0 引言

　　OMAP3530是TI公司推出的一款高性能移動應(yīng)用處理器[1]。OMAP3530在單一芯片上無縫集成一個600 MHz ARM Cortex-A8內(nèi)核和一個具有卓越運算能力和超低功耗的430 MHz TMS320C64x+ DSP內(nèi)核，單個ARM在人機交互、網(wǎng)絡(luò)通信、多任務(wù)處理上有著很大的優(yōu)勢，但是其計算能力有所不足；DSP有著強大的計算和數(shù)據(jù)處理能力，但是在任務(wù)分配上難度較大。因此，充分利用兩個處理器各自的優(yōu)勢，把ARM和DSP結(jié)合起來使用能夠大大提升數(shù)控系統(tǒng)的性能。本數(shù)控系統(tǒng)使用ARM+FPGA上下位機控制[2]，上位機由ARM Cortex-A8控制核心和DSP運算核心組成，完成譯碼、粗插補、加減速控制、圖形界面顯示等任務(wù)；下位機由FPGA電機控制子系統(tǒng)和CPLD輔助控制子系統(tǒng)組成，完成精插補、系統(tǒng)I/O輸入輸出、位置控制等任務(wù)。為了能夠使ARM核和DSP核更好地協(xié)調(diào)配合，共同完成實時多任務(wù)的數(shù)控系統(tǒng)軟件體系，本文使用DSPLINK進行雙核之間的通信，設(shè)計了一種地址指針傳遞的雙核通信方式，大大提升數(shù)控系統(tǒng)的性能。

1 數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

　　1.1 上位機系統(tǒng)設(shè)計

　　上位機由集成了控制核心ARM和運算核心DSP的OMAP3530處理器組成，如圖1所示，ARM、 DSP、存儲器以及各種通信接口均連接在片內(nèi)L3總線上，其中ARM用于數(shù)控系統(tǒng)的控制和資源管理，完成NC代碼譯碼、MST控制、數(shù)控圖形界面管理以及人機交互等任務(wù)；DSP用于數(shù)控系統(tǒng)的高密度的計算，完成數(shù)控系統(tǒng)粗插補、刀具補償以及加減速控制等需要大量運算的任務(wù)，為數(shù)控系統(tǒng)的實時性提供有力的保障。上位機提供豐富的外設(shè)資源，外接的256 MB LPDDR為數(shù)控系統(tǒng)軟件提供大量的內(nèi)存空間，256 MB NAND Flash用于存儲數(shù)控系統(tǒng)文件和一些運行相關(guān)的參數(shù)文件；外接的LCD顯示器用于數(shù)控系統(tǒng)圖形界面的顯示；MMC/SD以及USB接口用于數(shù)控系統(tǒng)加工程序代碼的輸入以及數(shù)控系統(tǒng)的升級等；標準RS232接口用于與PC進行遠程通信；此外片上還集成以太網(wǎng)的接口，用于遠程通信、診斷和操作功能的實現(xiàn)。上位機通過GPMC（系統(tǒng)外部總線）與下位機進行通信；向下位機發(fā)送粗插補和速度控制的信息，為下位機進行精插補做準備，并接收下位機傳輸?shù)臄?shù)控系統(tǒng)按鍵信息、I/O輸入和位置控制信息并及時作出響應(yīng)。

　　1.2 下位機系統(tǒng)設(shè)計

　　下位機由大規(guī)?？删幊踢壿嬁刂破鱂PGA和CPLD構(gòu)成，電機控制子系統(tǒng)FPGA采用Altera公司ACEX系列的EP1K100QC208，片上有豐富的邏輯資源和I/O端口資源，可以為數(shù)控系統(tǒng)提供大量的脈沖發(fā)生、脈沖計數(shù)和I/O控制能力。采用FPGA作為電機控制子系統(tǒng)大大簡化了硬件電路，具有高速、并行處理、穩(wěn)定性高、抗干擾性強等特點。輔助控制子系統(tǒng)CPLD選用Altera公司EPM1270芯片，完成FPGA的配置、矩陣鍵盤的控制以及外擴系統(tǒng)I/O端口的控制功能。本文使用一種改進的串行配置策略對FPGA進行配置[3]，如圖2所示，CPU把存放在NAND Flash中的配置數(shù)據(jù)通過外部系統(tǒng)總線發(fā)送到CPLD，然后CPLD產(chǎn)生配置時序和串行化數(shù)據(jù)并將配置數(shù)據(jù)傳輸給FPGA。采用這種改進的串行配置方式，可以大大降低硬件電路的配置成本。另外，CPLD芯片具有編程加密位，使CPLD內(nèi)部的電路邏輯無法被讀出，所以同時提高了數(shù)控系統(tǒng)的保密性。

