单微处理器结构和多微处理器结构的比较分析

CNC装置的硬件结构，按CPU的多少来分，分为单微处理器结构和多微处理器结构。

在单微处理器结构中，整个CNC装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种数控功能。优点：投资少、结构简单、易于实现；缺点：功能受CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度的限制。

在多微处理器结构中，CNC装置中有两个或两个以上的CPU。根据CPU间的相互关系不同，又可分为以下几种结构。

①主从结构系统。系统中只有一个CPU（主CPU）对系统资源（存储器、总线）有控制和使用权，而其他CPU的功能部件（智能部件），其CPU无权控制和使用系统资源，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向CPU发出请求信息以获得所需数据。该系统是一个CPU处于主导地位，其他CPU处于从属地位的结构。

②多主结构系统。系统有两个或两个以上的带有CPU的功能部件对系统资源有控制和使用权。功能部件采用紧耦合（挂在同一系统总线，集中在一个机箱内），有集中的操作系统，通过总线仲裁器（软件、硬件）来解决争用总线问题，通过公共存储器来交换信息。

③分布式结构系统。系统有两个或两个以上的带有CPU的功能模块，每个模块都有自己独立的运行环境（总线、存储器、操作系统），模块之间采用松耦合，在空间上可较为分散，采用通信方式交换信息。

1.单微处理器结构

单微处理器数控系统以微处理器为核心，CPU通过总线与存储器以及各种接口相连接，并采用集中控制、分时处理的工作方式，来完成数控加工中的各项任务。图2-1为单微处理器结构框图。

单微处理器结构的数控装置具有如下几方面特点。

①CNC系统内只有一个CPU，所有的数控功能和管理功能，诸如数控加工程序的输入、数据预处理、插补计算、数据输入/输出、位置控制、人机交互处理和诊断等功能都依靠它来集中控制，分时处理。

②CPU通过总线与存储器、各种接口（包括纸带阅读机等输入设备接口、开关量接口、MDI/CRT显示器接口）、位置控制器等相连，从而构成CNC系统。

③结构简单，容易实现。

④因为只有单微处理器集中控制，所以其功能将受到微处理器字长、数据寻址能力和运算速度等因素的限制。由于插补等功能由软件来实现，因此，进给速度受到的影响较大。

在单微处理器结构的CNC装置中，只有一个微处理器，为了增加这种结构CNC装置的功能，并提高系统处理速度，可采用下述措施。

图2-1 单微处理器结构框图

①采用高性能的微处理器。

②采用协处理器以增强运算功能，提高运算处理速度。

③采用大规模集成电路来完成一些实时性要求高的任务，诸如插补计算和位置控制等。

④采用带微处理器的CRT（显示器）控制和PLC等智能部件。

2.多微处理器结构

在多微处理器中，由两个或两个以上的CPU构成处理部件。各处理部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接。每个CPU都可享用系统公共存储器或I/O接口，并分担一部分数控功能，从而将单微处理器的CNC装置中顺序完成的工作，转变为多微处理器并行、同时完成的工作，因而大大增强了整个系统的性能。

多微处理器结构的CNC装置大都采用模块化结构，根据设备的要求选用功能模块构成CNC系统。如果某个模块出了故障，其他模块仍能工作，可靠性高。由于硬件一般是通用的，容易配置，因此，只要开发新的软件就可以构成不同的CNC装置，这样便于组织规模生产，能够形成批量生产并保证质量。

（1）多微处理器结构CNC装置的基本功能模块

在设计多微处理器结构的CNC装置时，可根据具体情况合理划分其功能模块。常见的有下面6种基本功能模块。

①CNC管理模块。

②CNC插补模块。(www.xing528.com)

③位置控制模块。

④PLC模块。

⑤数据输入、输出和显示模块。

⑥存储器模块。如果希望扩充功能，则可以再增加相应的模块。

（2）多微处理器结构CNC装置的典型结构

采用多微处理器结构的CNC装置，有共享总线和共享存储器两种典型结构。

共享总线结构以系统总线为中心，把组成CNC装置的各种功能模块划分为带有CPU的各种主模块和不带CPU的各种从模块。如管理模块、控制模块、插补模块是主模块，RAM/ROM模块或I/O模块是从模块。所有主、从模块共享都是严格定义的标准系统总线。

系统总线的作用是有效地连接各个模块，并按照要求交换各种数据和控制信息，从而构成一个完整的系统。

在系统中只有主模块有权控制并使用系统总线。当多个主模块同时请求使用系统总线时，必须要由仲裁电路判别出各模块优先级的高低，优先级的高低按每个主模块担负任务的重要程度预先安排好。总线裁决通常有串行方式和并行方式两种。在串行总线裁决方式中，按连接顺序决定优先级的高低。对于某个主模块来说，只有当其前面优先级更高的主模块不占用总线时，才能使用总线。这时，其后面优先级较低的主模块不能使用总线。在并行总线裁决中，判别主模块优先级的高低需配置一个专用逻辑电路，一般采用优先权编码方案。

各模块之间的通信主要由公共存储器来实现。公共存储器直接插在系统总线上，有总线使用权的主模块都能访问，可供任意两个主模块交换信息。

共享总线结构的典型代表是FANUC15系统。它按功能的不同可将系统划分为若干个功能模块，其中，带有CPU的称为主模块，不带CPU的称为从模块。根据不同的配置可选用7、9、11和13个功能模块插件板。所有主从模块都插在配有总线（传输速度很快的FANUCBUS）插座的机柜内，通过共享总线把各个模块有效地连接在一起，并按要求交换各种数据和信息，从而组成一个完整的实时多任务系统，以实现CNC的预定功能，其硬件结构如图2-2所示。

图2-2 FANUC15系统的共享总线结构

FANUC15系统的主CPU为Motorola68020（32位），在内装的PLC、轴控制、图形控制、通信及自动编程等功能模块中也都有各自的CPU，可构成最小至最大的系统，控制2～15个轴。

共享总线结构的优点是：系统配置灵活、结构简单、容易实现、造价低、可靠性高。

共享总线结构的缺点是：总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，整个系统将受到影响；同时，由于使用总线要经仲裁，这就会引起竞争，从而使信息传输效率降低。

共享存储器结构是面向公共存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互联和通信。同共享总线结构一样，该系统在同一时刻也只能允许有一个主模块对多端口存储器进行访问（读/写），因此，也必须有一套多端口控制逻辑来解决访问冲突这一矛盾。但由于多端口存储器设计较复杂，而且对于两个以上的主模块，可能会因争用存储器而造成存储器传输信息的阻塞，使系统效率降低，从而给扩展功能造成困难，因此，一般采用双端口存储器（双端口RAM）。

西班牙FAGOR公司的8025系统就是一种共享存储器结构的CNC系统，其共享存储器结构如图2-3所示。

图2-3 FAGOR8025系统的共享存储器结构

FAGOR8025系统共有3个CPU。

①中央CPU负责数控程序的编辑和译码，刀具和机床参数的输入。

②显示CPU把中央CPU的指令和显示数据送到视频电路进行显示，此外，还定时扫描键盘和倍率开关状态并送到中央CPU进行处理。

③插补CPU用来完成插补运算、位置控制、I/O控制和RS232通信等任务，另外，还向中央CPU提供机床操作面板开关状态及所需显示的位置信息等。

中央CPU与显示CPU和插补CPU之间各有512B的公共存储器用于交换信息。