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CNC系統(tǒng)巨量NC程序解釋實(shí)現(xiàn)的方法
熊清平 張正勇 李作清在數(shù)控加工中，對于復(fù)雜零件的加工，如水輪機(jī)葉片，用CAD/CAM生成的基于微小直線段的NC程序能達(dá)到幾兆。對于這些程序量非常大的NC程序，稱之為巨量NC程序。
對于專用體系結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)，NC程序存儲(chǔ)空間有限，在解釋巨量NC程序時(shí)，一般采用RS-232通訊接口，邊傳送邊加工，加工復(fù)雜零件較不便，同時(shí)也增加了數(shù)控加工系統(tǒng)的成本，降低了數(shù)控加工的可靠性。對于基于工業(yè)PC平臺的CNC系統(tǒng)，只有640k的基本內(nèi)存，由于操作系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)控制軟件占用一定的內(nèi)存空間，當(dāng)要解釋運(yùn)行巨量NC程序時(shí)，一般將巨量NC程序分成多個(gè)程序塊，系統(tǒng)根據(jù)每塊程序大小進(jìn)行內(nèi)存分配，如分配不合理，則需重新分塊，這給操作帶來不便。華中Ⅰ型CNC系統(tǒng)以工業(yè)PC為平臺，對于巨量程序的加工，通過使用系統(tǒng)的擴(kuò)展內(nèi)存實(shí)現(xiàn)巨量NC程序的解釋，同時(shí)要兼容處理類似高級語言BASIC編寫的NC程序。根據(jù)用戶的加工程序的最大需要，來配置系統(tǒng)的擴(kuò)展內(nèi)存。系統(tǒng)使用擴(kuò)展內(nèi)存，充分利用PC的軟件資源，使用擴(kuò)展內(nèi)存設(shè)備管理程序EMM386.EXE，用DOS的67H號中斷對高端內(nèi)存的物理頁的讀寫，完成對擴(kuò)展內(nèi)存的邏輯頁操作[1]。CNC系統(tǒng)運(yùn)行前，需在CONFIG.SYS文件中裝載：
DEVICE=C:＼HIMEM.SYS
DEVICE=C:＼EMM386.EXE
1 NC程序的裝載
在NC程序裝入之前，檢測程序檢測有多大的擴(kuò)展內(nèi)存，能運(yùn)行多大的NC程序，根據(jù)所要求加工的NC程序判斷能否裝載。
無論是手工編制的NC程序還是巨量NC程序，運(yùn)行時(shí)統(tǒng)一采用擴(kuò)展內(nèi)存進(jìn)行裝載。為了使用系統(tǒng)的擴(kuò)展內(nèi)存，需調(diào)用DOS的67H中斷的多項(xiàng)子功能。首先申請一個(gè)包含一定邏輯頁數(shù)的句柄，然后把這些擴(kuò)展內(nèi)存清空，清空后再把NC程序調(diào)入擴(kuò)展內(nèi)存，這樣所要加工的NC程序的大小與系統(tǒng)的基本內(nèi)存無關(guān)，只與系統(tǒng)的擴(kuò)展內(nèi)存有關(guān)。只要CNC系統(tǒng)的擴(kuò)展內(nèi)存滿足就能把NC程序裝入并投入運(yùn)行。NC程序首先裝入高端內(nèi)存的物理頁，再通過物理頁和邏輯頁的映射關(guān)系，把NC程序裝入擴(kuò)展內(nèi)存邏輯頁。程序開始運(yùn)行以后，可以根據(jù)提示的剩余的內(nèi)存選擇所要編輯的程序。
2 巨量NC程序的解釋
程序裝入擴(kuò)展內(nèi)存的邏輯頁后，對程序的解釋操作在高端內(nèi)存的物理頁中進(jìn)行，這時(shí)要把擴(kuò)展內(nèi)存邏輯頁的內(nèi)容分頁映射到高端內(nèi)存的物理頁，再對物理頁中的NC程序進(jìn)行解釋。對高端內(nèi)存的物理頁進(jìn)行操作，必須不斷地考慮程序指針的變換中所涉及的邏輯頁的轉(zhuǎn)換以及程序指針的邏輯頁數(shù)是否超過這個(gè)句柄所擁有的總的邏輯頁數(shù)等問題[2]。這就要求在程序指針變換時(shí)記錄下程序指針?biāo)鶎?yīng)的擴(kuò)展內(nèi)存上的邏輯頁中的邏輯位置，稱為程序邏輯指針。把程序指針在高端內(nèi)存物理頁中的實(shí)際物理位置稱作程序?qū)嶋H指針。程序邏輯指針在擴(kuò)展內(nèi)存中從邏輯低地址移向邏輯高地址，程序?qū)嶋H指針只是在物理頁中往復(fù)地從頭至尾地移動(dòng)，直到所有的程序行解釋執(zhí)行完畢。程序邏輯指針和程序?qū)嶋H指針有一種對應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)體來代替基于系統(tǒng)S基本內(nèi)存的程序解釋器的程序指針，用來記錄程序的邏輯位置。
