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基于w i n d o w sc e n e t 数控系统实时控制的关键技术 摘要 论文综述了开放式数控系统当前国内外发展现状，然后分析了目前数控系 统体系结构和开发平台的优缺点，提出w i n d o w sc e n e t 作为新型数控系统的 软件开发平台，并进一步说明了选择该平台的原因和优越性。本文所研究即为 基于w i n d o w sc e n e t 数控系统实时控制的关键技术。 论文阐述w i n d o w sc e n e t 操作系统结构、注册表、进程、线程和内存管 理，因为这些是研究w i n d o w sc e n e t 数控系统的基础。根据新型数控系统的 概念模型，详细地介绍新型数控系统的硬件平台、基于w i n d o w sc e n e t 的数 控系统的软件开发平台。针对数控系统实时性高的特点，从w i n d o w sc e n e t 的中断机制更进一步的阐述了数控系统中断实时控制的实现。为了数控系统中 实时控制的实现，分析了设备驱动程序的类型之后，采用流接口驱动程序开发 定时器卡的驱动程序。针对插补控制的要求，选择了新型数控系统所采用的插 补算法和速度控制的方法。最后，着重分析了整个新型系统的软件结构，并提 出系统底层实时控制的软件结构和实现底层实时控制中插补模块。 关键词：开放式数控系统w i n d o w sc e n e t 中断机制 驱动程序实时控制 插补 t h ek e yt e c h n o l o g i e so fr e a l t i m ec o n t r o lo fc n c s y s t e m b a s e do nw i n d o w sc e n e t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ec u r r e n ts t a t eo fo p e n - a r c h i t e c t u r ec n cs y s t e ma th o m ea n d a b r o a di si n v e s t i g a t e d ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs y s t e ma r c h i t e c t u r ea n d d e v e l o p i n gp l a t f o r mi np r e v a l e n tn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e d ，w i n d o w s c e n e ti sc h o s e nt ob et h es o f t - d e v e l o p i n gp l a t f o r mo fn e wn u m e r i c a ls y s t e m ，a n d t h er e a s o nw h ys u c hp l a t f o r r ni ss u p e r i o rt oo t i l e r si si n t r o d u c e d t h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e ri st h ek e yt e c h n o l o g i e so fr e a l t i m ec o n t r o lo fc n cs y s t e mb a s e do n w i n d o w sc e n e t h eo p e r a t i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h er e g i s t r y , t h ep r o c e s s ，t h et h r e a da n d m e m o r ym a n a g e m e n to fw i n d o w sc e n e ti se l a b o r a t e di nt h i sp a p e rf o rt h er e a s o n t h a tt h es t u d yo fn e wn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mi sb a s e do ns u c ht h e o r i e s a c c o r d i n g t ot h ec o n c e p t u a lm o d e lo fn e wn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo f n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma n dt h es o f t w a r ep l a t f o r mb a s e do nw i n d o