2 雙核握手機制的設(shè)計

　　數(shù)控系統(tǒng)多任務(wù)是由兩個處理器(ARM和DSP)共同完成的，雙核之間的任務(wù)分配和通信在共同完成數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)要求時尤為重要。本文使用DSPLINK對雙核的通信進行設(shè)計和開發(fā)[4]。其原理框圖如圖3所示，它把ARM與DSP之間的物理電路連接特性抽象化為通用的API，這樣開發(fā)者無需從電路底層做起，而可以更專注于應(yīng)用程序的設(shè)計。

　　DSPLINK集成了很多供雙核通信使用的組件，常用的有PROC、POOL、MSGQ、MPCS等，本文對雙核通信的設(shè)計是基于MSGQ組件開發(fā)的。通過DSPLINK進行雙核通信的機理是雙核通過對共享內(nèi)存區(qū)域的數(shù)據(jù)分別進行讀寫，達到雙核數(shù)據(jù)信息共享的目的。本文將集成在片內(nèi)的64 KB片內(nèi)RAM作為共享內(nèi)存區(qū)域，使用片內(nèi)的RAM進行數(shù)據(jù)的傳輸可以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)男什⑶液喕瘮?shù)據(jù)傳輸?shù)能浖Y(jié)構(gòu)。MSGQ[5](message queue)主要負責ARM端和DSP端可變長度短消息的交互，更為重要的是其支持高頻率的處理器之間信息的交互，這在實時多任務(wù)的數(shù)控系統(tǒng)中十分重要，為數(shù)控系統(tǒng)的實時性提供有力的保障，該組件會把要發(fā)送的數(shù)據(jù)包裝成一個message，雙核之間以message的形式進行通信。本設(shè)計的基于MSGQ的雙核通信框圖如圖4所示，ARM和DSP可以通過指令MSGQ_put()和MSGQ_get()向消息隊列中寫入和讀取數(shù)據(jù)，通過ARM和DSP高頻率地對共享內(nèi)存區(qū)域的讀寫，達到雙核通信的目的。

　　在數(shù)控程序運行過程中，ARM和DSP通過共享內(nèi)存區(qū)域傳遞互相所需要的數(shù)據(jù)，但是數(shù)控程序一般較為復雜，message存放在片內(nèi)64 KB RAM中，故一次性傳遞的數(shù)據(jù)大小受到很大限制，而且傳遞數(shù)據(jù)所花費的時間也會大大增加，這樣對實時性要求很高的數(shù)控系統(tǒng)來說是十分不利的。本文對message消息的內(nèi)容進行了優(yōu)化，將傳遞數(shù)控相關(guān)數(shù)據(jù)改為傳遞相關(guān)指針變量，這樣不僅節(jié)省了message消息隊列的空間大小，很好地利用了片內(nèi)RAM的有效空間，并且很大程度上提升了雙核通信的效率，從大量繁瑣的數(shù)控程序的傳遞到數(shù)控程序和數(shù)據(jù)所在地址的傳遞，傳遞的內(nèi)容得到了優(yōu)化并且軟件框架也得到了大大的減化[6]。

　　本文將一個包含許多指針變量的struct變量包裝成一個message，ARM和DSP通過對struct變量中相關(guān)成員參數(shù)進行修改，達到雙核協(xié)調(diào)合作共同完成數(shù)控系統(tǒng)軟件工作的要求。設(shè)計的struct變量如下：

　　struct message

　　{

　　(Uint32) MGSQ_ID;//消息隊列的ID號，

　　用來標識制定的message進行通信

　　(Uint32) arm_enable;//ARM使能標志位，

　　允許ARM使用芯片內(nèi)部總線

　　(Uint32) dsp_enable;//DSP使能標志位，與ARM使能

　　標志位相反，使同一時刻只有一個處理器

　　使用內(nèi)部總線，避免沖突

　　(Uint32) *arm_start_read;//ARM待讀取數(shù)據(jù)起始地址的

　　指針變量

　　(Uint32) *arm_start_write;//ARM待寫入數(shù)據(jù)的起始地址的

　　指針變量

　　(Uint32) *arm_end_read;//ARM讀取數(shù)據(jù)截止地址的

　　指針變量

　　(Uint32) *arm_end_write;//ARM寫入數(shù)據(jù)截止地址的

　　指針變量

　　(Uint32) *dsp_start_read;//DSP待讀取數(shù)據(jù)起始地址的

　　指針變量

　　(Uint32) *dsp_start_write;//DSP待寫入數(shù)據(jù)的起始地址的

　　指針變量

　　(Uint32) *dsp_end_read;//DSP讀取數(shù)據(jù)截止地址的指針變量

　　(Uint32) *dsp_end_write;//DSP寫入數(shù)據(jù)截止地址的指針變量

　　(Uint32) armcacheover;//ARM 256 KB一級緩存區(qū)滿標志位，

　　用于刷新LCD顯示數(shù)據(jù)

