精品PPT课件--第8章-计算机控制系统软件技术基础.ppt

2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 1 第八章计算机控制系统软件技术基础SoftwareTechnologyofComputerControlSystem DepartmentofControlScience Engineering ZhejiangUniversity 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 2 本章主要内容 概述面向计算机控制的操作系统计算机控制系统中的数据库数据库的接口设计计算机控制系统的应用软件 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 3 第一节Unit1 概述Introduction 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 4 本节主要内容 计算机控制系统软件技术基础计算机控制系统软件构成计算机控制系统软件特点 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 5 7 1 1计算机控制系统软件技术基础 1 计算机应用系统中的软件系统软件工具软件应用软件数据收集部分数据分析部分输出控制部分监督部分 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 6 7 1 1计算机控制系统软件技术基础 2 计算机控制系统中软件的发展小规模的 解决单一问题的应用程序用于满足工业过程计算机控制不同规模控制系统的商品化软件规范化 系统化的软件工程程序设计 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 7 7 1 2计算机控制系统软件构成 1 系统软件计算机控制系统应用软件开发平台和操作平台应用软件监控平台软件 基本控制软件 先进控制软件 约束控制软件 操作优化软件 最优调度软件和企业计划决策软件等 按软件用途 控制与优化为第一级 最优调度和计划决策为第二级 按照分级控制系统或CIMS的观点 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 8 7 1 2计算机控制系统软件构成 2 最基本的计算机控制系统应用软件直接 控制 程序参与系统的实际控制过程 完成与各类信号的采集 处理和各类控制信号的输出任务规范服务性程序完成系统运行中的一些规范性服务功能的程序 如报表打印输出 报警输出 算法运行 各种画面显示等辅助程序接口驱动程序 检验程序 设备自诊断程序等 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 9 7 1 3计算机控制系统软件特点 1 计算机控制系统的整个组成硬件是基础 而过程控制系统软件是整个系统的关键过程控制系统软件组成系统组态程序 前台控制程序 后台显示 打印 管理程序以及过程数据库等控制系统软件实现的功能实时数据采集 闭环控制输出 逻辑控制 报警监视 画面显示和报表输出 可靠性措施 管道功能 数据通信 应用功能等 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 10 7 1 3计算机控制系统软件特点 2 衡量一个过程控制系统软件性能优劣的主要指标系统功能是否完善 能否提供足够多的控制算法系统内各种功能能否完善地协调运行人机接口是否良好系统的可扩展性能如何对过程控制系统软件设计者的要求具备丰富的自动控制理论知识和实际经验深入了解计算机系统软件 包括操作系统 数据库等既熟悉控制现场要求 又熟练掌握编程技术 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 11 第二节Unit2 面向计算机控制的操作系统ComputerControlOrientedOperationSystem 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 12 本节主要内容 操作系统的功能和任务操作系统的分类实时多任务操作系统嵌入式操作系统 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 13 7 2 1操作系统的功能与任务 1 操作系统主要目的是控制与管理计算机的硬件和软件资源 合理地组织计算机工作流程 方便各种用户使用计算机 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 14 7 2 1操作系统的功能与任务 2 不同观点看操作系统从用户的观点从资源管理的观点从进程的观点从软件层次的观点操作系统的工作方式分成三大类批处理系统 分时系统和实时系统 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 15 7 2 1操作系统的功能与任务 3 操作系统的功能作业 job 管理 脱机 和 联机 两种方式处理机 CPU 管理 作业调度 进程调度存储管理 内存分配 内存保护 内存扩充设备管理 设备分配 设备驱动 虚拟设备文件管理 文件存储与检索 文件操作 文件保护与控制 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 16 7 2 2操作系统的分类 操作系统按功能分类批处理操作系统分时操作系统实时操作系统按计算机配置分类按用户 任务分类单一 多个用户 单 多任务 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 17 7 2 3实时多任务操作系统 1 实时多任务操作系统就是能够执行多任务的实时操作系统应具备的特征异步事件响应 