w sc e n e ta r e b o t hp r e s e n t e d i nl i g h to ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs y s t e m a t i cr e a lt i m e ，t h e a c h i e v e m e n to ft h ec u t t i n g - o f fr e a l t i m ec o n t r o lf r o mt h em e c h a n i s mo ft h e c u t t i n g r o f fr e a l t i m ec o n t r o lo fw i n d o w sc e n e ti sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i no r d e r t oi m p l e m e n tt h er e l - t i m ec o n t r o lo fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，t h ed r i v e ro fat i m e r c a r di sd e v e l o p e db ya p p l y i n gs t r e a m - i n t e r f a c ed r i v e rm o d e la f t e rt h es t y l eo fd e v i c e d r i v e ri sa n a l y z e di nt h i sp a p e r f u r t h e r , t h ei n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i cm a dt h es p e e d c o n t r o la r ed i s c u s s e d f i n a l l y , t h es o f t w a r es t m c t u r eo f n e wn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m i sa n a l y z e d ，t h el o w e rr e a l t i m ec o n t r o li nt h i ss y s t e mi sp r e s e n t e d ，a n dt h em o d u l eo f i n t e r p o l a t i o ni sr e a l i z e d k e yw o r d s ：o p e n a r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m w i n d o w sc e n e td e v i c ed r i v e r i n t e r r u p tm e c h a n i s m r e a l t i m ec o n t r o l i n t e r p o l a t i o n 图表清单 图2 1w i n d o w sc e n e t 操终系统模型蕊。8 图3 1 新型数控系统的体系结构1 6 图3 2 人机协嗣的柔性制造单元1 7 图3 。3 数控系统腑机床控制器。1 8 踅3 4b s p 缍袋。，2 0 图3 5 定制揉作系统流程圈2 2 图3 ，6 基于w i n d o w sc e ，n e t 操作系统运行界面2 3 圈4 。i w i n d o w sc e 。n e t 中凝结构图，。，2 5 图4 2 革片驱动和分瑟驱动。3 6 图4 3 流接口驱动程序的工作结构3 7 图4 4t m c1 0 的工作原理圈。3 7 螯碡。5 中装鬏务线程的凳撰邃程。3 9 图4 6 驱动程序开发环境4 2 图5 1 直线插补原理4 4 图5 2 直线插补流程圆4 5 圈s 。3 罄甄舔於蘸理。4 5 图5 4 圆弧插补流程图4 7 图5 5 直线加减速处理过程4 9 露5 + 6 “急转”点判断愿理灏，。，。5 0 图7 如减速剿断流程圈，5 2 图6 1中断型软件结构关系图5 3 图6 2 前后台襁序运行关系图5 4 鏊6 。3 数控系绕上层软徉缝拳奄鹜。，5 6 图6 4 底层控制原理图，5 7 图6 5 插补予模块的具体实现5 8 图6 。6 插补控制运行结果。，。6 0 表格清单 表2 。i 注嚣表豹瓣裁。 表2 2w i n d o w sc e n e t 注册表根键 表2 3 标准h i v e 及其支持文件 表2 。4 内存地蜒具体分配。 表3 1b s p 的f f a 或。 