模块化结构控制器( o m a c ) 在汽车工业中的需求”的文件， 2 江苏大学硕士学位论文 1 9 9 7 年2 月1 4 日，g m p t g 组织建议成立了o m a c 目前已经具有8 0 多家研究 机构、9 ；g o e m ，1 6 家用户参与该组织，主要取得以下成就：( 1 ) 定义了标 准化的o m a c a p i ，使得用户可以充分发挥自己的主动性。装入自己的所需 的特殊功能。( 2 ) 利用w i n d o wo s ，可以充分利用现有的个人计算机资源 如c a m 、c a d ( 3 ) 以实时操作系统为核心，提供高性能的控制功能。( 4 ) 利用实时数据库，可实现数据的高效、便携化 日本的o s e c 自1 9 9 4 年1 2 月由6 家企业发起，如今已发展成为具有1 8 家企业和 1 个团体的具有较大影响力的组织1 9 9 5 年o s e c 公布“o s e c 4 ”1 9 9 6 年公布了 “o s e c i i ”，同时还展示了3 台验证系统主要取得以下成就：( 1 ) 提出了开 放式数控系统的参照模型，并将其具体化为实装模型( 2 ) 开发了基于p c 的人机接口系统( 3 ) 提出并开发了新的n c 语言o s e l ( 4 ) 开发了用于 机床控制的接口( o s e ca p i ) 及语言处理器目前这些组织在本国或本地 区都鼓励企业参与研究与决策工作，并且推出了一系列的示范性产品。 1 3 开放式数控系统的发展趋势及所面临的难题【删 友好的人机界面( m m i ) 对用户友好，具有一致性的数控系统的操作界面，对于降低人员培训费用， 降低系统维护费用都具有比较重要的意义。 ， 以软件为基础的控制器 在开放式数控的研究过程中，软件越来越受到重视o s a c a 认为当今数控 技术的发展，已经由面向硬件( h a r d w a r eo r i e n t e d ) 转向面向软件( s o f t w a r e o r i e n t e d ) o s a c a 虽然对于硬件提出了一些中性的规范，但是它对硬件的规范 并不苛求。o m a c 的最早倡议者g m 公司认为，机床的控制器可以实现各种程度 的开放，最高程度的开放是以软件技术为基础的控制器。o s a c a 、o m a c 、o s e c 都提供了a p i 作为研究的重要成果。 多轴联动的复杂曲线曲面的直接插补功能 作为数控系统核心的插补器，其功能直接影响到数控系统的功能和效率。传 统的c n c 系统往往只提供直线和圆弧插补功能，对于较复杂的曲线采用直线或 圆弧段拟合，引起诸如数据量大，精度较差，进给速度不均匀，通用性差，编程复杂等 一些问题在机械加工中，尤其是航空航天的零件加工中，经常会遇到复杂外型的 3 江苏大学硕士学位论文 零部件，需要采用多轴联动的数控机床来加工，此时采用简单的直线和圆弧插补方 法来加工显然不合适开发能够加工复杂曲线，曲面的多轴联动的快速直接插补算 法，将成为开放式数控系统研究中的重点 重视r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 的开发与应用 开放式数控要求不依赖于特定的软硬件平台，但是并不是所有的操作系统都 能满足数控系统的需要根据数控系统的实时性要求，现在流行的操作系统如 w i n d o w s 9 x n t 等大多无法满足实时性的要求。这就要求有满足数控系统实时性 要求的r t o s 。 数控系统的高开放程度 o s a c a 规定了3 个层次的开放程度：人机界面的开放、内核有限的开放、全 开放人机界面开放的开放度只限于非实时控制部分( 面向用户应用) ；内核有 限开放的内核结构固定，但留有植入用户专用软件的接口，这两种程度的开放， 在目前实现是完全有可能的而最高程度的开放内核的完全开放，它的系统 结构是由可互换性、可升级性、可移植性、互操作性要求等决定的，最终要求实 现在标准平台能够任意组合所有模块的功能。 具备网络通信功能 当今的c n c 处于c i m s 和d n c 的环境中，c n c 系统不仅能够控制独立运转 的机械，同时还要在综合化的生产环境中，用做生产的终端设备，网络通讯功能 已经成为c n c 系统的必备功能。 1 4 本课题的提出的背景及现实意义 研究开放式数控系统的主要目的就是要建立一个模块化、可重构、可扩展、 可移植的系统平台。提高控制系统的互连性、增强数控系统的柔性和集成性数 控系统的开放性大致有开放的人机接口；开放的控制内核层接口；控制内核层全 部开放三种开放形式。根据不同的开放层次，当今世界上主要有如下几种开放式 数控系统l o j 。 