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本篇內容主要講解“Linux 的實現原理是什么”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓丸趣 TV 小編來帶大家學習“Linux 的實現原理是什么”吧!
1 引言
90 年代以來，數控技術發展的一個重要趨勢是數控系統的開放化。目前，關于開放式控制系統的研究方興米艾，全國都在抓緊進行開放式數控系統平臺標準和規范的研究制定以及相關產品的開發。開放式數控系統允許用戶根據需要自由選擇和配置標準的硬件和軟件模塊，實現系統積本式”的集成，或者在開放平臺基礎上開發特定的功能模塊，形成適合需要的專用系統。開放式數控系統具有如卜的基本特征:
互操作性: 提供標準的數據格式、通信及交互機制;
可移植性: 系統可運行不同的軟硬件平臺之上;
可擴充性: 允許用戶對系統進行擴展或裁減;
互換性: 系統的各功能模塊可以根據需要進行替換。
開放式數控系統要求不依賴于特定的軟硬件平臺，因此選擇通用的開放系統平臺是實現數控系統開放化的重要前提。工業 PC 以其成熱的技術和穩定的性能已經在控制領域得到了泛應用，PC 機開放的體系結構也為數控系統提供了一個很好的開放的硬件平臺，在工業 PC 的基礎上進行數控系統的開發已經成為大家的共識，但是在 PC 平臺上，數控系統的多任務特性和實時性要求卻限制了通用操作系統如 DOS, Windows 等在數控系統中的應用，而在專用實時操作系統上，雖然開發數控系統比較方便，但價格昂貴，并且不利于實現數控系統的開放化。近年來，隨著 Linux 操作系統的迅猛發展，它的諸多優秀的特性得到體現，這促使了 RT-Linux Real Time-Linux)的出現，這樣數控系統就可以建立在實時 Linux 基礎之上并且保留 Linux 絕大部分好的特點，穩定性相當好，這給現代數控機床的網絡化、開放化提供了條件。
2 國內外系統的研究現狀與趨勢
近幾年 I 日_界發達國家紛紛采取措施，進行開放式數控 (ONC: Open Numerical Control) 系統的開發和研究，世界上的許多控制器生產商也紛紛推出自己的開放式控制系統，如 Hewlett-Packard 的 OAC500 以及 Delat Tau 公司的 PMAC-NC 等等。目前世界上具有權威性開放式結構控制器的標準規范卞要有三種:
(1)OMAC(Open Modular Architecture Controller): 由美國克萊斯勒、招特和通用三大汽車公司在 NGC (NextGeneration Controller，1989 年)的基礎上聯合提出的。由于 OMAC 的成員是控制器的用戶而不是開發商，從而也就決定了它產品化、實用化步伐不可能很快。事實上美國工業界認為 OMAC 是一種設計理念，而不是一種控制器的具體標準，其宗旨是“Buy Anywhere, Use Anywhere”。應用 OMAC 所定義的標準 API 可以實現節“plug play”的功能，只須設計其具體的實現方法即可。從 OMAC 提出的整體式結構分析可知，雖然其靈話性較高，可是由于其過分注重功能的分類而非資源的整合，導致其系統獨立性卜降，而且維護較困難。
(2)OSEC (Open System Environment for Controller): 由日本東芝機器公司、豐田機器廠和 Mazak 公司三家機床制造商和 IBM、三菱電子及 SML 信息系統公司于 1994 年共同提出的。其目的是開發基于 PC 機平臺的、具有高性能價格比的開放式體系結構的新一代數控系統，以適應迅速變化的市場需求。在硬件方面，OSEC 采用 PC+ 控制卡的結構，有利于層次化、模塊化、靈話配置的實現，可以充分利用現有 PC 機資源，從而有力地縮短產品的研發周期，具有較強的可操作性。可以說，OSEC 采用的是一種較現實和折中的方式，所以它的系統結構只是局限于數控系統的直接描述，適應性不夠強。