表4 1 逻辑中断标识符表 逮m m 坞拍 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得盒魍王些盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者虢勃事由辩 签字日期：沙以年j 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金e 王业盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒 胆工些太堂可以将学位论文的全部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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：要峥蟛卜 签字日期：2 “年_ 月f 7 日 学1 1 ：7 ：论文作者毕业后去向： 啡单位：衩赂上i 私触撕 & 含司 通讯地址：上碍午嘞叫如酗7 8 置1 7 “。；f 导师签名 签字日期 电话： 邮编： 致谢 在我的硕士论文完成之际，首先，我要感谢我的导师王治森教授! 论文是 在王老师的悉心指导和亲切关怀下完成的，在此，谨表示最诚挚的敬意和衷心 的感谢! 导师渊博的知识、严谨求实的治学态度、诲人不倦的工作作风以及平 易近人的待人方式，给我留下了深刻的印象，也是我今后学习和工作的楷模。 导师的循循善诱、谆谆教导使我的知识和技能水平都得到了很大提高，令我终 生受益! 其次，我要感谢合肥工业大学c i m s 所的韩江教授、夏链副教授、何高清 老师、余道洋老师。他们丰富的实践经验、以及忘我的工作精神给我留下了深 刻的印象，令我敬佩与叹服。 感谢我的师兄高荣博士、董伯麟博士、蒋克荣博士在我的项目开展以及论 文的撰写阶段给予的帮助和支持，他们独到的见解使我得到许多宝贵的经验和 启发，与他们相处成为了我读研阶段难忘的时光。 感谢我的同学周明发、章建科、程治、姜晓林、成勇、潘斌、王建兵、郭 建强，使得我能够在平时的学习过程中与他们互相交流、互相帮助、不断提高。 感谢师弟黄晓峰、王向阳、孙芒、张栋栋、苏志远、张国权、刘向前等 给我的帮助! 衷心祝他们各位前程似锦! 感谢师妹陈为伟在学习、生活中的不断帮助和不断鼓励，使我不断的获得 前进的动力。 向论文中引用过文献的作者们，向所有关心和帮助我的老师、同学和朋友 表示感谢! 最后，特别要感谢父母的养育之恩，是父母亲数十载的辛劳、一如既往地 期待与支持，使我得以完成学业。对他们的感激之情无法言表，我只有在今后 工作、生活和学习中用辉煌成就来汇报他们的殷殷之情。 作者：姜峥嵘 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 计算机数控技术( c n c ，c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 集传统的机械制造技 术、计算机技术、成缀技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、 阚终逶谖技术、渡纛气动技术、巍辍毫菝术予一 零，是瑷代锱造疆术豹蒸疆l 。 自2 0 馓纪7 0 年代翻，小型计算机逐渐普及并应用于数控系统，数控系统的许 多功能幽软件实现，从而简化了系统设计并增加了系统的炎活性和可靠性，计 算机数控技术( c n c ) 从此向世。九“ 年代以后，受p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 技术飞 速菱麓滟影桶，数控系统垂赣着黻p c 穗为基稳、体系结聿驽开放、智 ；l 纯和网络 化的方向发展。 1 1 弹放式数控系统概述 现在市场对适合中小批量加工，具有良好柔性和多功能性的制造系统的需 求已逐步超过对大型单一功能的制造系统的需求。这一趋势促成了一个新概念 的产生，瑟模块化、可蘑构、可扩充的软硬件系统，这就是开放式控制系统i 甜。 i e e e 对开放式控镧系统豹定义嫠：稳稻麓在不阋厂商静吾羊中不丽平台上运行， 能与其它系统兼容，并且具有一致风格的用户交互界面 3 1 。这个定义是针对信 息技术中的开放性而畜的。开放式数控系统作为一种开放式系统，其核心是建 立一秽囱数整系绞戆硬簸薛开笈囊、掇露裁遣囊程最终蠲户都玎敖鲍体系绫秘 和标准，使数控系统不依赖于特定厂家，达到w 互联、可互操作、可黉嘏和可 互换的目的【4 】。 通过以上分析可知，开放式数控系统应其谢以下五个基本特点：嘲一系 歹l 逻辑上猿立戆秘残要素缓戒；疆供系统各令稳残要素与系统之闻袋翻麓完 善规范和标准，来自不同厂商的符合规范的构成要素能够构成一个完照的数控 系统；能够动态改变系统的拓扑结构；能够实现与其它自动化系统与软件 模块的亘操作；熊够提供一致性好毂人极爨蕊【5 i 。 2 国内外开放式数控系统研究现状 1 2 1 照外研究现状 从2 0 世纪8 0 年代开始提出开放式数控的概念之后，各阉相继启动了自己的 研究计划，其中最有影响的是美国的“开放式、模块化体系结构控制器” o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) 计划，欧洲的“自动化系统巾开放 髂系缭褥”o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef e rc o n t r o l sw i t ha u t o m a t i o n s y s t e m s ) 计划和日本的“控制器的开放式系统环境”o s e c ( o p e ns y s t e m e n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 计划忡j 。 