多核PLC编程研究

1、    多核plc编程研究    董喆摘要：plc，即可编程逻辑控制器，广泛应用于工业生产中的自动化控制、信息采集环节。目前单核plc逐渐难以应对复杂的工业场景，多核处理器plc有异构等特性，在性能、功耗、响应和计算能力方面有显著优势。本文旨在分析多核处理器plc的优势与编程方案。关键词：可编程逻辑控制器；异构多核系统：tp311 ：a ：1009-3044（2016）33-0198-021 背景1.1 plc的诞生与发展plc全称是programmable logic controller，即可编程控制器，最早出现于20世纪60年代，伴随着微处理器（m

2、pu）和超大规模集成电路技术的发展迅速成长。至20世纪80年代，欧美开始使用微处理器作为plc的中央处理单元，确立了plc的哈佛结构。哈佛结构用不同的存储器分别存储程序指令和数据，这样使得数据和程序指令的读取可以同时进行，具有较高的执行效率。上世纪末，iec 61131成为plc国际标准，以及微处理器技术飞速发展，plc在体系结构上，就是多核化和异构化的发展趋势。本世紀以来，plc编程逐渐走向标准化，利用统一的编程标准，可以突破不同plc平台的限制，方便地进行plc程序移植；基于标准编写的程序，甚至可以在plc与非plc平台之间移植。1.2 多核plc前景多核处理器突破了单核处理器发展的瓶颈，

3、异构为多核带来了更多优点1：1）控制逻辑简单：单个核心处理的任务类型单一；2）高主频：全局信号少，减少了线延迟；3）强扩展性：各核处理特定任务，可以针对单个核心升级扩展而不影响其他任务；4）低功耗：多核体系中区分核内时钟和跨核时钟，降低驱动负载。传统plc大都采用分时任务操作系统，把cpu划分为多个时间片，每个任务轮流占用cpu；操作系统也有优先级策略，可以满足高响应速度需求的进程优先占用；但时间片是基本的执行单位，操作系统进行任务切换也需要开销，所以响应速度只能局限在毫秒级。当前plc应用在更大规模的问题上，数据和计算量都有了量级的提升，在更高精尖的领域，也需要更高的响应速度，单核plc的分

4、时系统已经难以满足求。多核plc中，采用分核操作系统实现，将特定任务分配给特定的核心执行，每个核心采用分时策略；对于需要快速响应的任务，通常可以使用专门的核心进行通信；大量的计算和数据流，可以交给多个io核心与计算核心并形完成。为了实现多个核心的协调，多核plc系统往往会有一个主核心，完成控制和协调工作。通过这种多核心任务分发，减轻单个核心的负载，对整个系统的计算能力和响应速度有很大的提升，是突破单核plc性能瓶颈的方案。2 plc图形编程模型plc大多数情况是面向非软专业件开发人员，所以通常采用图形化界面，无需代码，直观展示逻辑。plc编程中通常使用梯形图方式来表示器件，下面介绍一种plc梯

5、形图编程的设计思路。2.1 梯形图检查梯形图是用户编程的图形接口，需要进行基本的检查，类似于普通程序编译器中的语法检查2。检查过程如图1。短路判断：记录两并连线之间的元件个数n，如果n=0，则判断为短路。断路判断：沿着电路遍历元件，并对经过的元件设立标志位visited=true；梯形图中存在visited=false的元件，即可判断其断路。2.2构造逻辑树梯形图是电路逻辑的图形化表示，梯形图必须转化为指令表，进而编译成机器语言，才能在plc的微处理器上执行。梯形图整个编辑过程是动态添加与删除，故采用链表存储图形元素；再把已完成的梯形图构造为树3。经过2.1检查过的单个梯级图，总能用树形结构表

6、示。图2展示了一个梯级图转换为树形结构的结果。通过逐个元件遍历梯形图，就能从叶节点到根节点生成一棵树。树的每个叶节点与梯级图中的元件一一对应；每个非叶节点，存储了其子树代表的局部电路的连接关系。每个梯级图可转换为一棵单根树，该树的所有元件出现在叶子节点，所有的叶子节点都是元件。对于有多个梯级图的plc电路，会生成一个森林。梯级图的遍历方式与电流经过的路径一致，树的生成按照从叶子到根逐层升高，对应梯级图中从元件到局部电路再到全局电路的表示。2.3遍历逻辑树生成指令对每个逻辑树中的节点而言，需要回溯到其父节点，获取所有兄弟节点，并根据父节点提供的连接关系与兄弟节点生成电路逻辑，所以每个节点必须包含

