多核PLC編程研究

董喆

摘要：PLC，即可編程邏輯控制器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的自動(dòng)化控制、信息采集環(huán)節(jié)。目前單核PLC逐漸難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工業(yè)場(chǎng)景，多核處理器PLC有異構(gòu)等特性，在性能、功耗、響應(yīng)和計(jì)算能力方面有顯著優(yōu)勢(shì)。本文旨在分析多核處理器PLC的優(yōu)勢(shì)與編程方案。

關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器；異構(gòu)多核系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）33-0198-02

1 背景

1.1 PLC的誕生與發(fā)展

PLC全稱是Programmable Logic Controller，即可編程控制器，最早出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，伴隨著微處理器（MPU）和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展迅速成長(zhǎng)。至20世紀(jì)80年代，歐美開始使用微處理器作為PLC的中央處理單元，確立了PLC的哈佛結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)用不同的存儲(chǔ)器分別存儲(chǔ)程序指令和數(shù)據(jù)，這樣使得數(shù)據(jù)和程序指令的讀取可以同時(shí)進(jìn)行，具有較高的執(zhí)行效率。

上世紀(jì)末，IEC 61131成為PLC國際標(biāo)準(zhǔn)，以及微處理器技術(shù)飛速發(fā)展，PLC在體系結(jié)構(gòu)上，就是多核化和異構(gòu)化的發(fā)展趨勢(shì)。

本世紀(jì)以來，PLC編程逐漸走向標(biāo)準(zhǔn)化，利用統(tǒng)一的編程標(biāo)準(zhǔn)，可以突破不同PLC平臺(tái)的限制，方便地進(jìn)行PLC程序移植；基于標(biāo)準(zhǔn)編寫的程序，甚至可以在PLC與非PLC平臺(tái)之間移植。

1.2 多核PLC前景

多核處理器突破了單核處理器發(fā)展的瓶頸，異構(gòu)為多核帶來了更多優(yōu)點(diǎn)[1]：

1）控制邏輯簡(jiǎn)單：?jiǎn)蝹€(gè)核心處理的任務(wù)類型單一；

2）高主頻：全局信號(hào)少，減少了線延遲；

3）強(qiáng)擴(kuò)展性：各核處理特定任務(wù)，可以針對(duì)單個(gè)核心升級(jí)擴(kuò)展而不影響其他任務(wù)；

4）低功耗：多核體系中區(qū)分核內(nèi)時(shí)鐘和跨核時(shí)鐘，降低驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

傳統(tǒng)PLC大都采用分時(shí)任務(wù)操作系統(tǒng)，把CPU劃分為多個(gè)時(shí)間片，每個(gè)任務(wù)輪流占用CPU；操作系統(tǒng)也有優(yōu)先級(jí)策略，可以滿足高響應(yīng)速度需求的進(jìn)程優(yōu)先占用；但時(shí)間片是基本的執(zhí)行單位，操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)切換也需要開銷，所以響應(yīng)速度只能局限在毫秒級(jí)。

當(dāng)前PLC應(yīng)用在更大規(guī)模的問題上，數(shù)據(jù)和計(jì)算量都有了量級(jí)的提升，在更高精尖的領(lǐng)域，也需要更高的響應(yīng)速度，單核PLC的分時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足求。多核PLC中，采用分核操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，將特定任務(wù)分配給特定的核心執(zhí)行，每個(gè)核心采用分時(shí)策略；對(duì)于需要快速響應(yīng)的任務(wù)，通常可以使用專門的核心進(jìn)行通信；大量的計(jì)算和數(shù)據(jù)流，可以交給多個(gè)IO核心與計(jì)算核心并形完成。為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)核心的協(xié)調(diào)，多核PLC系統(tǒng)往往會(huì)有一個(gè)主核心，完成控制和協(xié)調(diào)工作。通過這種多核心任務(wù)分發(fā)，減輕單個(gè)核心的負(fù)載，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算能力和響應(yīng)速度有很大的提升，是突破單核PLC性能瓶頸的方案。

2 PLC圖形編程模型

PLC大多數(shù)情況是面向非軟專業(yè)件開發(fā)人員，所以通常采用圖形化界面，無需代碼，直觀展示邏輯。PLC編程中通常使用梯形圖方式來表示器件，下面介紹一種PLC梯形圖編程的設(shè)計(jì)思路。