1 美国的o m a c 计划 该计划是由克莱斯勒、福特和通用三大汽车公司于1 9 9 4 年发起组织的，其 主要目标是降低控制系统的投资成本和维护费用，缩短产品开发周期，提高机 床的利用率，提供软硬件模块的“即插即用”和高效的控制器重构机构，简化 新技术到原有系统的集成，从而使系统易于更新换代，尽快跟上新技术的发展， 并适应需求的变化。由于o m a c 的成员是控制器的用户而不是开发商，这就决 定了它的产品化、实用化步伐不可能很快。o a m a c 自身也意识到这一问题， 目前正逐步同o s a c a 等进行联合。 2 欧洲的o s a c a 计划 该计划是在1 9 9 0 年由欧共体国家2 2 家控制器开发商、机床生产商、控制 系统集成商和科研机构联合发起，并于1 9 9 2 年5 月正式得到欧盟的认可，纳入 欧盟e s p r t t - i i i 项目计划。它分三个阶段实施。第一阶段为o s a c a i ，在1 9 9 4 年结束，完成了o s a c a 规范和应用指南的定制；第二阶段为o s a c a i i ( e s p r i t 9 1 1 5 ) ，在1 9 9 6 年4 月结束，完成了按规范对标准的通用的系统平台 开发，并用来调试、验证、扩展第一阶段的各种规范；第三阶段为i d a s o s a c a 一( i n f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o na n d a w a r e n e s s a c t i o n ) ，于1 9 9 7 年1 月开始，着 手推广o s a c a 思想及前期工作成果，进而为使o s a c a 成为自动化领域的通 用国际标准而努力。o s a c a 通过对现有控制系统的详细分析，提出一个“分层 的系统平台+ 结构功能单元”的结构。o s a c a 认为一个开放控制系统应该以 个系统平台为基础，由一组逻辑上离散的部件组成，控制系统本身不带有平台 的任何信息；在平台之间定义了很好的接口，允许不同供应商提供的组件之间 协调工作；控制器可以运行在不同的系统平台上。 3 日本的o s e c 计划 该计划是由日本的东芝机器公司、丰田机器厂和m a z a k 公司三家机床制造 商和日本i b m 、三菱电子及s m l 系统公司共同组建，其目的是建立一个国际性的 工厂自动化( f a ) 控制设备标准，并开发新一代基于p c 平台、性能价格比高的开 放体系结构数控系统。 到目前为止，o s e c 的系统结构与其它开放体系结构一样，也只是处于实 验阶段，并未形成商业化的产品。 1 2 2 国内研究现状 我国在2 0 世纪9 0 年代中期己丌始了具有自主知识产权和定开放特性的数 控系统的研发，代表产品有华中i 型、中华i 型、航天i 型和蓝天i 型。目前， 国内对开放式数控系统的研究形成了以下几个方向： 1 基于软件芯片的开放式数控系统8 1 2 华c p 科技大学提出了基于软件芯片的开放式数控系统的实现模式。张该实 凌模式中，道造藤数羧较终豹标蕊纯与囊菱诧豹磅突，运蠲嚣自对蒙翡瓤裁， 把数控系统的功能避行抽象，并进行封装，将数控软件设计成其有稳定邋用的 接口，可以重用的软件芯片，每一个软件芯片究成数控系统的一个独立模块功 能，并邋过建立一个数控系统软体芯片集成开发环境数控系统软件旗片库 臻来对软传芯片遗雩予簦理，溺户哥戮霹鞍 孛芯片痒遗行捻素，测整疆及维护， 还可以添加自己制作经过测试证明合格的新的软件芯片。 2 撼于数字伺服现场总线技术的开放式数控系统【9 】 现场总线技术霹骧犍大量的劳牙信号转化为事行信号，瓤髑电缆或光缆霉 鼓在上薅台设备之间实时传递上千路的信号当自管现场总线接口和数据交换大 多遵循s e r c o s ( s e r i a lr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 协议。基于现场总线技 术的特点，可以通过s e r c o s 实现工业控制计算机和数字伺服系统、传感器和 可缡程羧剃爨i o 之闼瓣实露逶结。在基于p c 凝积数字髑l 羹疆场慧线s e r c o s 技术的开放式数控系统中，其硬件结构只由两块板卡组成，分剐是工控p c 计算 机母板和s e r c o s 主控卡：其系统软件采用w i n d o w s 系列操作系统并进行实 时控制功努g 扩展，馒它能够满足数控系统的实时性要求。c n e 系统软件内n c 内核弱p l c 痰孩缓簸，箕瘟爰软传翔髑户提供一令应蠲巧瀵帮一缰舞准的系统 功能函数。用户可以农应用软件屡编写程序，调用n c 内核的控制功能以自己 所要求的方式控制系统的运行，与自己的产品燃配，满足特殊控制功能要求， 也可以在系统上直接运嚣来蠡其熊软终开发藏豹痰鼹程序巍舞发工具。 