(3)OSACA(Open System Architecture for Conhol withinAutomation): 由歐盟于 1992 年提出的。OSACA 的目標之一，是使自己成為自動化領域的通用國際標準，故開始它就將研究范圍涵蓋了整個自動化領域。OSACA 借鑒 ISO 的 OSI 參考模型，通過對控制系統的詳細分析，提出分層平臺 + 結構功能單元的架構。該標準有利于實現計算機硬件的獨立性和與操作系統的無關性，可是對于數控中大量存在的機電設備的獨立性的解決并不徹底。同時，該計劃由于過于龐大，對于參與者要求過高，一直發展較慢。上述三種標準規范至今還未有完全成熱的產品推向市場，而標準本身還在不斷的改進與完善之中，且三者之間也相互借鑒。
相對于酉方國家的企業來說，我國企業關于數控方面的研究起步較晚，盡答目前國內已擁有開放性控制系統華中 I 型、中華 I 型、航人 I 型和流人 I 型，但大多是建立在 DOS 操作系統平臺上或 Windows 操作平臺，以及其他一些自行開發的專用實時操作系統之上，從數控系統發展的趨勢來看，它們還不具備開放式數控系統的本質特征。各系統所采用的體系結構并不一致，仍是自成體系，相互之間缺乏兼容性和互換性，各系統軟硬件不具備可移植性和互操作性。
3 實時 Linux 操作系統的結構與實現原理
和 Windows 一樣，Linux 本身不是一個實時操作系統，它不適用于實時性強的工業控制環境。但 Linux 是自由軟件，它的源代碼開放，這使得 Linux 內核在保留本身大部分功能的前提卜，可被修改成為一個實時操作系統。到目前為止, 全球在 Linux 平臺下開發通用實時系統主要有 2 家: 最旱的是美國新墨西哥理工學院開發的 Linux 實時內核，即 RT-Linux，另一個是意大利米蘭 DIAPM 在 RT-Linux 的基礎上開發的基于 Linux 平臺的實時應用接口, 即 RTAI。
RT-Linux 操作系統的基本工作原理是: 通過保留 Linux 基本內核實現 Linux 操作系統提供的基本功能; 避免大規模的結構改造，僅用較小的代價重新設計一個實時內核，以實現強實時性。因而可利用 Linux 系統中諸如中文圖形環境、TCP/IP 網絡等豐富的編程資源，同時實現包括底層任務創建、底層任務隊列答理、中斷任務安裝、中斷任務運行等數控設備所需的全部實時功能。
實時 Linux 系統中斷可劃分為兩組: 一組由常規 Linux 內核控制，另一組則由實時內核控制，同時設置使中斷請求首先從定向到實時內核中并加以過濾; 如果該中斷實時是實時內核中斷，則由實時中斷處理例程繼續執行; 如果是常規 Linux 內核中斷則設置標志位等待處理，僅當沒有實時中斷被執行時，才轉向常規 Linux 中斷處理例程。通過這種方法，使實時內核可以隨時中斷常規 Linux 操作系統以執行關鍵實時任務。此時常規 Linux 內核作為實時內核的一個 *** 優先級運行，當有任何更高級的實時任務請求處理時，就剝奪常規 Linux 操作系統的運行權，而轉入相應的實時任務處理程序。在極端情況卜，系統可以切斷實時內核與常規 Linux 操作系統的聯系而優先保證系統的強實時性。
RT-Linux 提供了兩種通訊機制: 一種是 FIFO，另一種是共享內存。非實時應用程序和進程通過 FIFO 和共享內存訪問數據，然后把數據放在另一個 FIFO 和共享內存中，供 RT-Linux 應用程序訪問，RT-Linux 操作系統結構及通訊如圖 1 所示。
圖 1RT-Linux 操作系統結構圖
4 基于 Linux 的開放式數控系統軟件結構
基于 Linux 的開放式數控系統符合《械設備一開放式數控系統一總則》GB/T 18759.1-2002)的國家標準，達到了總則對數控系統的開放程度定義了第二個層次: 控制裝置在明確固定的拓撲結構卜允許替換、增加 NC 核心中的特定模塊以滿足用戶的特殊要求。
(1)ONC 系統軟件整體構架