p c 嵌入n c 结构的开放式数控系统 如f a n u c l 8 i 、1 6 i 系统、s i e m e n s8 4 0 d 系统等数控系统。这是由于一些数控 系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用计算机丰富的软件资 4 江苏大学硕士学位论文 源而开发的产品然而，尽管它也具有一定的开放性，但由于它的n c 部分仍然 是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此，用户无法介入数控系统的 核心这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵这实际上是人机接口层次上 的开放。 n c 嵌入p c 结构的开放式数控系统。 它由开放体系结构的运动控制卡+ p c 机构成。这种运动控制卡通常选用高 速d s p 作为c p u ，具有很强的运动控制和p l c 控制能力。它本身就是一个数控系 统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在w i n d o w s 平台下自行开发构造所 需的数控系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制的 各个领域。如美国d e l t a t a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c - - n c 数控 系统、日本m a z a k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c6 4 构造的m a z a t r o l 6 4 0c n c 等。这种数控系统开放的是控制内核层接口，是内核的一种有限的开放。 s o f t 垂g 开放式数控系统。 它提供给用户最大的选择和灵活性，它的控制功能全部由软件来实现，而硬 件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i 0 2 间的标准化通用接口就像计算机中 可以安装各种品牌的声卡，c d r o m 和相应的驱动程序一样。用户可以在 w i n d o w sn t 平台上，利用开放的c n c 内核，开发所需的各种功能，构成各种 类型的高性能数控系统，其典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc h i c 、德国p o w e r a u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等。 与前几种数控系统相比，s o f t 型开放式数控系统具有最高的开放层次即控 制内核的全开放，具有更好性价比，和短的开发周期，是开放式数控系统的发展 趋势所在。 正是由于s o f t 型开放式数控系统的优越性，本文选择s o f t 型数控系统作为 研究的课题，虽然难度较大，但这是实现数控系统的真正意义上的开放，具有很 重要的意义和研究价值。 1 5 实时操作系统w i n d o w sc e n e t 的简介【8 j 高精度、高速度的数控系统对于实时性要求很高，但是在啪o w s 9 x 行盯 平台下。若要达到这么高的定时精度，很难通过多线程编程来满足高档数控系统 的实时性要求。目前国内普遍采用的d o s 或w i n d o w s 都不是开放式数控系统的 江苏大学硕士学位论文 理想软件平台数控系统软件必须进行实时多任务调度，而d o s 是单任务操作系 统，不具备多任务调度能力，w i n d o w s9 x n t 虽然是多任务操作系统，但实时 性严重不足虽然通过采取一些增加其实时性的扩展技术，基于d o s 或 w i n d o w s 进行数控系统开发也是可行的，但必须以降低性能或提高成本作为代 价 开放式数控系统的理想软件平台是实时多任务操作系统目前，商业实时多 任务操作系统有很多，比较著名的有v x w o r k s 、i r m x 、q n x 等。这些操作系 产品大多比较昂贵，且开放性较差。且相关的开发软件和可利用的资源较少 在本课题s o f t 型开放式数控系统的研究中，操作系统软件平台选择的是微 软公司的实时多任务操作系统平台w i n d o w sc e n e t w i n d o w sc e 是 m i c r o s o f t 为多种嵌入式系统和产品而设计的一个紧凑、高效、可升级的多进 程、多线程、可抢占多任务的实时操作系统。