3 旗子c o m 缀伟技术的开放斌数控系统l 捌 可蘸构软构件的丌放式数控系统就是在c 0 m 技术的基础上提出来的。基 于可重构软构件的开放式数控系统的基本思想楚：采用软构l 牛实现数控系统的 模浃功熬( 翔设诗、绦终蔑翅、鸯羹王工艺控熬、运魂，事俘控簌、疆，设备按裁等 功能) ，通过标准的接口卡把数控系统的软件和机床连接起柬，形成一套简洁、 通用、燃有更好开放性的数控系统。基于软构件的开放式数控系统开发环境类 似于一个装配车阀，它为数控软襁传提供一令缎装环境和缀装蛇“框架协议”， 在该野教环境中可悫调瘸掰霰的软掏锌，然后渡数控系统酌要求和各种控铡关 系，对产品进行软设计、软连接、软调试，肖黛形成数控系统的成品。 1 3 开放式数控系统的体系结梅萃西秀发平垒 1 3 1 开放式数控系统的体系结构 l 。“n c + p c ”绻构的开放式数控系统 数按系统豹主溅厂家，磐f a n u e 、s i e m e n s 笛基本主都楚聚弱该结秘，鄂在 它们原有的封闭式数控系统( n c ) 上将p c 机集成进去。在这种模式下，数控 系统的主要功能，如运动控制、p l c 、机床调整、系统管理等模块仍基于其原 有的体系，而p c 部分则提供开放式人机界面( h m i ) 和支持联网功能。“n c + p c ” 模式是主流厂家既要走向开放体系结构，又要充分利用和保持他们的传统技术 ( l e g a c y ) 的兼容性而采用的策略( 这有些类似于m i c r o s o f t 曾经长期让w i n d o w s 与d o s 并存的局面) 。其所带来的问题就是数控体系结构( 无论硬件或软件) 庞大，增加了成本，更限制了对高速发展的计算机新技术的及时采用。 2 “p c + 运动控制器”结构的开放式数控系统 “p c + 运动控制器”，这是当前大多数研发基于p c 的开放数控系统的单位 采用的模式。以美国和我国较为普遍。它的特点是以基于w i n d o w s n t 2 0 0 0 ，) ( p 的p c 机来实现数控系统的主要功能，但另加运动控制卡来完成实时性要求很高 的运动控制。 由于主要的数控功能有p c 实现，没有传统技术( l e g a c y ) 约束，具有更好 的开放性。但是在其体系结构，系统标准和开发( 编程) 模式等关键问题上还 缺乏系统性的研究。而且运动控制卡的开发视不同的硬件和厂商而定，缺乏通 用标准和开放性。 3 全软件丌放式数控系统 全软件数控系统是指c n c 的全部功能，例如译码、位置控制、插补等，均 由软件模块来实现，并通过装在p c 扩展槽中的接口卡来实现对伺服驱动单元和 i o 控制。浚类型数控系统有可分两类：基于w i n d o w sn t 2 0 0 0 x p 等系列操 作系统+ 第三方实时操作系统内核( r t x ) ；基于嵌入式实时多任务操作系统。 前者的典型产品有美国m d s i 公司的o p e n c n c ( 主要采用通用的w i n d o w s 系 列操作系统和美国v e n t u r c o m 公司的实时软件r 1 、x ) 、德国p o w e r a u t o m a f i o n 公司的p a 8 0 0 0 n t ( 主要采用w i n d o w sn t 和实时内核p a n t ) 。后者的典型产 品有f a n u c 公司的f a n u cs e r i e s1 6 0 i s 1 8 0 i s 2 1 0 i s b ( 主要采用嵌入式实时多 任务操作系统w i n d o w sc e 3 0 ) 。 全软件数控系统的优点是软件的通用性强，编程处理极其灵活，系统的丌 放性可得到最大程度的满足。因此，选用适合于数控系统要求的实时多任务操 作系统，成为此类型数控系统研究的重点内容。 我们研究的新型数控系统采用以嵌入式实时多任务操作系统( w i n d o w s c e n e t ) 为基础的全软件数控系统模式。 1 3 2 开放式数控系统的开发平台 开放式数控系统的软件平台在很大程度上决定了数控系统的工作方式、工 作效率及其开放程度。数控系统的软件是在软件平台的基础上对不同功能模块 的集成，通过分时共享或中断技术来实现数控系统的实时多任务控制。大多数 基于p c 的数控系统软件平台有d o s 、w i n d o w s 、w i n d o w sc e n e t 等几种选 择。 d o s 操作系统的实时性好，技术成熟。过去曾作为一种主流的c n c 系统 开发平台，但由于其界面制作繁锁，内存有6 4 0 k b 的“瓶颈”限制，网络功能欠 缺，缺乏保护机制，没有充分利用8 0 x 8 6 体系的硬件资源，软件开发工具也相 对落后，使得开发者花费大量的精力在界面制作和适应系统上。因此其可移植 性差，开放程度有限。基于上述理由，我们认为，尽管d o s 操作系统可以满足 很高的实时性要求，但它仍然不适合作为开放式数控系统的软件平台。 w i n d o w s 系列操作系统是非实时操作系统，其内核本质是分时内核，无法 满足数控系统的高实时需求。