要有异步I O和中断处理能力切换时间短中断等待时间短优先级中断和调度抢占式调度同步 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 18 7 2 3实时多任务操作系统 2 实时多任务操作系统与批处理操作系统的区别大多数实时多任务操作系统CPU的负荷率应保证在30 之内 这样CPU有足够的能力进行 即时 响应实时多任务操作系统与分时操作系统的区别要求的实时响应时间随系统的要求而变化 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 19 7 2 4嵌入式操作系统 1 嵌入式系统同时将操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中的一种系统应用软件 操作系统与硬件系统一体化具有软件代码小 高度自动化 响应速度快等特点特别适合于要求实时的和多任务的体系是面向应用的 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 20 7 2 4嵌入式操作系统 2 嵌入式操作系统在20世纪70年代后期出现许多是用汇编语言写成的 并且仅能用于为其编写的微处理器上C语言出现后 操作系统采用一种高效的 稳定的和可移植的方式来编写目前 用C来编写操作系统己基本成为了一种标准商业性操作系统 如VxWorks pSOS Neculeus和WindowsCE等 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 21 7 2 4嵌入式操作系统 3 RTOS系统结构先后从实模式进化到保护模式 从微内核技术进化到超微内核技术在系统规模上从单处理器的RTOS发展到支持多处理器的RTOS和网络RTOS常见的RTOS及其开发工具VxWorks Tornado NucleusPLUS PSOS QNX WindowsCE Pencil 嵌入式Linux CMX TRON OSE RTXC VRTX DeltaOS 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 22 7 2 4嵌入式操作系统VxWorks 1 VxWorks美国WindRiverSystem公司推出的一个实时操作系统一个运行在目标机上的高性能 可裁减的嵌入式实时操作系统主要包括进程管理 存储管理 设备管理 文件系统管理 网络协议和系统应用等几个部分 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 23 7 2 4嵌入式操作系统VxWorks 2 高性能的实时操作系统核心wind包括多任务调度 采用优先级抢占方式 任务间的同步和进程间通信机制以及中断处理 看门狗和内存管理机制I O系统提供一个快速灵活的与ANSIC兼容的I O系统 包括Unix标准的缓冲I O和POSIX标准的异步I O文件系统快速文件系统适合于实时系统应用包括几种支持使用块设备 如磁盘 的本地文件系统 及支持SCSI磁带设备的本地文件系统 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 24 7 2 4嵌入式操作系统VxWorks 3 板级支持包BSP BoardSupportPackage 对各种板子的硬件功能提供统一的软件接口 包括硬件初始化 中断的产生和处理 硬件时钟和计时器管理 局域和总线内存地址映射 内存分配等网络设施提供了对其它网络和TCP IP网络系统的 透明 访问 包括与BSD套接字兼容的编程接口 远程过程调用 RPC SNMP 可选项 远程文件访问以及BOOTP和ARP代理网络结构如图7 2所示 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 25 7 2 4嵌入式操作系统VxWorks 4 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 26 7 2 4嵌入式操作系统VxWorks 5 先进的系列网络产品WindNetSNMP WindNetSTREAMS和WindNet第三方产品 包括OSI SS7 ATM FrameRelay CORBA ISDN X 25 CMIP GDMO 分布式网络管理等扩展了VxWorks的网络特性并增强了嵌入式处理器的网络特性虚拟内存 即VxVMI选项 与共享内存 即VxMP选项 VxVMI为带有MMU的目标板提供虚拟内存机制VxMP提供了共享信号量 消息队列和在不同处理器之间的共享内存区域 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 27 7 2 4嵌入式操作系统VxWorks 6 目标代理 TargetAgent 遵循WBD WindDebug 协议 允许目标机与主机上的Tornado开发工具相连以VxWorks的一个任务 tWdbTask的形式运行的 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 28 7 2 4嵌入式操作系统VxWorks 7 实用库VxWorks提供了一个实用例程的扩展集 包括中断处理 看门狗计时器 消息登录 内存分配 字符扫描 线缓冲和环缓冲管理 链表管理和ANSIC标准基于目标机的工具在Tornado开发系统中 开发工具是驻留在主机上的 也可以根据需要将基于目标机的Shell和装载卸载模块加入VxWorks 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 29 7 2 4嵌入式操作系统VxWorks 8 VxWorks的特点可裁剪微内核结构 最小体积小于8KB高效的任务管理 多任务 具有256个优先级具有优先级抢占和循环调度快速的 确定性的上下文切换灵活的任务间通信 