它具有一个简单，高效的完全可抢 先式多任务操作的实时核心，可以提供进程调度，内存管理，多任务管理，多线 程管理，中断处理等系统服务，能够支持强大的通信和图形显示功能，能够适应 广泛的系统需求。能兼容市场上各类w 跗3 2 软件，可利用的资源较v x w o r k 、2 q n x 、n u c l e u s 等高w i n d o w sc e n e t 是继w i n d o w sc e3 0 之后， m i c r o s o f t 为嵌入式市场从新设计，为快速建立消费类电子设备、专用工业控 制器和嵌入式通信产品提供了一个健壮的实时操作系统。w i n d o w sc e n e t 具备 完整的操作系统特性集包和端对端开发环境，它包括了创建一个基于w i n d o w s c e 的定制设备所需的一切，例如：强大的联网能力、强劲的实时性和小内存体 积占用以及丰富的多媒体和w e b 浏览功。m i c r o s o f t 提供了大量的开发者支持 计划，以帮助嵌入式开发人员快速掌握构建基于w i n d o w sc e n e t 的设备的方 法：w i n d o w sc e n e te m u l a t i o ne d i t i o n ( 仿真版) 使开发人员在没有目标硬件 设备的情况下，在运行w i n d o w s2 0 0 0 或w i n d o w sx p 的工作站上构建和测试基于 w i n d o w s c e n e t 的设计方案，从而节约了开发人员的时间和资金。 1 6 课题的主要研究内容 由于基于w i n d o w sc e 的数控系统正处于起步阶段，因此，无论在理论层 面还是在技术层面，都有许多问题需要去探索和研究。本课题的主要研究内容有： 1 ) 实时操作系统平台w i n d o w sc e n e t 的系统特征和软件开发中的关键 6 江苏大学硕士学位论文 的技术 2 ) 基于w i n d o w sc e n e t 的开放式数控系统的体系结构、软硬件的架构 和相关功能模块的软件实现 3 ) 数控系统中插补模块的研究，即样条曲线和曲面的插补算法的研究及对 插补算法的仿真验证 7 江苏大学硕士学位论文 2 1 嵌入式实时系统的相关概念【1 2 j 关于嵌入式实时系统的定义有许多，比较普遍的定义是；以应用为中心，以 计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、体积、功 耗严格要求的特定计算机系统。 术语“实时叼铂“嵌入：他们之间的关联是很密切。虽然实时系统和嵌入式系统 是同义的，但是嵌入式系统至少是一个软实时系统实时系统的定义是：能够在 确定的时间内执行计算或处理功能并对外部的异步事件作出响应的系统。由于响 应时间有严格的要求，要求实时系统所产生的结果在时间上有着严格的要求。只 有符合时间约束的结果才是正确的在实时系统中，每个任务都有一个截止期， 任务必须在这个截止期之内完成，以此来保证系统所产生的结果在时间上的正确 性。根据这一特性，实时系统可分为硬实时系统和软实时系统。对于硬实时系统 来说，如果所产生的结果不符合时间约束，那么，由此带来的错误将是严重的和 不可恢复的；而对于软实时系统来说，虽然结果的产生不符合时间约束，但由此 带来的错误是可以被接受和恢复的。 2 2 实时操作系统的分类 通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口( a p i ) ，是计算机基本组 成不可分离的一部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在o s 平台上面运行， 但一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片 上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函 数接口，用户必须自行选配实时操作系统开发平台，这样才能保证程序执行的实 时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 实时操作系统的分类方法目前尚无统一的意见，根据某个方面的特点可能就 有某种分类方法。 按系统规模的大小可分为：大系统、中系统和小系统。 按程序的支持能力可分为：多任务系统和单任务系统 江苏大学硕士学位论文 按系统的通用性可分为：通用实时操作系统和专用实时操作系统。 按照实时操作系统的实时性的强弱( 系统响应时间的长短) 可以将其大致分 为以下几种： 强实时系统：响应时间在毫秒或微妙。 弱实时系统：响应时间在秒的数量级；其系统的响应时间可能随着系统负载 的轻重而变化。 