w i n d o w s9 8 2 0 0 0 x p 系列操作系统对资源要求非 常高，需要大容量的硬盘、这也带来了车间环境下运行的可靠性问题。所以， w i n d o w s9 8 2 0 0 0 x p 系列操作系统也不是开放式数控系统的合适的软件平台。 w i n d o w sc e n e t 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、抢先多任务实时操作系统。它具有以下 特点川： ( 1 ) w i n d o w sc e n e t 的内核经过重大改进，其实时性得到显著增强， 完全可以满足开放式数控系统的要求。 ( 2 ) w i n d o w sc e n e t 能够满足开放式数控系统的模块化、功能柔性要 求。 ( 3 ) w i n d o w sc e n e t 可以兼容市场上大量的软硬件资源，具有强大的 通讯联网功能。 尤其值得指出的是，w i n d o w sc e n e t 和w i n d o w sc e 以前的版本的重大区 别是它是m i c r o s o f t n e t 战略的组成部分，可以采用最新的n e t 的技术和开发 平台，如v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 5 等，因此对开发面向w e b 集成的新型数控系统 提供了强大的支持。 1 4 课题来源及研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目“人机协同的车间数字化制造模式一 基于移动通信的车间数字助理和掌上数控研究”。该国家基金的研究内容主要有 以下五个方面： 1 基于移动通信技术的新型数控系统的体系结构研究： 2 基于w i n d o w sc e n e t 平台的数控系统的操作系统研究； 3 运行于上述平台上的嵌入式数控系统的实时性和多线程并行机制研究； 4 蓝牙无线通信技术在数控系统中的应用研究： 5 p a l mc n c 的人机工程学设计研究。 14 2 研究内容 本论文主要研究基于w i n d o w sc e n e t 数控系统实时控制的关键技术，具 体地说，主要研究内容如下： ( 1 ) 分析各种开放式数控系统的体系结构和软件开发平台的优缺点，提出 了基于w i n d o w sc e n e t 的开放式数控系统； ( 2 ) 研究w i n d o w sc e n e t 操作系统的主要特性； ( 3 ) 研究基于w i n d o w sc e n e t 数控系统的体系结构、硬件平台和软件，1 ： 发平台； ( 4 ) 分析w i n d o w sc e n e t 的中断机制，掌握中断服务程序开发以及慕于 w i n d o w sc e n e t 数控系统的设备驱动程序开发； ( 5 ) 介绍了基于w i n d o w sc e n e t 数控系统的插补算法、进给速度控制、 加减速控制： ( 6 ) 研究基于w i n d o w sc e n e t 数控系统底层控制的软件结构，并加以实 现。 6 第二章w i n d o w sc e n e t 结构简析 2 1w in d o w so e n e t 概述 w i n d o w sc e n e t 是m i c r o s o f t 公司专门针对嵌入式产品领域开发的嵌入式 操作系统，它具有多线程、多任务、完全抢占式的特点【l 。”j 。w i n d o w sc e n e t 的设计目标是：模块化及可伸缩性能好、实时性能好、通信能力强大、支持多 种c p u 。相对于其它嵌入式系统，它具有以下一系列优点。 可移植性【1 5 ：w i n d o w sc e n e t 操作系统几乎完全是用c 语言编写的， 可以通过o e m 适配层( o e m a d a p t a t i o n l a y e r ) 适应各种平台，w i n d o w sc e n e t 支持的处理器家族主要包括a r m 系列、x 8 6 系列、m i p s 系列以及s h 系列 等。 实时性【”1 ：只要硬件支持，w i n d o w s c e n e t 内核就能支持任何级别的嵌 套中断，这样就避免了高优先级中断的丢失或延迟。另外，优先级的数量为2 5 6 个， 因此开发者可灵活地配置嵌入式系统。为避免性能降级，开发者也能把0 到2 5 5 的所有优先级限制到o e m 所指定的应用中去。 通过压缩高优先级的中断服务线程和中断服务例程的等待时间，大大改进了 线程响应时问。例如，在1 6 6 m h z 的p e n t i u m 中达到了小于1 0 n s 的i s r 等待时问 和小于1 0 0 n s 的i s t 等待时间。取消对r o m 中数据的压缩，或通过在全内核模 式下工作，性能还可进一步提高。 高度模块化：w i n d o w sc e n e t 的最大特点之一就是可裁减、可配置。 w i n d o w sc e n e t 是一个模块化的操作系统，设计者只要选择那些需要的模块 来满足指定平台的存储器要求，从而节省宝贵的存储器资源。 