2.1 梯形圖檢查

梯形圖是用戶編程的圖形接口，需要進(jìn)行基本的檢查，類似于普通程序編譯器中的語法檢查[2]。檢查過程如圖1。

短路判斷：記錄兩并連線之間的元件個(gè)數(shù)N，如果N=0，則判斷為短路。

斷路判斷：沿著電路遍歷元件，并對(duì)經(jīng)過的元件設(shè)立標(biāo)志位VISITED=TRUE；梯形圖中存在VISITED=FALSE的元件，即可判斷其斷路。

2.2構(gòu)造邏輯樹

梯形圖是電路邏輯的圖形化表示，梯形圖必須轉(zhuǎn)化為指令表，進(jìn)而編譯成機(jī)器語言，才能在PLC的微處理器上執(zhí)行。梯形圖整個(gè)編輯過程是動(dòng)態(tài)添加與刪除，故采用鏈表存儲(chǔ)圖形元素；再把已完成的梯形圖構(gòu)造為樹[3]。

經(jīng)過2.1檢查過的單個(gè)梯級(jí)圖，總能用樹形結(jié)構(gòu)表示。圖2展示了一個(gè)梯級(jí)圖轉(zhuǎn)換為樹形結(jié)構(gòu)的結(jié)果。通過逐個(gè)元件遍歷梯形圖，就能從葉節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)生成一棵樹。樹的每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)與梯級(jí)圖中的元件一一對(duì)應(yīng)；每個(gè)非葉節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)了其子樹代表的局部電路的連接關(guān)系。每個(gè)梯級(jí)圖可轉(zhuǎn)換為一棵單根樹，該樹的所有元件出現(xiàn)在葉子節(jié)點(diǎn)，所有的葉子節(jié)點(diǎn)都是元件。對(duì)于有多個(gè)梯級(jí)圖的PLC電路，會(huì)生成一個(gè)森林。

梯級(jí)圖的遍歷方式與電流經(jīng)過的路徑一致，樹的生成按照從葉子到根逐層升高，對(duì)應(yīng)梯級(jí)圖中從元件到局部電路再到全局電路的表示。

2.3遍歷邏輯樹生成指令

對(duì)每個(gè)邏輯樹中的節(jié)點(diǎn)而言，需要回溯到其父節(jié)點(diǎn)，獲取所有兄弟節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)父節(jié)點(diǎn)提供的連接關(guān)系與兄弟節(jié)點(diǎn)生成電路邏輯，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須包含如下信息：

1） 節(jié)點(diǎn)信息：葉節(jié)點(diǎn)的元件類型或非葉節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系。

2） 子節(jié)點(diǎn)：可以采用線性結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)指向所有孩子的指針。

3） 父節(jié)點(diǎn)：指向父節(jié)點(diǎn)的單個(gè)指針。

一棵邏輯樹中的根節(jié)點(diǎn)、非葉非跟節(jié)點(diǎn)、葉節(jié)點(diǎn)可以通過子節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)是否為空判斷。基于以上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以通過樹的從底向上遍歷生成指令，規(guī)則如下：

1） 起始時(shí)，申請(qǐng)一個(gè)棧，用來存儲(chǔ)中間結(jié)果和原始操作數(shù)；

2） LD，直接將操作數(shù)入棧；

3） ALD，棧頂兩個(gè)元素出棧，進(jìn)行與運(yùn)算，結(jié)果入棧；

4） OLD，棧頂兩個(gè)元素出棧，進(jìn)行或運(yùn)算，結(jié)果入棧；

5） =，棧頂元素出棧，并為當(dāng)前操作數(shù)賦值；

6） 運(yùn)算指令，棧頂元素出棧，與當(dāng)前操作數(shù)預(yù)算，結(jié)果入棧。

3 并行化方案

傳統(tǒng)的PLC圖形編程已經(jīng)相對(duì)成熟，在傳統(tǒng)的編程模型基礎(chǔ)上，使用并行方案為不同的核心生成不同的控制邏輯與數(shù)據(jù)流，可以達(dá)到多核協(xié)作并發(fā)的目的。下面介紹幾種并行方案。