非实时系统：响应时间无严格的限制和要求，一般的通用的操作系统都是非 实时系统。 2 3w i n d o w sc e n e t 的结构分析【1 3 - 1 5 1 2 3 1w i n d o w sc e n e t 操作系统核心特性 1 内存的架构 f m 肼 c 2 舢 o o 4 2 0 0 q 咖咖 3 e o 0 峨吣 0 4 0 瑚 哪0 咖 图2 1w i n d o w sc e n e t 内存布局 w i n d o w sc e n e t 提供了灵活的内存访问机制，使系统中不同类型的应 用程序可以充分的使用系统提供g r a m 、i 的m 以及闪存，并有选择的有效利用 处理器提供的虚存保护等功能。内存管理可以分为三个部分：物理页面管理，主 9 肼 哪 蛐 哪 姗 江苏大学硕士学位论文 要负责跟踪系统的物理内存的使用情况，为换页程序抓取可用的物理页面，释放 不使用的物理页面等：虚存管理，主要管理系统的地址映射，页面的换进换出等； 堆管理，主要管理进程空间内部的动态内存释放与回收，以支持程序的动态数据 结构。在系统 3 2 位的虚拟地址提供t 4 g 的虚存空间，对于嵌入式应用来说， 内存一般较小，因而系统在使用内存方面做了些限制，以实现更高效的存储管理。 这些限制包括：大量的系统保留空间，这些地址空间实际上经常不映射到任何物 理页面；系统进程数量最多只有3 2 个，每个进程的实际可使用的内存空间受限制 ( 3 2 m ) ；有固定的进程共享内存；有r o m 地址的映射等 w i n d o w sc e n e t 约定使用的内存布局如图2 1 所示。 2 调度 w i n d o w sc e n e t 操作系统提供了多级别的调度能力，它的调度器基本上 可以看成一个具有增强实时性能的、更多体系结构支持的、结构简化的w i n d o w s x p 的调度器 进程 进程结构比较简单，系统最多支持3 2 个独立的进程，进程空间为3 2 m 。 线程 核心的基本调度单位 s m p 不支持 调度算法 2 5 6 优先队列的抢占式调度，同优先级线程采用时间片轮转调度。2 5 6 个基本 的优先级可分成8 个大的级别，持有t h i 也a d - p m o i u t y - i m e - c m t i c a l 标志 的的优先级别不能被强占 调度状态 六种基本状态，转换关系较为简单。 配额 没有时间配额策略，大约采用1 0 m s 左右的时间片 多用户 不支持多用户。 i p c 江苏大学硕士学位论文 不支持命名管道，不支持资源句柄的复制和继承等操作，使用共享内存的形 式比较普遍。 3 实时能力 实时操作系统的测试标准通常有：中断响应时间，任务响应时间和任务切换 时间。 中断响应时间( i n t e 姗p ts e r i v c er e s p o n s e ) 中断响应时间是从中断陷入到第一条中断服务程序指令开始运行之间的时 间。它还应该包括核心的中断等待时间，即核心本身在响应中断以前的时间。如 图2 - 2 所示。 图2 - 2 中断响应时问 任务响应时间( t a s kr e s p o n s et i m e ) 任务响应时间是指中断发生后任务开始执行的时间，它包括中断响应时间加 上中断服务执行，重新调度以及恢复被中断任务的时间。如图2 。3 所示 图2 - 3 任务响应时间 任务上下文切换时间( t a s kc o n t e x ts w i t c h i n g ) 任务上下文切换时间包括：保存被抢占任务的正文，加载新任务正文以及重 新调度使得新任务开始运行这几个过程所需的时间。 w i n d o w sc e n e t 实时能力的设计目标参考了大量g w t g 的调查研究，它 江苏大学硕士学位论文 的设计目标可以适应大部分( 大约9 5 * , ) 硬实时系统的需求：l m s 定时周期的误 差约为1 0 0 z ，在2 0 0 m h z 的x 8 6 系统下可以期望达到5 0 胛。w i n d o w sc e n e t 的中断响应时间，和中断处理方式密切相关，当采用在i s r 中直接处理时，响应非 常短，较长的响应时间通常发生在采用i s t 方式处理中断事务的情况，调度系统 保证在此种情况下的延时不超过1 0 0 t f 3 设备驱动程序 w i n d o w sc e n e t 集成了大量的设备驱动程序，它们作为系统特性存在， 在p l a t f o r m b u i l d e r 中可以方便地从一个特定的平台配置中加入或者删除。这些驱 动程序涵盏的面很广，包括了大多数常用的设备类中的典型产品，例如n e 2 0 0 0 兼 容性网卡、标准触摸屏等。 