摘要：為了解決高檔數(shù)控系統(tǒng)對控制軟件實時性的要求，提出了分時并行處理的設(shè)計方法，以實時環(huán)境下多線程技術(shù)的原理為依據(jù)，用Delphi提供的多線程編程組件完成了系統(tǒng)線程的具體實現(xiàn)，并且以開發(fā)實例的方式給出了多線程技術(shù)在實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)實時響應(yīng)中的應(yīng)用。實時多任務(wù)的實現(xiàn)，顯著提高了CPU的利用率，并使系統(tǒng)的可靠性得到了保證。
關(guān)鍵詞：高檔數(shù)控系統(tǒng)；分時并行處理；實時控制；多線程技術(shù)

0 引言
實時性是數(shù)控系統(tǒng)一項重要的性能指標。
通信在IPC(Industrial Personal Computer)與運動控制器構(gòu)成的開放式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)平臺上，雖然這種主從式結(jié)構(gòu)，確保了運動控制指令在運動控制器內(nèi)高速、實時的被執(zhí)行，但在PC平臺上，仍需要完成諸如實時顯示、預(yù)處理計算、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等許多任務(wù)。為了保證系統(tǒng)的實時性能，擬采用多線程技術(shù)，通過多任務(wù)并行處理的方式，提高系統(tǒng)實時性。

1 進程與線程以及多線程技術(shù)
Windows操作系統(tǒng)既支持多進程，又支持多線程。一個進程就是應(yīng)用程序的一個實例，一次執(zhí)行過程也就是調(diào)入內(nèi)存準備執(zhí)行的程序，包括當(dāng)前執(zhí)行的應(yīng)用程序的執(zhí)行代碼和程序執(zhí)行相關(guān)的一些環(huán)境信息。每個進程擁有整臺計算機的資源，無須知道其他進程在計算機中的信息。通常每個進程至少有一個線程在執(zhí)行所屬地址空間中的代碼，該線程稱為主線程，如果該主線程運行結(jié)束，系統(tǒng)將自動清除進程及其他地址空間。
線程是進程內(nèi)部執(zhí)行的路徑，是操作系統(tǒng)分配CPU時間的基本實體，是程序運行的最小單位。每個進程都由主線程開始進行應(yīng)用程序的執(zhí)行。線程由一個堆棧、CPU寄存器的狀態(tài)和系統(tǒng)調(diào)用列表中的一個人口組成。每個進程可以包含一個以上的線程，這些線程可以同時獨立地執(zhí)行進程地址空間中的代碼，共享進程中的所有資源。
Windows系統(tǒng)分配處理器時間的最小單位是線程，系統(tǒng)不停地在各個線程之間切換。在PC機中，同一時間只有一個線程在運行。通常系統(tǒng)為每個線程劃分的時間片很小(ms級別)，這樣快速系統(tǒng)的實時性就有了保障。
要實現(xiàn)多線程編程，可建立輔助線程(Worker Thread)和用戶界面線程(User Interface Thread)。輔助線程主要用來執(zhí)行數(shù)控程序、坐標顯示、動態(tài)仿真和數(shù)據(jù)預(yù)處理；用戶界面線程用來處理用戶的輸入，響應(yīng)用戶產(chǎn)生的事件和消息。

2 實時多任務(wù)的實現(xiàn)
數(shù)控系統(tǒng)軟件具有實時性和多任務(wù)兩大特點。數(shù)控系統(tǒng)中要管理和控制的任務(wù)很多，如當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)正處于加工控制狀態(tài)時，為了保證加工的連續(xù)性，在各個程序段之間不停頓，各數(shù)控加工程序段的預(yù)處理、插補計算、位置控制和各種輔助控制任務(wù)都要及時進行；為了使操作人員及時了解和干預(yù)數(shù)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，系統(tǒng)在執(zhí)行加工任務(wù)的同時還應(yīng)該及時進行一些人機交互工作，即顯示加工狀態(tài)、接收操作人員通過操作面板輸入的各種改變系統(tǒng)狀態(tài)的控制信號等。為了及時檢查和預(yù)報軟、硬件的各種故障，系統(tǒng)在運行控制程序和人機交互程序同時還要及時運行診斷程序；此外，系統(tǒng)還可能被要求及時完成通信等其他任務(wù)?？梢?，理想的數(shù)控程序，應(yīng)具有實時多任務(wù)的處理能力。
針對數(shù)控系統(tǒng)軟件的實時性和多任務(wù)性兩大特點，采用分時并行處理技術(shù)來確定數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)。分時并行處理技術(shù)是指一個處理器同時完成多種任務(wù)。系統(tǒng)用時間片輪換的方式處理和完成各任務(wù)，即按照某種輪換次序給每個任務(wù)分配一段CPU時間進行各任務(wù)的處理。從微觀上看，各任務(wù)分時占用CPU；從宏觀的角度來看，在一段時間內(nèi)，CPU并行完成了多個任務(wù)。在軟件設(shè)計中，利用Windows的多線程技術(shù)以“資源分時共享”為原則，有效地解決CNC系統(tǒng)的實時多任務(wù)問題。應(yīng)用優(yōu)先級搶占方式來進行線程調(diào)度，以滿足系統(tǒng)的實時性要求，利用時間重疊和資源共享的方法來實現(xiàn)并行處理。
2．1 系統(tǒng)線程的總體設(shè)計
Windows提供兩種線程，輔助線程和主線程。主線程有窗口，因此它有自己的消息循環(huán)，可以處理消息，使程序能夠迅速響應(yīng)命令和其他事件；輔助線程沒有窗口，所以它不需要處理消息。它可用于完成一些費時的工作，以免在由主線程處理這些工作時阻礙程序消息的處理。軟件設(shè)計時有并行要求的模塊置于獨立的線程中，以實現(xiàn)系統(tǒng)的多任務(wù)并行工作。根據(jù)對系統(tǒng)實時多任務(wù)的分析，將軟件系統(tǒng)中的線程設(shè)計為：
(1)主線程
主線程是應(yīng)用系統(tǒng)啟動時創(chuàng)建的第一個線程，其他線程都是由主線程直接或間接創(chuàng)建。主線程主要負責(zé)創(chuàng)建客戶界面、數(shù)據(jù)顯示、與客戶交互、系統(tǒng)初始化以及對其他線程進行監(jiān)控。
(2)譯碼線程
譯碼線程是由主線程創(chuàng)建的，負責(zé)程序的譯碼，并將計算結(jié)構(gòu)存入公共數(shù)據(jù)區(qū)，為通信線程提供數(shù)據(jù)來源。
(3)通信線程
通信線程負責(zé)上下位機間的數(shù)據(jù)傳輸。上下位機間的傳輸以一來一回的形式進行。通信線程接收到下位機傳來的數(shù)據(jù)，根據(jù)事先定義好的協(xié)議對它進行識別，并根據(jù)識別的結(jié)果來判斷是否需要將插補命令等傳給下位機，還需要通知主線程來處理異常情況。
通信線程所承擔(dān)的任務(wù)是強實時周期性任務(wù)，譯碼線程所承擔(dān)的任務(wù)是弱實時性任務(wù)，主線程承擔(dān)的是實時突發(fā)性任務(wù)。因此根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)實時性強弱不同，可為各個線程設(shè)置相應(yīng)的優(yōu)先級來確保實時性。主線程與進程的優(yōu)先級相同，通信線程的優(yōu)先級高于主線程，而譯碼線程的優(yōu)先級高于主線程低于通信線程。