三种信号灯 二进制 计数和有优先级继承特性的互斥信号灯 消息队列套接字 Socket 共享内存信号 Signals 机制微秒级的中断处理 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 30 7 2 4嵌入式操作系统VxWorks 9 VxWorks的特点 续 支持POSIX1003 lb的实时扩展标准支持多种物理介质及标准的 完整的TCP IP网络协议灵活的引导方式 支持从ROM Flash 本地盘 软盘或硬盘 或网络引导支持多处理器并行处理快速灵活的I O系统支持MS DOS和RT l1文件系统支持本地盘 Flash和CD ROM的使用完全符合ANSIC标准多个系统调用 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 31 7 2 4嵌入式操作系统VxWorks 10 VxWorks的特点 续 VxWorks板支持包 BSP 支持特定目标机的软件 如驱动程序等 和从主机通过网络引导VxWorks的BootROM丰富的操作系统选件 以满足特定应用的需求BSP开发包 BSPDevelopersKit 帮助开发人员把VxWorks移植到客户化硬件平台上VxVMI 即VxWorks的虚拟内存接口VxMP 即VxWorks多处理器支持扩展包 它允许将任务分布在多个CPU上执行以提高效率Tornado移植包 允许把基于VMEexec pSOS及其他嵌入式操作系统的应用程序移植到VxWorks上 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 32 7 2 4嵌入式操作系统DeltaOS 1 DeltaOS目前中国依靠自己的技术和力量自主开发的最成熟的嵌入式实时操作系统包括 具有高可靠性和实时性的内核DeltaCORE 嵌入式TCP IPDeltaNET 嵌入式文件系统DeltaFILE以及嵌入式图形接口DeltaGUIDeltaOS的结构如图7 5示 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 33 7 2 4嵌入式操作系统DeltaOS 2 图7 5DeltaOS结构 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 34 7 2 4嵌入式操作系统DeltaOS 3 嵌入式实时内核DeltaCORE具有良好的时间确定性和实时性 满足多种应用需要的可伸缩性 可移植性强 90 以上代码采用C编写 可靠性 支持多处理器结构的硬件环境 接口标准的开放性等特点主要管理模块包括 系统初始化管理 任务管理 用户扩展管理 中断管理 时钟 定时器管理 任务间的同步与通信管理 分区管理 堆管理 I O管理等提供灵活方便的配置接口 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 35 7 2 4嵌入式操作系统DeltaOS 4 嵌入式TCP IP网络组件DeltaNET支持多任务 适用于内存要求较小 可靠性要求较高的网络应用绝大部分源代码用ANSIC编写 具有良好的可移植性功能模块以组件的方式提供 并提供系统配置表 可以根据需要灵活配置提供Socket接口 方便用户在此基础上开发自己的网络多任务应用程序 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 36 7 2 4嵌入式操作系统DeltaOS 5 DeltaFILE管理输入 输出和文件操作的功能模块具有结构紧凑 代码量小 支持多种存储设备 可伸缩 可剪裁 可移植 开放体系结构 使用简单方便 安全可靠 支持多任务 接口标准开放等特点其结构如右图所示 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 37 7 2 4嵌入式操作系统DeltaOS 6 DeltaGUI DeltaGraphicalUserInterface 嵌入式系统中的图形用户界面 应用于各种需要图形界面的嵌入式设备可以与不同的实时操作系统集成 并支持多种输入输出设备提供一系列Windows风格的控件提供的API与Win32编程接口兼容支持中文显示和输入 各种点阵字库和矢量字库提供作图原语支持最基本的画线 矩形 椭圆等图形操作 还支持bmp gif jpeg格式的图片显示 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 38 7 2 4嵌入式操作系统DeltaOS 7 DeltaGUI 续 两种执行模式 图形服务器模式和多线程模式两个版本的库 一个Windows下的库 一个目标操作系统下的库采用消息和信号进行控件间 控件与操作者之间的通信 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 39 7 2 4嵌入式操作系统RTLinux 1 Linux继承了Unix系统的特点和设计思想 系统的内核结构基本上和一般Unix操作系统一样 由内存管理 进程管理 设备驱动程序 文件系统和网络管理等部分构成保持了与可移植操作系统接口 PortableOperatingSystemInterfaces POSIX 的兼容具备现代一切功能完整的Unix系统所具备的全部特征 包括真正的多任务 虚拟内存 共享库 需求装载 共享的写时复制程序执行 优秀的内存管理 TCP IP网络支持等 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 40 7 2 4嵌入式操作系统RTLinux 2 RTLinux是能够提供实时功能的Linux操作系统 非常适合于工业计算机控制领域提供运行特殊实时任务和终端句柄的能力采用了拟机技术 即不直接与中断控制硬件进行联系 而是通过设备仿真层进行中断控制在RTLinux中 