w i n d o w sc e n e t 的另一个显著特性是系统提供类驱动程序模型以及实 现的类驱动程序，例如i e e e l 3 9 4 火线设备类型驱动程序，开发者只要根据模型 实现驱动的底层部分就可以支持一种具体的1 3 9 4 设备。这些类驱动程序模型为应 用程序的公共接口提供了可能性，典型的应用模型就是d i 托c t x 接口，应用开发者 可以根据d i r e c t x 接口高效率地访问设备驱动程序和硬件。 4 高级电源管理 高级电源管理是作为设备管理模块的一个部分实现的，在w i n d o w s c e n e t 设备管理部分中，电源管理器提供了一个符合a c p i 标准的电源管理基本 接口，并使用设备管理的事件传递机制处理相关的电源事件实际电源管理的实 现者则是电源管理驱动程序( 它实现电源管理接口) 和每种具体的设备驱动程序 中的电源管理例程。 2 3 2w i n d o w sc e n e t 应用系统基础设施 1 应用程序接口 w i n d o w sc e n e t 提供了符合w i n d o w s 平台标准的开发环境，它实现 了w i n 3 2a p i 的一个子集，覆盖了大部分的w i n 3 2 功能m f c 和a r l 也包括在 w i n d o w sc ea p p l i c a t i o nf r a m e w o r k s 中，它们主要用于支持使用m i c r o s o f t v i s u a lc + + 语言来开发w i n d o w sc e n e t 的应用程序，类似于w i n 3 2a p i - - 者提供了应用接口层的w i n d o w s 平台的可移植性。 江苏大学硕士学位论文 2 网络通信 w d i d 0 w sc e n t 网络模块的设计目标主要体现在以下几点 高效能：提供最好的网络( 无线和有线) 应用平台。 包容力：支持广泛的网络类型和选项 易使用：通过系统提供的a p i ，用户可以容易地开发出各种网络应用。 可拆卸：这是整个网络系统构架的特征，系统可以拆成很多独立的部分， 应用系统可以根据需要选择其中的一部分，这样可以降低系统的开销， 使系统更加灵活 3 数据存储 w i n d o w sc e n e t 提供了三种类型的文件系统；基于r a m 的文件系统、 基于r o m 的文件系统，以及用于支持a t a ( a d v a n c e dt e c h n o l o g ya t t a c h m e n t ) 设备和s d r a m 卡等外围存储设备的f a t 系统 4 图形用户界面 w i n d o w sc e n e t 的图形窗口事件子系统( o w e s ，g r a p h i c sw i n d o w sa n d e v e n t ss y s t e m ) 集成了w i n 3 2a p i 、用户界面( u i ，u s e ri n t e r f a c e ) 、图形设备 接口( g d i ，g r a p h i c sd e v i c ei n t e r f a c e ) g w e s 构成了w i n d o w sc e n e t 的 窗口、对话框，各种常规控件、菜单以及资源，这些特性使得使用者可以方便的 操纵应用程序。o w e s 提供了灵活的可配置性，并且支持电源管理。即使没有图 形界面的系统同样可以使用窗口、消息机制以及电源管理的特性。 5 多语言和国际化支持 w i n d o w sc e n e t 从核心支持u n i c o d e 字符集标准，包括中、日、韩等国 的语言支持，多语言的用户界面，m u i 是w i n d o w s2 0 0 0 ，所具有的诱人特色 之一，在w i n d o w sc e n e t 中，这一特色也被引入，开发者可以通过m u i 函 数构造自己的支持多种语言操作界面的软件。因此系统具有良好的多语言显示能 力另外它还包含了中、日、韩三国语言的输入法，其中汉语的输入法最为复杂， 基本输入法的使用和功能与一般桌面w i n d o w s 系统的输入法相似。 6 安全 w i n d o w sc e n e t 提供安全机制帮助用户实现安全的网络通信( 通过s s l 实现) 、安全数据存储、标准加密体系、标准认证机制等。