根據總則，數控軟件可分為基礎軟件平臺、應用平臺與應用程序三個層次。系統軟件將提供實時多任務 API、文件系統、通用網絡 API、各類設備驅動程序 API 等接口。應用平臺除了包含離散點 vo 控制 API、傳感器 API, 位置控制器 API 等接口外，還可以集成用戶更具系統軟件平臺提供的 API 自定義的功能組件接口。應用程序這一層含有過程控制、人機界面及系統集成與配置支持環境等三部分。過程控制包含 G 代碼即使其 DNC 組件及 PLC 組件。人機界面部分包含狀態泉示、文本編輯器、MDI 組件、自診斷組建、網絡通信組建、數據通信操作、通用菜單等組建。系統集成與配置支持環境給用戶提供一個方便易用的數控系統配置與安裝環境。基于 RT-Linux 的數控系統軟件結構如圖 2 所示，其應用程序分布在實時和非實時兩個區域。實時任務是一種可由多個線程構成的內核任務，工作在操作系統核心態的實時區，調用實時核心提供 POSIX Poitahle Operating System Interface}可移植操作系統界面)實時標準界面函數以及擴展接口服務來獲得所需的實時功能。由于實時任務需利用的系統資源有限，且要求工作速度快，往往進行一鄴簡單的實時處理。而位于非實時區的用戶進程可利用常規 Linux 操作系統提供的大量資源，例如: 網絡功能 (Network Function)、圖形功能(Graphics Function), 窗口系統(Windows System)、數據分析程序包((Data Analysis Packages), Linux 設備驅動程序(Linux Device Divers) 以及標準的 POSIX API 等。
圖 2 基于 RT-Linux 的開放式數控系統軟件結構圖
(2)ONC 系統的軟件模塊劃分
ONC 系統是全模塊化的系統結構，模塊組建具有互換性、伸縮性、互操作性和可移植性。本研究在對目前國內外若干數控系統和數控機床用戶的需求進行全面分析的基礎上，在應用程序層上又將數控系統軟件劃分為以卜幾個基本的功能模塊: 伺服控制模塊、人機交互界面模塊、代碼解釋模塊、插補模塊、PLC 控制模塊 I / O 控制模塊)、通訊答理模塊和狀態監控模塊，各模塊以界面的方式向用戶開放，通過接口參數和界面信息的提示，用戶可掌握模塊的啟動、結束和運作過程。不同模塊的內部為黑箱封裝，外部接口開放，并在此基礎上實現新系統的構建，滿足了 ONC 系統的要求。
①伺服控制模塊: 在由 I / O 信弓及插補運算得到的粗插補信息前提卜，控制機床執行機構實現精插補，按 NC 指令指定的路徑和速度運動。
②人機交互界面模塊: 此模塊主要完成系統運行前和運行中的參數設定。如菜單的答理、程序的編輯、參數的設定和文件答理等工作。
③代碼解釋模塊: 該模塊主要根據輸入的數控加工程序的語法規則對用戶編寫的零件程序進行語法、語義檢查，并進行譯碼工作，將數控源代碼中給出的各種加工信息進行分離提取，變成各種狀態和數據，再將處理的結果存入緩沖區，等待其它模塊的調用。
④插補模塊: 負責數學預處理、加減速的控制、插
補、終點判別等工作，向位置控制器輸出通過軌跡運算后的進給量。
⑤ PLC 控制模塊 I / O 控制模塊): 該模塊主要完成機床的輔助功能和機床的邏輯控制，同時也完成機床報警出錯、緊急停止等突發事件的處理。
⑥通訊管理模塊: 完成系統間的實時通訊和網絡通訊的答理。
⑦狀態監控模塊: 監控主軸轉速、壓力、切削力等。
本文按照開放式控制系統的層次劃分，把數控系統的應用程序軟件模塊分為應用單元和控制單元兩大部分，如圖 3 所示。應用中一元向用戶提供了圖形化的應用軟件環境和標準的系統功能函數，包括操作界面操作菜單, 人卜標泉示、參數設置、文件答理、加工編程等)。控制單元相當于一個高效的 NC-PLC 內核，完成基本的數控功能，包括譯碼、數學預處理、插補、I/ O 處理、實時狀態監控等。按任務實時性要求的不同，控制單元又劃分為實時任務和非實時任務，對于實時性要求不高的任務如編譯、預處理、狀態監控等在非實時域執行，而對于實時性要求比較高的任務如插補、I/ O 處理等則在實時域執行。RT-Linux 對實時任務和非實時任務按優先級統一調度。
圖 3 開放式數控系統的軟件模塊結構
到此，相信大家對“Linux 的實現原理是什么”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是丸趣 TV 網站，更多相關內容可以進入相關頻道進行查詢，關注我們，繼續學習！
