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1、2019/7/23,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 Software Technology of Computer Control System,Department of Control Science &Engineering, Zhejiang University,2019/7/23,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,2019/7/23,第七章 计算机控制系统软件基础,3,第一节 Unit 1,概述 Introduction,20
2、19/7/23,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,2019/7/23,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,2019/7/23,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
3、计,2019/7/23,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 ),2019/7/23,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
4、范服务性程序 完成系统运行中的一些规范服务功能的程序,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,2019/7/23,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,2019/7/23,第七章 计算机控制系统
5、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,2019/7/23,第七章 计算机控制系统软件基础,11,第二节 Unit 2,面向计算机控制的操作系统 Computer Control Oriented Operation System,2019/7/23,第七章 计
6、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,2019/7/23,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,2019/7/23,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,2019/7/23,第七章
7、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,2019/7/23,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,2019/7/23,第七章 计算机控制系统软件基础,17,7-2-3 实时多
8、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,2019/7/23,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,2019/7/23,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
9、),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,2019/7/23,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,2
10、019/7/23,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 、Nucleus PLUS 、PSOS 、QNX 、WindowsCE 、Pencil 、嵌入式Linux 、CMX 、TRON 、OSE 、RTXC 、VRTX 、DeltaOS,2019/7/23,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）,VxWo
11、rks 美国Wind River System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,2019/7/23,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ANSI C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
12、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,2019/7/23,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（Board Support Package） 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
13、7-2所示,2019/7/23,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）,2019/7/23,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 WindNet SNMP、WindNet STREAMS和WindNet第三方产品，包括OSI、SS7、ATM、Frame Relay、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
14、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,2019/7/23,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（Target Agent） 遵循WBD（Wind Debug）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,2019/7/23,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
15、冲管理、链表管理和ANSI C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,2019/7/23,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
16、中断处理,2019/7/23,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POSIX 1003.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ANSI C标准 多个系统调用,2019/7/23,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Boot ROM 丰富的操作系统选件，以满足特定应用的需求 BSP开发包（BSP Developers Kit），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
