数控对峙:PC平台与虚拟化
基于多核处理器系统的计算机数控(CNC)系统可以在多核的实时操作系统(RTOS)上运行应用程序，同时保持应用程序各部分之间的协调和通信。它为未来的数控机床设计提供灵活的价格/性能选择。
CNC(计算机数控)机器市场竞争非常激烈。为了向客户提供更多的价值，机器供应商开辟了专业的利基市场，并将机器的每一美元投资的生产率推向新的高度。对于每一代机器，CNC供应商可以决定开发和改进哪些技术，以将他们的机器与其他机器区分开来。标准PC平台提供最高的通用性和每美元的性能，许多CNC供应商使用基于PC的架构设计和制造机器，以提供竞争优势。
用户界面外观、可用性和灵活性是专有开发之间激烈竞争的领域。使机器更易于使用与提高生产率和在特定应用中实现产品差异化直接相关。对于许多CNC供应商，人机界面(HMIs)是使用微软Windows操作系统实现的。这些包括:
- 意大利Pesaro的Biesse S.p.A.，因其用于制造家具和橱柜部件的Rover系列数控机床而获奖(图1)
- 克利夫兰运动控制(CMC)，俄亥俄州克利夫兰，专注于等离子切割
- Anca Motion Pty澳大利亚北维多利亚Bayswater有限公司，解决应用包括激光切割，水射流切割和工具磨削。
这三家机床原始设备制造商(oem)都为微软Windows提供了其他软件工具。
实时需求
数控机床是制造业中最复杂的系统之一。即使是最简单的数控机床也可能有四个电机驱动运动轴，必须以非常高的速度同步运动。控制软件编排运动，对运动轴必须如何移动做出新的决定，并每一两毫秒建立一个新的目标位置。此外，一些机器包含一个现场总线网络，并且由于一些现场总线接口(如EtherCAT)的高精度定时和过采样要求，管理这些控制循环的周期时间需要短至100微秒。
微软Windows并不是设计来同时管理所有这些控制任务，并保证它们将以可预测的时间(决定论)处理，所以大多数高速机器在实时操作系统(RTOS)上运行它们的控制循环软件。
在同一个平台上运行两个操作系统(微软Windows和RTOS)带来了技术挑战，这导致一些数控机床供应商合并了单独的计算平台，一个用于实时控制功能，另一个用于管理HMI。多台计算机增加了复杂性和成本，降低了可靠性，并增加了终端客户的成本。上述三家CNC技术供应商在同一平台上运行RTOS和微软Windows。
虽然使多个操作系统能够在同一个计算平台上兼容的软件技术已经存在很长时间了，但随着多核处理单元的出现，多操作系统平台的构建得到了推动。
Anca Motion的理念是使用一个CPU用于CNC和操作界面，但随着多核CPU的引入，可以选择使用低功率但双核处理器。虽然新设计需要改变系统架构，但公司工程师希望在不增加系统成本的情况下增加功能和性能。选择节能的双核处理器可以节省成本，同时比其他多核处理器芯片消耗更少的能量，产生更少的热量，从而降低了冷却系统电子设备的复杂性和成本。这有助于Anca Motion的客户，他们将在温暖的气候中使用这些产品。
嵌入式虚拟化
组合操作系统环境的关键是嵌入式虚拟化——一个计算机系统对处理进行分区的能力，以提供单独的本机处理环境和输入/输出(I/O)硬件资源，供共同驻留在系统中的不同操作系统独占和定向使用。使用嵌入式虚拟化，每个操作系统都认为自己可以完全控制处理器。与服务器虚拟化环境(如VMware)不同，后者支持多个操作系统，但不是为处理实时事件而设计的，嵌入式虚拟化技术使CNC应用程序能够运行多个操作系统而不牺牲确定性。
嵌入式虚拟化使Biesse系统中使用的双核处理器能够支持两个操作系统，方法是将一个CPU核心专门用于RTOS，一个CPU核心专门用于Microsoft Windows(见图4)。RTOS核心的CPU指令周期100%用于实时应用程序，而其余核心的CPU周期则成为Microsoft Windows虚拟机的专有属性。
两个处理器核心通过使用RTOS内置的通过共享内存实现的进程间通信机制进行通信。这样就不需要为RTOS和Microsoft Windows应用程序开发专有代码来相互传递信息。使用这种技术，实时中断延迟与单独使用Microsoft Windows相比降低了一个数量级，从10-30微秒降低到1-3微秒。
在50-200微秒范围内的循环时间可以以高精度和准确性运行。其结果是可以部署在实时Microsoft Windows平台上的控制算法的质量和带宽的显著改进。
共享内存的使用只是RTOS为Microsoft Windows环境提供的嵌入式虚拟化支持的一个实现细节。银泰还指导I/O设备的硬件中断功能，以确保用户界面事件，如操作员触摸屏上的按键，不会中断实时任务，如控制数控机床的切割电机。
Anca Motion的设计还利用了RTOS对标准高性能网络接口的支持，如工业以太网协议，用于连接到电机驱动器和I/O模块。一些工业以太网支持确定性的高带宽通信(100Mb/sec)，并需要RTOS支持以确保满足协议的定时要求。使用商用以太网硬件是帮助Anca Motion的客户在提高性能的同时控制机器成本的另一个因素。
基于pc的架构
紧密连接实时和微软Windows环境，CNC技术供应商有一个增长路径，通过它他们可以在CNC产品的未来迭代中添加新功能。例如，CMC Controls正在考虑将基于软件的PLC运行时引擎移植到RTOS内核上执行，以增加系统吞吐量。
随着未来芯片制造商提供的处理器核心数量的增加，已经采用多核技术的CNC制造商也可以期待扩展他们的系统。Anca Motion的工程师们希望将他们的系统从双核处理器升级到四核处理器，以提供新的功能，例如切割或研磨操作的在线模拟。
用户可以将应用程序扩展到单处理器系统之外，并跨多个核运行RTOS应用程序，同时通过全局对象保持应用程序段之间的协调和通信。这样做将使未来的数控机床提供适当数量的处理器核心，以满足所需的价格和性能需求。
技术评论:RTOS +微软在一台PC上
- 十多年来，TenAsys的银泰实时操作系统一直被用于为微软Windows系统添加实时操作系统(RTOS)。
- 安卡运动选用英特尔Atom双核处理器，节约成本，节能;Atom处理器比其他多核处理器芯片消耗更少的能量，产生更少的热量。
- 银泰提供对标准高性能网络接口的实时支持，例如EtherCAT(一种工业以太网协议)，用于连接电机驱动器和I/O模块。EtherCAT支持确定性高带宽通信(100Mb/sec)，并需要RTOS支持以确保满足协议的定时要求。
- TenAsys INtime for Windows RTOS提供了一种称为GOBSnet的全局对象网络工具，可以跨多个核心运行RTOS应用程序，同时通过全局对象保持应用程序段之间的协调和通信。
金姆·哈特曼(Kim Hartman)是TenAsys的营销和销售副总裁。
www.tenasys.com
www.globalelove.com/machinecontrol
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