實(shí)時(shí)性是數(shù)控系統(tǒng)一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)[1]。在IPC(Industrial Personal Computer )+運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成的開放式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)上，雖然這種主從式結(jié)構(gòu)，確保了運(yùn)動(dòng)控制指令在運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)高速、實(shí)時(shí)的被執(zhí)行，但在PC機(jī)上，仍需要完成諸如實(shí)時(shí)顯示、預(yù)處理計(jì)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性。
  
本開發(fā)平臺(tái)采用IPC+運(yùn)動(dòng)控制器模式的開放式數(shù)控系統(tǒng)，主要的運(yùn)動(dòng)控制由固高公司的GT400-SV通用運(yùn)動(dòng)控制器完成。它提供C語言函數(shù)庫GT400sv.lib和Windows動(dòng)態(tài)連接庫GT400.dll，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制功能[2]。數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)是將這些控制函數(shù)與自己控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶接口等應(yīng)用程序模塊集成在一起，建造符合特定應(yīng)用要求的控制系統(tǒng)。

2 進(jìn)程與線程以及多線程技術(shù)
  
Windows操作系統(tǒng)既支持多進(jìn)程，又支持多線程。一個(gè)進(jìn)程就是應(yīng)用程序的一個(gè)實(shí)例，一次執(zhí)行過程也就是調(diào)入內(nèi)存準(zhǔn)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(gè)進(jìn)程擁有整臺(tái)計(jì)算機(jī)的資源，無須知道其他進(jìn)程在計(jì)算機(jī)中的信息。通常每個(gè)進(jìn)程至少有一個(gè)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(yùn)行結(jié)束，系統(tǒng)將自動(dòng)清除進(jìn)程及其他地址空間。
  
線程是進(jìn)程內(nèi)部執(zhí)行的路徑，是操作系統(tǒng)分配CPU時(shí)間的基本實(shí)體，是程序運(yùn)行的最小單位。每個(gè)進(jìn)程都由主線程開始進(jìn)行應(yīng)用程序的執(zhí)行。線程由一個(gè)堆棧、CPU寄存器的狀態(tài)和系統(tǒng)調(diào)用列表中的一個(gè)入口組成。每個(gè)進(jìn)程可以包含一個(gè)以上的線程，這些線程可以同時(shí)獨(dú)立地執(zhí)行進(jìn)程地址空間中的代碼，共享進(jìn)程中的所有資源。
  
Windows系統(tǒng)分配處理器時(shí)間的最小單位是線程，系統(tǒng)不停地在各個(gè)線程之間切換。在PC機(jī)中，同一時(shí)間只有一個(gè)線程在運(yùn)行。通常系統(tǒng)為每個(gè)線程劃分的時(shí)間片很小(ms級別)，這樣快速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就有了保障[3]。
  
要實(shí)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(biāo)顯示、動(dòng)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。

3  數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析

3.1 線程的實(shí)時(shí)性
  
數(shù)控系統(tǒng)需要完成的任務(wù)有很多，這些任務(wù)中，優(yōu)先級的要求級別不一樣。據(jù)此，可以利用Windows系統(tǒng)的多任務(wù)、搶占式的特點(diǎn)和多線程技術(shù)將各個(gè)任務(wù)分給不同的線程，并賦予各個(gè)線程不同的優(yōu)先級，當(dāng)高優(yōu)先級的線程執(zhí)行時(shí)，即實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)需要執(zhí)行時(shí)，可以自動(dòng)地終止其他線程的工作轉(zhuǎn)而執(zhí)行這一線程[4]。通過這一方法，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)所要求的實(shí)時(shí)性。

3.2 輔助線程創(chuàng)建

本開發(fā)系統(tǒng)中所創(chuàng)建的輔助線程可大致劃分如下：
  
（1）坐標(biāo)顯示線程
  
在手動(dòng)脈沖面板、電動(dòng)控制面板和增量控制面板中，可實(shí)時(shí)顯示X、Y、Z三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的坐標(biāo)。這樣可使操作人員直觀看到三軸的實(shí)際坐標(biāo)。實(shí)時(shí)性要求較低，所以使用最低優(yōu)先級：Lowest Normal。
  
（2）圖形顯示線程
  
圖像顯示線程用于在動(dòng)態(tài)仿真面板中執(zhí)行圖形繪制的指令。通過圖形顯示，操作者可以在動(dòng)態(tài)仿真的同時(shí)，對人機(jī)界面進(jìn)行操作。這一線程實(shí)時(shí)性要求較低，等級為：Blow Normal。
  
（3）IO狀態(tài)控制線程

此線程用于檢測由系統(tǒng)輸入的各個(gè)離散量，以及從數(shù)控程序得到的指令來輸出機(jī)床各離散量的狀態(tài)。此線程優(yōu)先級比前兩線程高，等級為：Normal。
  
（4）數(shù)據(jù)預(yù)處理線程

數(shù)據(jù)預(yù)處理線程主要負(fù)責(zé)完成編碼形式轉(zhuǎn)換、刀具長度補(bǔ)償、刀具半徑補(bǔ)償和公英制轉(zhuǎn)換等運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)預(yù)處理函數(shù)的執(zhí)行。等級為：Normal。
  
（5）運(yùn)動(dòng)控制線程
  
此線程主要用于運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行數(shù)控代碼函數(shù)的運(yùn)行。負(fù)責(zé)向緩沖器輸入運(yùn)動(dòng)控制命令，清空緩沖器和打開關(guān)閉緩沖器等操作。等級稍高：Above Normal。
  
（6）緊急控制線程

此線程處理一些需要機(jī)床立即做出反應(yīng)的時(shí)間，如機(jī)床的急停等。優(yōu)先級最高，等級為：Highest。