虚拟机只负责仿真中断控制 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 41 7 2 4嵌入式操作系统WinCE 1 WindowsCE 简称WinCE Microsoft公司开发的嵌入式实时操作系统其核心由C语言开发内核提供内存管理 抢先多任务和中断处理功能内核的上面是图形用户界面GUI和桌面应用程序主要应用于掌上型PC 手持式PC 商业设备 如ATM机 以及工业控制器等 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 42 7 2 4嵌入式操作系统WinCE 2 WinCE与Windows98的区别WinCE不运行现有的应用程序WinCE有严格的内存限制WinCE有精简的运行库和APlWinCE设备通常没有鼠标WinCE硬件并不十分标准化 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 43 7 2 4嵌入式操作系统WinCE 3 WinCE的特征核心操作系统特性网络特性通信特性数据库WinCE的编程原则应用程序必须便用unicode字符集应用程序内存开销要小理解形状系数 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 44 第三节Unit3 计算机控制系统中的数据库DataBaseofComputerControlSystem 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 45 本节主要内容 数据库系统概述实时数据库分布式实时数据库 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 46 7 3 1数据库系统概述 1 数据库系统的产生与发展第一代网络型 层次型数据库系统第二代关系型数据库系统第三代面向对象的数据阵系统新型的数据库系统分布式数据库系统并行数据库系统知识库系统和主动数据库系统多媒体数据库系统模糊数据库系统实时数据库系统数据仓库 空间数据库等多种特种数据库系统 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 47 7 3 1数据库系统概述 2 数据库系统实现有组织地 动态地存储大量关联数据 方便多用户访问的计算机软 硬件资源组成的系统等功能实现数据的充分共享 交叉访问 与应用程序的高度独立性数据库系统的组成数据库 DB 硬件支持系统软件支持系统数据库管理员 DatabaseAdministrator DBA 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 48 7 3 1数据库系统概述 3 数据库与一个特定组织的各项应用相关的全部数据的汇集由物理数据库和描述数据库组成硬件支持系统一个完整的计算机系统 包括数据库服务器 大规模存储设备 网络通信设备 用户终端等 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 49 7 3 1数据库系统概述 4 软件支持系统主要包括操作系统 各种宿主语言 实用程序和数据库管理系统等数据库管理员 DatabaseAdministrator DBA 管理 开发和使用数据库系统的人员 主要有数据库管理员 DBA 系统分析员 应用程序员和用户控制数据库整体结构 负责保护和控制数据 及负责维护数据库 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 50 7 3 1数据库系统概述 5 数据库系统应用的效益体现灵活性简易性面向用户数据控制快速增加新的应用程序设计方便修改方便标准化 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 51 7 3 1数据库系统结构 1 数据库系统结构内层概念层外层 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 52 7 3 1数据库系统结构 2 外层最接近于用户 是单个用户所能看到的数据单个用户使用的数据视图 称为外模型 数据定义语言 DDL 描述得到外模式 或子模式 外模式是外部视图中每个外部记录类型的定义 是面向一个或多个用户需求的那部分数据的描述概念层涉及到所有用户的数据定义全局的数据视图 称为概念模型 DDL描述得到概念模式 或模式 模式是所有概念记录类型的定义 是数据库中全部数据的逻辑结构的描述 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 53 7 3 1数据库系统结构 3 内层最接近于物理存储设备 涉及到实际数据存储的方式物理存储的数据视图 称为内模型 DDL描述得到内模式 或存储模式 内模式是数据在物理存储方面的描述数据库管理系统在这三级结构间提供了两层变换外模式 模式变换 这个变换存在于外层和概念层之间 定义外模式和模式之间的对应性模式 内模式变换 这个变换存在于概念层和内层之间 定义模式和内模式之间的对应性 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 54 7 3 1数据库系统结构 4 数据模型表示现实世界中客观存在的实体与实体之间的联系通常把现实世界抽象成三种数据模型层次模型 用树形数据结构来表示实体之间联系的模型网络模型 用网络数据结构表示的实体与实体之间联系的模型关系模型 用表格数据来表示实体与实体之间联系的模型 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 55 7 3 1数据库系统结构 5 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 56 