系统主要提供了三个 江苏大学硕士学位论文 模块的辅助安全系统的实现：c r y p t o a p i s ，安全服务接口( s s p i ，s e c u r es u p p o r t p r o v i d e ri n t e r f a c e ) ，i 妇s s p ( s e c u r es o p p o r tp r o v i d e r ) 具体实现，w i n s o c k 的 s s l 实现( 通过实现s s p 的服务者) 7 应用集成 w i n d o w sc e n e t 为了给应用开发者带来便利，随同开发系统发布了许多 应用程序，系统开发者可以将这些经过授权的应用程序连同产品一起出售。这些 应用程序包括：浏览器产品i n t e m e t e x p l o r e r ，面向嵌入式应用的o f f i c e 组件( 例如 p o c k e tw o r d ) ，w i n d o w sm e d i a 技术，r d p 远程桌面客户等 2 3 3w i n d o w sc e n e t 嵌入式系统支持 i 高度模块化，系统可配置 高度模块化，系统可以配置，嵌入式操作系统的一大特点即可裁减、可配置 w i n d o w sc e n e t 的这一特点很明显，它具有一个很小的n k ，基本只实现调度、 内存管理，和核心a p i ，它们构成了一个整体；其余大部分功能都在单独的模块 中实现。例如文件系统( f i l e s y s e x e ) ，图形用户界面( g w e s e x e ) ，设备管理模块 ( d e v i c e e x e ) 。服务管理模块( s e r v i c e e x e ) 等，同时在这些大的模块内部，良好 的结构也支持更细粒度的模块化，比如通信模块的结构模块化程度很高，具有很 大的可扩展性在w i n d o w sc e n e t 中，每一个功能模块可以称之为一个特性 ( f e a t u r e ) 这些模块可能是独立的也可能有一些依赖关系，于是，开发者可以 通过一定的方法选择一些特性进行组合，生成一个开发的原型系统，而背后的模 块组织、编译、装配等工作可以由这些工具完成。 可配置实际上是指在利用p l a t f o r mb u i l d e r g ) j 建系统镜像的过程中。这个镜像 包含了操作系统的核心、内存中的文件系统、存储的程序文件和文档，系统配置 文件、注册表数据库等整个创建过程可以分为四个阶段：c e s y s g e n ，b s p ， b u i l d r e l ，m a k e i m g 。 c e s y s g e n 阶段 这一阶段是通过c e b u i l d b a t 和s y s g e n b a t 两个脚本控制。主要依据项目配置产 生基本的系统配置文件，它们主要处理四类文件，b i b 文件说明需要打包进镜像文 件的w i n d o w sc e 文件例如某个程序文件的存储位置；d b 文件是w i n d o w s c e n e t 对象存储数据库描述；r e g 文件是系统注册表文件，整个处理过程可以看 江苏大学硕士学位论文 成对以上几个文件的预处理过程，做的主要工作就是将系统的这类文件的模板变 换成符合系统需求的形式，好像一个过滤器 b s p 阶段 在这一阶段w i n d o w sc e n e t 系统工具将编译链接被包含在特性中的任 何的b s p 驱动程序以及o a l 源代码，这一阶段系统会使用两类文件确定需要哪些 源代码或者库文件：系统配置( 需要编译哪些模块) 和m a k e f i l e ( 编译哪些代 码，使用什么样的规则编译) 。后者和一般的m a k e 系统使用的m a k e f i l e 不一样， 它包含两个文件d i r s 和s o u r c e s ，前者给出了代码位置，后者是针对每一个文 件的编译规则。 b u i l d e r 这一阶段的工作主要是拷贝那些已经编译好的东西以及将系统必须的各种 文件拷贝到一个特定的目录下，这些内容即构成一个操作系统镜像文件的基本内 容 m a k i n g 构造镜像文件是要做三件事。第一步，将前面生成的配置文件按类别分别组 合成一个主配置文件，名字分别为：c e b i b ( b i ) ，i r t i t o b d a t ( d a t ) ，r e g i n i t i ( r e g ) 第二步，从新装配所有可执行文件的资源，以适应当前的语言配置第三步，对 镜像内部进行布局，例如构造一个只有一个根的文件系统，链接装配所有就位的 可执行程序( 当镜像被拷贝到内存的特定位置后就可以执行的程序) ，映射r o m 中的程序到文件系统的w i n d o w sl 习录，最后产生操作系统镜像文件n k b i n 。 2 易于向其它硬件平台迁移 多平台支持是嵌入式系统的一个重要特色一般来说，对系统支持需要在两 个层面实现