基于windows的计算机数字控制系统实时性的研究

论文摘要

Windows以其丰富的软件资源、多线程技术、稳定性和安全性等特性在操作系统领域一直处于领先的地位,使其逐渐成为工业控制领域流行的操作系统。但由于Windows系列操作系统为保持其稳定性和设备访问无关性,使得用户应用程序不能直接对硬件和设备进行操作。同时Windows的抢先式多任务的特性决定了若不对其加以改造则不能满足数控系统实时性的要求。由于Windows在线程调度、中断处理等各方面充分考虑了弱实时应用的需求,具有内核完全可被抢先、延迟过程调用等机制,其内核硬件中断延迟与实时操作系统的中断延迟差不多,因而可以通过对Windows系统进行实时扩展,提高其实时处理能力。为将Windows操作系统引入数控系统中,本文通过分析数控系统的性能要求和Windows操作系统的运行机制,找出了在Windows操作系统下开发实时数控系统的技术难点。采用编写设备驱动程序处理硬件中断的方法,克服了Windows操作系统设备相关性和实时性的不足。通过响应硬件中断的方式来调度数控任务,从而满足了数控系统的实时性要求。为进一步提高数控系统中断的优先级,分析了Rootkit技术中的IDT hook的方法,通过在IDT中挂接钩子函数的方法使数控任务优先于其它所有中断的运行,并降低其它中断执行时的IRQL,从而保证了数控系统中断发生时能够得到最及时的响应。而在数控程序结束后再跳回原中断,在不影响其它中断功能的前提下,实现了最高中断优先级。通过对Windows平台下的中断响应延迟特性进行测试,表明Windows系统在ISR级系统中断具有较高的确定性。通过合理安排数控任务的响应方式,可以极大提高系统的实时性,完全能够满足毫秒甚至亚毫秒周期的实时任务的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外发展综述
• 1.2.1 基于PC机的数控装置的发展阶段
• 1.2.2 通用PC机的纯软件数控装置典型操作平台
• 1.2.3 解决Windows实时性的主要方式
• 1.2.4 国内研究状况
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 Windows平台实时性分析
• 2.1 Windows实时特性分析
• 2.1.1 Windows下应用程序权限级别
• 2.1.2 Windows NT的体系结构
• 2.1.3 线程优先级与中断优先级
• 2.1.4 中断处理机制
• 2.2 WDM驱动模型
• 2.2.1 WDM驱动程序的分层结构
• 2.2.2 WDM驱动程序的特点
• 2.3 中断源的选择
• 2.3.1 软件中断
• 2.3.2 硬件中断
• 2.4 本章小结
• 第3章 数控系统实时性设计
• 3.1 实时数控系统结构设计
• 3.1.1 实时系统的定义及特点
• 3.1.2 系统硬件结构
• 3.1.3 系统软件结构
• 3.2 数控系统WDM驱动程序设计
• 3.2.1 数控设备的初始化工作
• 3.2.2 访问设备硬件
• 3.2.3 中断处理
• 3.2.4 与人机界面的通信
• 3.2.5 实现共享内存对象的方法
• 3.3 进一步提高实时性的方法
• 3.3.1 存在的问题及解决方案
• 3.3.2 RootKit病毒中的IDT hook技术分析
• 3.3.3 提高中断优先级的具体实现
• 3.4 本章小结
• 第4章 实时性实际测试及其改进方法
• 4.1 测试方法及硬件设计
• 4.2 PCI板卡设计
• 4.2.1 接口芯片的选择
• 4.2.2 PC19052 的配置空间
• 4.3 驱动程序设计
• 4.3.1 开发工具的选择
• 4.3.2 程序设计流程及部分代码
• 4.4 中断延时测试结果与分析
• 4.4.1 测试所采用的软硬件环境
• 4.4.2 中断服务程序延迟测试
• 4.4.3 延时过程调用延迟测试
• 4.4.4 不同中断频率对系统性能的影响
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