7 3 1数据库管理系统 1 数据库管理系统 DBMS 是某种数据模型在计算机系统上的具体实现对数据的管理通过操作系统 OS 实现与OS之间的接口称之为存储记录接口 与用户之间的接口称之为用户接口提供给用户可使用的数据语言 数据定义语言 DDL 和数据操纵 DML 语言使数据易于为各种不同的用户所共享 增进数据的安全性 完整性和可用性 并提供高度的数据独立性 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 57 7 3 1数据库管理系统 2 DBMS具有的主要功能和组成数据库的定义功能数据库操纵功能数据库的运行控制功能数据库建立和维护功能数据字典 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 58 7 3 1数据库管理系统 3 用户存取数据的过程 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 59 7 3 1数据库管理系统 4 关系数据库查询语言SQLSQL按功能分为数据定义语言 DataDefinitionLanguage DDL 查询语言 QueryLanguage QL 数据操纵语言 DataManipulationLanguage DML 数据控制语言 DataControlLanguage DCL SQL的优点或特点一种非过程化语言一种统一语言所有关系数据库的公共语言 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 60 7 3 2实时数据库 1 实时数据库的产生为满足计算机应用中实时处理数据 同时管理实时数据的需要实时数据库在计算机控制系统中的应用分析生产过程的变化规律 对生产过程进行优化监控和分析生产过程的关键数据 分析生产故障动态监控生产成本 使成本控制发生在生产过程中 以达到降低成本的目的 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 61 7 3 2实时数据库 2 实时数据库在计算机控制系统中的应用 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 62 7 3 2实时数据库 3 实时数据库系统的选型依据系统可靠性系统功能系统性能系统开销运行平台系统结构系统开放性系统安全性使用方便性 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 63 7 3 2实时数据库 4 实时数据库的时间特性系统的正确性不仅依赖于逻辑结果 而且依赖于逻辑结果产生的时间设计实时数据库系统时考虑的时间特性实时数据库中存在随着时间的推进而成为无效的数据实时数据库系统及与之交互的外部世界存在以实时方式发生的事件实时数据库系统必须及时完成活动 并产生正确结果 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 64 7 3 2实时数据库 5 实时数据库的时间特性 续 事件给活动施加的时间限制最大时间限制两个事件之间的最大时间间隔最小时间限制两个事件之间的最小时间间隔持续时间限制一个事件需要持续的时间其他方面的时间限制外部环境产生的时间限制系统性能产生的时间限制数据的时间一致性产生的时间限制同步活动产生的时间限制 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 65 7 3 2实时数据库 6 实时数据库的时间特性 续 实时应用要求系统满足时间约束条件时间约束条件就可以用任务开始时间 任务截止时间和任务周期来表示 一般用下列条件作为时间约束条件最早开始时间最迟开始时间截止时间 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 66 7 3 2实时数据库 7 实时数据库存在4种一致性约束条件数据逻辑一致性事务逻辑一致性数据时态一致性事务时态一致性 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 67 7 3 2实时数据库的体系结构 1 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 68 7 3 2实时数据库的体系结构 2 实时应用具有定时限制的数据库任务实时数据库系统的服务对象实时事务的产生源实时数据库系统内部分为三大部分资源管理实时事务管理数据管理 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 69 7 3 2实时数据库的体系结构 3 实时数据库系统必须具有下列能力数据库状态最新数据值时间一致事务处理及时实时数据库系统从结构和功能上应综合设计下列模型任务 事务模型资源模型负载模型执行模型 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 70 7 3 2实时数据库中的数据 1 实时数据库中的数据分为两种类型实时数据和非实时数据实时数据具有时间性 随着时间的推移 实时数据值便失效实时数据的定义实时数据的内部一致性实时数据的外部一致性实时数据的相互一致性数据库状态正确性实时数据的数据处理 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 71 7 3 2实时数据库中的数据 2 历史数据定时从实时数据库中得到与时间有关的数据 反映了实体在某一特定时刻的状态一般要求保存一个较长时间范围的具有一定时间间隔的历史数据才有意义一般都采用压缩存储的方法保存统计数据统计数据序列是历史数据的一种形式 可以用管理历史数据的方式进行管理在实时数据库系统中 用统计数据库存放统计值的历史数据 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 