兼容性：w i n d o w sc e n e t 采用的a p l ( a p p l i c a f i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 实际上是w i n 3 2a p i 的一个子集，同时它支持u n i c o d e 和各种运行库( 如 m f c 、a t l 等) 。程序员可以容易地将w i n d o w s 程序移植到w i n d o w sc e n e t 上。 良好的人机界面和通讯方式：w i n d o w sc e n e t 不仅支持图形和窗口， 更具有多媒体功能。它还可以利用丰富灵活的控件库为嵌入式应用建立各种图 形界面。另外，它支持多种通讯方式、协议，包括无线网卡和蓝牙技术i ”l ，具 有开发成本低、调试简单等特点。 2 2w in d o w sc e n e t 操作系统结构 2 2 1wn d o w so e n e t 操作系统的组件模型9 1 从逻辑功能上看，w i n d o w sc e n e t 系统构成如图2 1 所示。 w i n d o w sc e n e t 体系结构图 客户睢辞弹序 应用层 i n t e r n e t 客户服务程序用户接口 w i n d o w sc e 应用程序i 国际化 客户和应用程序开发 挥7 9 8 “艋 核- c _ , d l l对象存储 多媒体技图形窗口和设备管理通信服务 柬 事件系统器和网络 内核 o ! ；i ，i驱动l 引导程序 1 l 配置文件 硬件层 剀2 1w i n d o w sc e n e t 操作系统模型图 w i n d o w sc e n e t 的体系结构主要分为四层：硬件层( h a r d w a r el a y e r ) 、原 始设备制造商j 罢( o e ml a y e r ) 、操作系统, 层( o p e r a t i n gs y s t e ml a y e r ) 矛1 应用层 ( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 。 1 硬件层 w i n d o w sc e n e t 系统所需的最小硬件配置包括w i n d o w sc e n e t 支持的 3 2 位处理器、用于线程调度的实时时钟、用于存储和运行操作系统的存储器。 通常，硬件平台应可以支持其它的外设，例如串口、网卡、键盘、鼠标等。对 一r 不同的硬件平台，需要将c e 操作系统移植到相应的平台。微软为x 8 6 、a r m 、 s h 、m i p s 等参考平台提供了完整的c e 定制方案。其中基于x 8 6 的参考平台 c e p c 是微软内部用于开发和测试w i n d o w sc e 操作系统的，它可以作为开发 w i n d o w sc e 应用程序和开发x 8 6 设备驱动的参考平台。 2 o e m 层 o e m 层界于操作系统层与硬件层之间，用来抽象硬件功能实现操作系统的 可移植性。o e m 层由原始设备制造商适配层( o a l ，o e ma d a p t i o nl a y e r l 、设备 驱动程序、引导程序、配置文件等模块组成。o a l 层提供与c p u 平台相关的硬 件小驱动程序。它与c p u 中断、内存、 时钟和调试口等核心设备相关，用于 屏蔽c p u 平台的细节，提供操作系统内核的可移植性。设备驱动程序部分为 w i n d o w sc e 提供设备控制，包括l c d l e d v g a 显示设备、 鼠标、键盘、触 摸屏、语音处理设备和扬声器、串口和基于并口的打印机、p c 卡接口和a t a 磁盘驱动器或其他存储卡、m o d e m 卡等。 3 操作系统层 在操作系统层，主要包括以下模块： 核心d l l ( c o r e d l l ) c o r e d l l 是w i n d o w sc e n e t 操作系统最为重要的组成部分之。它是处 在操作系统层和应用层之问的一个模块，目的魁为了隔离操作系统层的其他模 块与应耀瑟之闽豹联系，这襻镬系绫夔应鬟蘑遴遥c o r e d l 。寒与搡痒系缓豹孩 心模块进行通信，就便操作系统获得了一个傈护层。在系统中，c o r e d l l 屡主 要担任对外部调用系统功能进行代理的任务，它实现了系统a p l 的管理和按名 调用。 痰孩 w i n d o w sc e n e t 操作系统的内核在系统鼷行时体现为n k ，e x e ，一个占用 空间很小的文件。核心部分在整个操作系统运行中，始终运行较高的优先级和 处理器特救级别上。一般除中断铡程外，系统内其它的线程不髓捻占内核，荠 盈袭寝撅存储管理挟式下，内按慧避被禁止换国的。 内桉的主要完成操作系统的主鼷功能，如处理器调度、内存管理、辫常处 理、系统内的通信机制，以及为其他部分提供调用例程。还为系统范围内的调 试提供支特。 设备管理模块 设备管理模块是w i n d o w sc e n e t 操作系统对设备进行褥理的核心模块。 运行时袭现为d e v i c e + e x e 。