7、如下信息：1） 节点信息：叶节点的元件类型或非叶节点的连接关系。2） 子节点：可以采用线性结构存储指向所有孩子的指针。3） 父节点：指向父节点的单个指针。一棵逻辑树中的根节点、非叶非跟节点、叶节点可以通过子节点和父节点是否为空判断。基于以上数据结构，可以通过树的从底向上遍历生成指令，规则如下：1） 起始时，申请一个栈，用来存储中间结果和原始操作数；2） ld，直接将操作数入栈；3） ald，栈顶两个元素出栈，进行与运算，结果入栈；4） old，栈顶两个元素出栈，进行或运算，结果入栈；5） =，栈顶元素出栈，并为当前操作数赋值；6） 运算指令，栈顶元素出栈，与当前操作数预算，结果入栈。3 并行化

8、方案传统的plc图形编程已经相对成熟，在传统的编程模型基础上，使用并行方案为不同的核心生成不同的控制逻辑与数据流，可以达到多核协作并发的目的。下面介绍几种并行方案。 3.1扩展编译器大多数的高级编程语言编写的程序，都是经过编译器转换为汇编指令，进而转换为机器码才能被处理器所执行。plc编程也要经过逻辑树转换为指令集，才能生成机器码供mpu执行，所以编译器plc程序执行的必由之路，也是并行化的重要途径4。编译器是根据用户编写的程序生成指令的工具，所以并行化过程对用户透明，不会给程序编写人员带来额外负担。在多核异构plc平台下，图形化编程将梯形图转化为指令表，可以在这一步加入并行编译器。编译器需要

9、绑定目标plc平台，根据核心分布情况，将不同的逻辑转换为对应核心的指令表。比如，io密集型和计算密集型的任務，需要分配给不同的核心。在实际应用中，系统需要根据各核心的负载情况和公共资源使用，编译器需要考虑到负载均衡、数据共享、访问控制，否则容易产生运算错误或过长的停止等待，影响多核的实际效率。由此可见，这个方案为编译器提出了更加苛刻的要求：对于复杂的代码，考虑到并行与体系结构的紧密相关性，编译器并不能识别很多并行代码，从而造成并行程度不足；对于复杂的体系结构和高关联性任务，编译器无法胜任负载均衡、多核优化等需求，使程序无法很好的并发执行。因此，扩展编译器对多核plc编程而言，是一种简单的实现方

10、案，但存在先天不足。3.2扩展串行语言扩展串行语言有很多方式，在高级编程语言中，openmp是基于该方案一种流行的api。这类方案通过调用为使串行语言支持并行模型，例如多核情况下的消息通信、数据共享等。与编译器扩展方案不同，这种方式需要一定地代码修改，显式地调用相关api，指定并发的代码段和同步方案。openmp值得借鉴的是，其与平台无关的实现形式，这在多品牌、多型号的plc市场显得尤为重要。openmp的思想应用到多核plc平台，就需要plc硬件对用户提供多线程指令，同时需要主控核心执行这些指令，将对应的线程分配到对应的核心。但是，plc编程不是面向专业的程序开发人员或硬件设计人员，所以直接操控硬件资源分配的编程方式具有很大的风险，对plc程序的稳定性构成了一定威胁。考虑到扩展方式的优势和风险，可以通过基于plc虚拟机的集成开发环境实现。用户根据串行方案编写程序后，集成开发环境可以调用相关api做并行优化，并在plc虚拟机上执行优化后的机器码，同时根据仿真情况给出性能报告，通过自优化和用户改进提高并行效率，是一种可行的并行化方案。4 结论传统计算机的多核编程方案对plc编程有一定的借鉴意义，相信随着plc异构多核技术的成熟与多核编程方案的成熟，多核plc的应用也会更加广泛。参考文献：1 陶旭东.用于先进plc的异构多核mpu研究与设计d.沈阳理工大学，2011.2