72 7 3 2实时数据库中的事务 1 事务的ACID性质原子性 Atomicity 一致性 Consistency 独立性 Isolation 持久性 Durability 事务分类只写事务 更新事务和只读事务 按数据使用方式 硬实时事务 软实时事务和确定实时事务 按关键性 数据接收事务 数据处理事务和控制事务 按功能 周期事务 非周期事务和零星事务 按到达时间 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 73 7 3 2实时数据库中的事务 2 实时事务的特性结构复杂性功能替代性结果补偿性语义相关性执行依赖性等实时事务模型 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 74 7 3 2实时数据库中的调度策略 1 优先级调度法指派优先级是要保证系统的实时性优先级常用策略有 最早放行最优先 EarliestReleaseFirst ERF 截止期最早最优先 EarliestDeadlineFirst EDF 可达截止期最早最优先 EarliestFeasibleDeadlineFirst EFDF 空闲时间最短最优先 LeastSlackFirst LSF 价值最高最优先等策略 HighestValueFirst HVF 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 75 7 3 2实时数据库中的调度策略 2 决定调度策略的基本因素脱机调度和联机调度静态调度和动态调度可调度性分析冲突避免和冲突分析不精确性事务的调度 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 76 7 3 2实时数据库的并发控制 实时数据库中的事务并发运行并存取共享数据并发控制是要控制并发事务之间的相互作用 使数据库的一致性不被破坏常采用的并发控制措施加锁的并发控制乐观的并发控制语义并发控制 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 77 7 3 2工程实时数据库 工程实时数据库的特点实用 能满足实际工程的需要一般有明确的应用目标 针对具体要解决的问题 采用的是面向问题的解决方案其目标主要有面向实时控制工程面向实时数据应用面向管理类应用实际上 工程实时数据库系统没有严格按上述方法分类 往往能够兼顾几方面的应用 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 78 7 3 3分布式实时数据库 1 分布式数据库数据库技术和网络技术相互渗透和有机结合的结果分布式数据库系统的特点分布性逻辑整体性数据透明性数据冗余度的适度增加全局的一致性 可串行性和可恢复性集中与自治相结合的控制结构 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 79 7 3 3分布式实时数据库 2 分布式实时数据库采用以分布式实时数据库为核心的监控平台软件 实现过程采集数据的共享和实时同步对于系统的实时数据以内存为存储介质对历史数据以外存 一般是硬盘 为存储介质系统通常有三类客户监控客户内部客户外部客户 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 80 第四节Unit4 数据库的接口设计InterfaceDesignofDataBase 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 81 7 4数据库的接口设计 1 数据库的接口设计目的实现数据传输 包括程序之间的数据传输和网络上的数据传输数据库接口设计包括实时数据库与用户程序的接口设计实时数据库与关系数据库的接口设计异种关系数据库之间的接口设计 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 82 7 4数据库的接口设计 2 常见的接口方法生产过程监控平台软件的研制者特别给定的接口程序用户进行二次开发实现与监控平台软件的实时数据库进行接口通过动态数据交换 DDE 进行接口采用开放式数据库互连 ODBC 进行接口采用目前最新的OPC技术实现接口 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 83 7 4数据库的接口设计 3 动态数据交换 DDE 由Microsoft公司开发的一种简单的客户机 服务器结构数据交换协议主要用于Windows应用程序之间的信息传递和数据共享 诸如文字处理系统 电子表格系统 以及数据库系统等 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 84 7 4数据库的接口设计 4 开放式数据库互连 ODBC 一种用于访问数据库的统一的接口标准实际上是一个数据库访问函数库 使应用程序可以直接操纵数据库中的数据基于SQL语言 是一种在SQL语句和应用程序界面之间的标准接口由四个部分作用组成 应用程序 application 驱动程序管理器 drivermanager 驱动程序 driver 和数据源 datasource 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 85 7 4数据库的接口设计 5 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 86 7 4数据库的接口设计 6 传统方式下的驱动程序开发的弊端重复开发不同开发商之间的驱动程序的不一致性不支持硬件特征的变化访问冲突 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 87 7 4数据库的接口设计 