　　}message1；

　　數(shù)控程序運行時通過引用特定的消息隊列號來進行雙核通信，通過設(shè)置ARM和DSP使能標志位使得在同一時間只有一個處理器使用內(nèi)部總線，避免了數(shù)據(jù)傳輸沖突；數(shù)控軟件運行時會有許多子任務(wù)，產(chǎn)生很多中斷，每當產(chǎn)生中斷時就相應(yīng)修改對應(yīng)的指針變量，ARM和DSP通過指針變量傳遞相應(yīng)的地址信息達到雙核通信的目的，這相比通過message進行數(shù)控數(shù)據(jù)的傳輸簡化了很多的工作量，使程序更精簡，運行效率更高。

3 雙核通信整體框架設(shè)計

　　數(shù)控系統(tǒng)是典型的多任務(wù)實時控制系統(tǒng)[7]，針對多任務(wù)特性選用中斷服務(wù)程序進行多任務(wù)之間的切換；針對實時特性選用時間片輪轉(zhuǎn)法設(shè)定相應(yīng)時間片大小，限定各個子任務(wù)的運行時間，從而在宏觀上達到各個子任務(wù)的并行運行。此外，下位機接收矩陣鍵盤、系統(tǒng)I/O輸入、手輪和編碼器的反饋后向上位機通過系統(tǒng)外部總線發(fā)出中斷，上位機響應(yīng)中斷后對插補程序作相應(yīng)的調(diào)整，后再把數(shù)據(jù)傳遞給下位機使其完成精插補。數(shù)控系統(tǒng)整體軟件框架圖如圖5和圖6所示，具體的工作步驟如下：

　　(1)ARM端首先啟動，在運行Linux系統(tǒng)后向DSP加載DSP啟動所需要的執(zhí)行程序，等待啟動DSP。

　　(2)在多任務(wù)運行時，ARM和DSP需要分時共用內(nèi)部總線，因此通過設(shè)置arm_enable和dsp_enable來確定內(nèi)總線的使用權(quán)。

　　(3)ARM端需要執(zhí)行譯碼、MST控制和人機界面的顯示任務(wù)，選用時間片輪轉(zhuǎn)法進行控制，設(shè)定每個時間片為1 ms，循環(huán)執(zhí)行這3個子程序，其中人機界面的顯示任務(wù)實時性要求不高，每次執(zhí)行的數(shù)據(jù)暫時存放在256 KB一級緩存區(qū)中，等待armcacheover置位后再刷新LCD顯示屏；在一個加工程序段中最多只能有一個M、S、T功能，通過設(shè)置相應(yīng)標志位，在程序段未結(jié)束時取消MST控制的時間片。

　　(4)DSP以1 ms粗插補周期為中斷周期接收ARM譯碼后的數(shù)據(jù)，進行粗插補、刀具補償和加減速控制的任務(wù)。

　　(5)FPGA同樣以1 ms的周期產(chǎn)生中斷信號，接收DSP傳送的精插補所需的數(shù)據(jù)，進行精插補的工作。

　　(6)為了數(shù)控程序能夠順序執(zhí)行，在每個數(shù)控程序子任務(wù)執(zhí)行完后必須相應(yīng)地更改struct成員的信息。

　　(7)數(shù)控程序執(zhí)行完畢后，首先會關(guān)閉message通信通道，ARM與DSP斷開連接。

4 結(jié)束語

　　本設(shè)計采用ARM+DSP雙核完成上位機任務(wù)，CPLD+FPGA完成下位機任務(wù)的模式，在提升了數(shù)控系統(tǒng)的加工質(zhì)量和效率的同時，也提升了數(shù)控系統(tǒng)的實時性和保密性；設(shè)計了一種新的雙核通信方式，大大提高了雙核通信的效率，為數(shù)控系統(tǒng)雙核任務(wù)分配提供軟件基礎(chǔ)；通過合理進行數(shù)控任務(wù)的分配，可以做到譯碼與粗插補和精插補的并行運行，使得連續(xù)小線段的譯碼速度大于加工速度，實現(xiàn)精插補脈沖序列無間斷輸出，大大改善零件表面光潔度和加工精度，為高精度、高性能數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展提供一定參考。

　　參考文獻

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　　[2] WANG L，SU B，DONG S，et al.Double CPU open CNC system based on programmable multi-axis controller[J].Computer Integrated Manufacturing Systems Beijing，2002，8(1)：69-72.

　　[3] 張金霞，趙東標.數(shù)控系統(tǒng)中精插補芯片F(xiàn)PGA的配置[J].機械與電子，2007(3)：30-32.

　　[4] Instruments T.DSP/BIOS LINK user guide-version 1.65.00.02[Z].Reference：LNK，58，2010.

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　　[6] 林淦，劉建群，許東偉，等.OMAPL138的雙核通信設(shè)計[J].機床與液壓，2014(22)；056.

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