3.1擴(kuò)展編譯器

大多數(shù)的高級(jí)編程語言編寫的程序，都是經(jīng)過編譯器轉(zhuǎn)換為匯編指令，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼才能被處理器所執(zhí)行。PLC編程也要經(jīng)過邏輯樹轉(zhuǎn)換為指令集，才能生成機(jī)器碼供MPU執(zhí)行，所以編譯器PLC程序執(zhí)行的必由之路，也是并行化的重要途徑[4]。

編譯器是根據(jù)用戶編寫的程序生成指令的工具，所以并行化過程對(duì)用戶透明，不會(huì)給程序編寫人員帶來額外負(fù)擔(dān)。

在多核異構(gòu)PLC平臺(tái)下，圖形化編程將梯形圖轉(zhuǎn)化為指令表，可以在這一步加入并行編譯器。編譯器需要綁定目標(biāo)PLC平臺(tái)，根據(jù)核心分布情況，將不同的邏輯轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)核心的指令表。比如，IO密集型和計(jì)算密集型的任務(wù)，需要分配給不同的核心。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)需要根據(jù)各核心的負(fù)載情況和公共資源使用，編譯器需要考慮到負(fù)載均衡、數(shù)據(jù)共享、訪問控制，否則容易產(chǎn)生運(yùn)算錯(cuò)誤或過長(zhǎng)的停止等待，影響多核的實(shí)際效率。

由此可見，這個(gè)方案為編譯器提出了更加苛刻的要求：對(duì)于復(fù)雜的代碼，考慮到并行與體系結(jié)構(gòu)的緊密相關(guān)性，編譯器并不能識(shí)別很多并行代碼，從而造成并行程度不足；對(duì)于復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)和高關(guān)聯(lián)性任務(wù)，編譯器無法勝任負(fù)載均衡、多核優(yōu)化等需求，使程序無法很好的并發(fā)執(zhí)行。因此，擴(kuò)展編譯器對(duì)多核PLC編程而言，是一種簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方案，但存在先天不足。

3.2擴(kuò)展串行語言

擴(kuò)展串行語言有很多方式，在高級(jí)編程語言中，OpenMP是基于該方案一種流行的API。這類方案通過調(diào)用為使串行語言支持并行模型，例如多核情況下的消息通信、數(shù)據(jù)共享等。與編譯器擴(kuò)展方案不同，這種方式需要一定地代碼修改，顯式地調(diào)用相關(guān)API，指定并發(fā)的代碼段和同步方案。

OpenMP值得借鑒的是，其與平臺(tái)無關(guān)的實(shí)現(xiàn)形式，這在多品牌、多型號(hào)的PLC市場(chǎng)顯得尤為重要。

OpenMP的思想應(yīng)用到多核PLC平臺(tái)，就需要PLC硬件對(duì)用戶提供多線程指令，同時(shí)需要主控核心執(zhí)行這些指令，將對(duì)應(yīng)的線程分配到對(duì)應(yīng)的核心。但是，PLC編程不是面向?qū)I(yè)的程序開發(fā)人員或硬件設(shè)計(jì)人員，所以直接操控硬件資源分配的編程方式具有很大的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)PLC程序的穩(wěn)定性構(gòu)成了一定威脅。

考慮到擴(kuò)展方式的優(yōu)勢(shì)和風(fēng)險(xiǎn)，可以通過基于PLC虛擬機(jī)的集成開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)。用戶根據(jù)串行方案編寫程序后，集成開發(fā)環(huán)境可以調(diào)用相關(guān)API做并行優(yōu)化，并在PLC虛擬機(jī)上執(zhí)行優(yōu)化后的機(jī)器碼，同時(shí)根據(jù)仿真情況給出性能報(bào)告，通過自優(yōu)化和用戶改進(jìn)提高并行效率，是一種可行的并行化方案。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的多核編程方案對(duì)PLC編程有一定的借鑒意義，相信隨著PLC異構(gòu)多核技術(shù)的成熟與多核編程方案的成熟，多核PLC的應(yīng)用也會(huì)更加廣泛。

參考文獻(xiàn)：

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