设备管理模块提供基岑的设备管理、即插邸用餐理、 u o 资源蓉瑾羧及浚餐驱蘑程疼工俸瓣摹本秘涮。 图形窗口和密件系统模块 在w i n d o w sc e n e t 中，c e 操作系统将桌顽操作系统的w i n 3 2a p i 的用 户爨嚣秘熬形设备接口合共成了一个模块，鄹圈形窗口歪珏事传系统模块，又稔 为g w e s 予系统。它强运行时表璇为g w e s e x e 。它主要实瓒繁本的绘潮弓l 擎、 窗口管理、界面的事件机制等。 通信和刚络服务模块 逶绩霹嬲络鼹务模块懿主要功g 是宠或w i n d o w sc e ，n e t 攥俸系统与努赛 浏络的通信功能，并为操作系统撼供网络服务。 对象存储模块 对象存储是指w i n d o w sc e n e t 的存储内存空阕。它包攒三静类型的数摄： w i n d o w sc e 。n e t 的文 孛系统，稳绉数裕文 孛釉程序i 系统涟麓表；w i n d o w s c e n e t 数据库。其中，w i n d o w sc e n e t 文件系统又包括三种类型：基本r a m 的文件系统；基本r o m 文件系统和f a t 文件系统。 应用秘服务开发模块 在系统实际运彳亍时，这一部分瀚相当一郝分的内容被包禽在了n k e x e 中， 但实际t 它也包含了多个模块的上层对外功能的接口。在应用开发和服务开发 时，系统就是利用这一模块完成开发者的系统调用。 4 ) 艨臻垂 应用艨主要包括w i n d o w sc e n e t 应用程序、客户服务程序、i n t e m e t 客户 9 服务和国际化接口部分等。 2 2 2w in d o w sc e n e t 操作系统的注册表 在w i n d o w sc e n e t 中，注册表扮演十分重要的角色，它是一个系统数据 库，存储应用程序、驱动程序和操作系统的配置信息，通常还存储着操作系统 调用程序的状念信息。注册表的结构与磁盘的逻辑结构相似。下面就分别介绍 w i n d o w sc e n e t 的注册表的逻辑结构和它的注册表类型。 1 w i n d o w sc e n e t 注册表的逻辑结构1 刈 w i n d o w sc e n e t 的注册表结构和其他版本的w i n d o w s 操作系统的注册表 结构是类似的。注册表是一个包括关键字子树的集合，它和文件目录树一样有 层次结构。每个子树又由更低层的子树、键以及键值项组成。键相当于文件文 件系统的目录，每个键包括若干键值项。键值项相当于文件系统末端的文件， 它由键值名、数据类型和键值组成的。 注意，注册表限制见下表2 1 。 表2 1 注册表的限制 限制内容具体说明 键或值的名字2 5 5 个字苻 数据大小 4 k b 键嵌套层次 最多1 6 层 w i n d o w sc e n e t 注册表包括4 个根键h k e y _ l o c a l _ m a c h i n e 、 h e k y c u r r e n t u s e r 、h k e y _ c l a s s e s _ r o o t 和h k e y _ u s e r s 。系统提 供了丰富的对注册表访问的函数，通过这些w i n 3 2 a p i 函数，用户可以方便地 增加、删除或修改注册表的内容、读取系统的运行时信息和其他数据。在表2 2 中，我们可以看到w i n d o w s c e n e t 注册表中的4 个根键以及它们存储的内容。 表2 2w i n d o w sc e n e t 注册表根键 根键名 键值内容 h k e ( o c a l m a c h i n e 硬件及驱动程序配置数据 h k e y _ c u r r e n t _ u s e r 用户配置数据 h k e yc l a s s e s _ r o o t o l e 和文件类型匹配配置数据 h k e y _ u s e r s 适用于所有用户的存储数据 从w i n d o w sc e2 0 开始，注册表就可以存储在永久性的存储设备中，并能 够进行读取。在w i n d o w sc e n e t 中，注册表可以在任何一个文件系统中以一 个文件的形式存在。 注意，w i n d o w sc e 能以基于r a m 中堆文件的方式来实现注册表。如果 r a m 掉电，且o e m 供应商末进行注册表备份，注册表数据将丢失。这时， w i n d o w sc e 就必须重新启动，并从r o m 盘中，重新读取注册表进行初始化。 2 w i n d o w sc e n e t 的注册表类型 w i n d o w sc e n e t 支持两种不同类型的注册表：基于对象存储的注册表和 基于h i v e 结构存储的注册表。 基于对象存储的注册表 基于对象存储的注册表( r a m b a s e dr e g i s t r y ) 结构在w i n d o w sc e n e t l 0 中就实现的一种注册表结构。这种结构的注册表以系统数据对象方式存储数据。 这种方式更适合有后备电源的系统，它会使系统速度更快，占用的空