struct Page ProgPtr{
charhuge?ProgPtr;.∥物理頁中程序?qū)嶋H指針
int NumOfCurPage;∥當(dāng)前的邏輯頁
int PagenumOfHandle;∥句柄所擁有的邏輯頁數(shù)
unsigned int Handle;∥當(dāng)前程序句柄｝
在具體的解釋器實(shí)現(xiàn)中要考慮到程序?qū)嶋H指針和程序邏輯指針處于頁首和頁末的情況。當(dāng)程序?qū)嶋H指針和程序邏輯指針在頁首時(shí)，程序邏輯指針的下個(gè)位置可能在前一邏輯頁末尾，程序?qū)嶋H指針可能要退到物理頁的末尾。而當(dāng)程序?qū)嶋H指針和程序邏輯指針在頁末時(shí)，程序邏輯指針的下個(gè)位置可能在后一邏輯頁首，程序?qū)嶋H指針可能從物理頁的頁尾移到物理頁的頁首。針對這2種情況進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)了2個(gè)處理函數(shù)：
struct PageProgPtr TreatOfFrameEnd(struct PageProgPtr);
struct PageProgPtr TreatOfFrameStart(struct PageProgPtr);
通過這種處理保證程序?qū)嶋H指針在物理頁中和程序邏輯指針在擴(kuò)展內(nèi)存的邏輯頁中的準(zhǔn)確性。
由于在程序解釋時(shí)程序?qū)嶋H指針只在物理頁中來回變化，而程序邏輯指針在擴(kuò)展內(nèi)存的邏輯頁中移動(dòng)，在解釋器的設(shè)計(jì)中必須把程序?qū)嶋H指針和程序邏輯指針結(jié)合在一起考慮。解釋器通過解釋高端內(nèi)存中物理頁的內(nèi)容來完成擴(kuò)展內(nèi)存的NC程序的解釋任務(wù)。
解釋器解釋NC程序所得到的數(shù)據(jù)送到一個(gè)環(huán)形緩沖隊(duì)列中，當(dāng)填滿緩沖隊(duì)列后，解釋任務(wù)就停止。當(dāng)插補(bǔ)器從解釋器中取走數(shù)據(jù)，使緩形隊(duì)列中有空單元時(shí)，通過任務(wù)調(diào)度把解釋器再次激活，這樣解釋器和插補(bǔ)器就能協(xié)調(diào)工作。
3 關(guān)于巨量NC程序和類似高級語言BASIC編寫的NC程序兼容處理
在一般NC代碼解釋器中，只能進(jìn)行ISO代碼的NC程序解釋，而對于帶有高級語言特性的一些NC語句如DO—WHILE語句、IF語句、GOTO語句等和宏變量不支持。對于帶有高級語言特性的NC語句的解釋有2種方法：第1種方法是做2個(gè)解釋器分別對ISO代碼的NC程序和類似高級語言編寫的NC程序進(jìn)行解釋；第2種方法是做1個(gè)兼容的通用解釋器，它對2種程序都能處理。第1種方法思路簡單，解釋器編程容易，由于ISO代碼的NC程序和類似高級語言編寫的NC程序只能分別編寫，NC程序的處理能力不強(qiáng)；第2種方法解釋器編程較難，但程序的解釋功能較強(qiáng)，在ISO代碼的程序中可以帶有一些高級語言特性的語句如DO—WHILE語句，這樣用戶所編寫的NC程序的處理功能可以很強(qiáng)。
在華中Ⅰ型CNC系統(tǒng)的解釋器中，采用的是第2種方法，進(jìn)行巨量NC程序和類似高級語言編寫的NC程序進(jìn)行兼容處理，保證在巨量NC程序中也能加入一些高級語言的特性，這就要進(jìn)行類似高級語言的表達(dá)式計(jì)算、子程序的調(diào)用和程序跳轉(zhuǎn)等高級語言處理過程。