7 OPC OLEforProcessControl 是Microsoft公司的对象链接和嵌入技术在过程控制方面的应用利用Microsoft的COM DCOM对象模型和ActiveX技术 为实现世界范围内所有的自动化软硬件的互操作性 提供一项规定 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 88 第五节Unit5 计算机控制系统的应用软件AppliedSoftwareofComputerControlSystem 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 89 本节主要内容 计算机控制系统应用软件的需求应用软件设计技术应用软件开发环境及平台计算机控制系统应用软件设计商品化的工业控制软件 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 90 7 5 1计算机控制系统应用软件的需求 1 现代化工业的特点向着大型化和复杂化方向发展现代化工业对自动化的要求实现大规模工业生产过程安全 平稳 优质 高效企业综合自动化的层次结构及运行模式控制层 时间为秒级 生产装置优化层 小时级 企业生产最优化调度 以天或旬为单位 企业长期计划决策 按月 季或年进行 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 91 7 5 1计算机控制系统应用软件的需求 2 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 92 7 5 1计算机控制系统应用软件的需求 3 开放式计算机控制系统的集成环境软件包括将各个功能软件模块集成起来及时完成信息的上传 下达和存储完成人机交互的媒介作用满足功能软件模块对信息不同的实时性要求完成对计算机资源 进程和任务的管理和调度系统环境软件构成操作系统 网络及有关接口的驱动程序 实时数据库和人机界面等 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 93 7 5 1计算机控制系统应用软件的需求 4 监控平台的概念以实时数据库为核心 具有组态功能的通用软件能提供方便地用组态方式实现实时数据的显示 历史趋势的显示 棒图显示 动态数据流程的显示等 形成各种打印报表 并具有与各种DCS及PLC的数据通信等功能具有开放式结构 便于用户将先进控制软件及在线优化软件嵌入其主控程序中 同时它可以方便地实现先进控制系统及在线操作优化算法的投运和切除 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 94 7 5 2应用软件设计技术 1 控制系统软件设计的目的和任务设计过程通过软件的需求分析 要明确需要软件解决什么问题 而设计的作用 就是使开发出来的软件能够适应并真正解决问题设计阶段拿出的结果还不是程序 而是用伪代码或某种图形工具描述的程序的逻辑过程设计的步骤总体设计 决定软件的总体结构详细设计 决定软件中每一模块内部的逻辑过程 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 95 7 5 2应用软件设计技术 2 控制系统软件设计的基本原则抽象 abstraction 抽象是一个系统的简化描述或规范说明抽象包括 数据抽象 控制抽象 和 过程抽象 细化 refinement 实质是分解模块化 modularity 是软件设计中最古老的一条原则信息隐藏 informationhiding 一个模块内部的数据与过程 应该对没有必要了解这些数据与过程的其它模块隐藏起来其他 一致性 完整性 可验证性等 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 96 7 5 2系统设计方法 1 系统设计方法按照某种有规则的方法来构造所需的软件系统面向数据流设计和面向数据结构设计软件系统的数据流图 DFD 描述软件系统的数据从输入到输出的流程 适用于几乎所有的顺序处理软件数据结构描述软件系统的输入和输出的数据结构 适用于数据处理和输入与输出数据结构相似的软件系统早期的高级语言都是面向过程的 用它们来进行编程 设计者必须要考虑程序对数据的处理过程和数据结构产生出的矛盾 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 97 7 5 2系统设计方法 2 面向对象设计随着C Delphi等一批面向对象语言的出现 设计人员用 对象 和 消息传递 直接映射客观系统中的 实体 及其 相互关系 变为可能 使得用这类工具设计出来的程序 其结构可与客观系统的抽象模型相同或相似面向对象设计的最大优点改变了按照语言结构来分析问题的传统思维方式 转而按事物的本来面貌来认识系统 建立其抽象模型提高了软件的可重用性 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 98 7 5 3应用软件开发环境及平台 软件开发环境要求有合适的语言 良好的软硬件工具 有效的编辑和调试手段 以及尽可能丰富的实用程序运行环境基本平台泛指由主机 外部设备 网络产品以及操作系统 如WindowsNT 及其界面环境 如PCTools 集成起来的基本开发与操作环境可分为 硬件平台 和 软件平台 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础 99 7 5 4计算机控制系统应用软件设计 设计的目的任务计算机控制系统的软件设计是要把一个实际的控制需求变换成软件的表示过程 从描绘出软件的总框架开始 然后进一步细化 在此框架中添入细节 把它加工成在程序细节上非常接近于源程序的软件表示 概要设计过程将软件需求转化为数据结构和系统结构详细设计过程过程设计 2020 4 1 第七章计算机控制系统软件基础