在基于基本內(nèi)存的NC程序解釋器中，對于類似高級語言BASIC編寫的NC程序的子程序標(biāo)號和跳轉(zhuǎn)標(biāo)號的處理一般先通過掃描整個(gè)程序而形成子程序表和標(biāo)號表，再每次遇到NC調(diào)用子程序或執(zhí)行跳轉(zhuǎn)程序時(shí)，通過查表來找到子程序的地址或跳轉(zhuǎn)的目的地址。這樣不僅浪費(fèi)內(nèi)存，而且影響解釋任務(wù)的執(zhí)行速度。如果NC標(biāo)號非常多，就會(huì)占用較多的基本內(nèi)存，而且解釋程序的速度非常慢，特別是CAD/CAM所生成的巨量NC程序，基本上每行都有N標(biāo)號，更容易出現(xiàn)這樣的問題。由于使用擴(kuò)展內(nèi)存不僅要對一般的手工編制的較短N(yùn)C程序進(jìn)行處理，而且要對巨量NC程序進(jìn)行處理，采用直接尋址，每次遇到子程序和跳轉(zhuǎn)程序指令時(shí)，通過比較標(biāo)號，找到目的地址執(zhí)行，這樣既節(jié)省
系統(tǒng)的基本內(nèi)存，又提高系統(tǒng)的處理速度和CNC運(yùn)行的穩(wěn)定性。通過2個(gè)函數(shù)來解決這個(gè)問題：
struct PageProgPtr Find_Nlabel(struct PageProgPtr);
struct PageProgPtr Find_Ocode(struct PageProgPtr);
4 擴(kuò)展內(nèi)存的資源競爭問題
為了節(jié)約基本內(nèi)存，要編輯的程序也裝入擴(kuò)展內(nèi)存，這也通過一個(gè)句柄進(jìn)行操作。在程序的編輯時(shí)，所要編輯的程序從擴(kuò)展內(nèi)存的邏輯頁輪流裝入高端內(nèi)存的物理頁，所有程序的編輯都在高端內(nèi)存進(jìn)行，從而保證在程序編輯過程不占用基本內(nèi)存。
由于所編輯程序和運(yùn)行的程序都是通過高端內(nèi)存對擴(kuò)展內(nèi)存進(jìn)行操作，存在資源競爭的問題。在系統(tǒng)中，擴(kuò)展內(nèi)存都是通過句柄進(jìn)行操作的，通過EMM386.EXE文件對擴(kuò)展內(nèi)存的邏輯頁進(jìn)行管理，只要能申請到相應(yīng)擴(kuò)展內(nèi)存的句柄，就能保證擴(kuò)展內(nèi)存的邏輯頁使用不發(fā)生沖突。在高端內(nèi)存中，總共有每頁16k的4頁物理頁，把這些物理頁進(jìn)行分配，程序解釋運(yùn)行使用第1頁，而程序編輯使用第2頁，由于EMM386.EXE程序本身能保證67H中斷的重入問題，通過這樣內(nèi)存的分配方式，解決了擴(kuò)展內(nèi)存資源競爭問題[3]。
5 結(jié)束語
筆者利用系統(tǒng)的擴(kuò)展內(nèi)存實(shí)現(xiàn)了在CNC系統(tǒng)中解釋巨量NC程序�；谙到y(tǒng)擴(kuò)展內(nèi)存所做的NC解釋器和編輯器使運(yùn)行程序和編輯程序的大小與基本內(nèi)存無關(guān)，而只與擴(kuò)展內(nèi)存有關(guān)。計(jì)算機(jī)可配置的擴(kuò)展內(nèi)存越來越大，現(xiàn)已能達(dá)到256M，而現(xiàn)階段8M的擴(kuò)展內(nèi)存已能滿足一般巨量NC程序運(yùn)行和編輯的要求，這給更復(fù)雜零件加工程序一次裝載解釋運(yùn)行提供更大的方便。同時(shí)，在多通道的CNC系統(tǒng)軟件中，由于每增加一個(gè)通道大約要增加到最大20k到30k的內(nèi)存開銷，解釋器和編輯器利用擴(kuò)展內(nèi)存也能讓多通道CNC系統(tǒng)增加更多的通道數(shù)，控制更多的獨(dú)立過程，這對FMS、CIMS的實(shí)現(xiàn)也有一定的意義。采用該方法所設(shè)計(jì)的NC代碼解釋器，已運(yùn)用到華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)上。
參考文獻(xiàn)
[1] 黃山，萬玉丹.DOS的全部剖析與編程啟示.北京：學(xué)苑出版社，1993：85～87
[2] [美]TerryDettmann著，熊桂喜，陸益民，黎軍英等譯.DOS程序員參考手冊.北京：清華大學(xué)出版社，1996：158～162
[3] 熊清平，孫聯(lián)勝，劉延巍.CNC實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng).機(jī)械與電子，1997(3)：20～22
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