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开放体系结构


发布日期:2021-06-30 21:47   来源:未知   阅读:

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  开放体系结构 (open system architecture)是具有应用系统的可移植性和可剪裁性、网络上各结点机间的互操作性和易于从多方获得软件的体系结构,简称开放结构(OA),它是构成开放应用体系结构(OAA)的技术基础。

  开放结构于20世纪80年代初提出,与开放系统概念的提出和实现密切相关。它的发展是为了适应更大规模地推广计算机的应用和计算机网络化的需求,现仍处于继续发展和完善之中。一些标准化组织对开放系统的概念是大体相同的,但具体的定义不完全一致。

  开放式体系结构 (open system architecture)是具有应用系统的可移植性和可剪裁性、网络上各结点机间的互操作性和易于从多方获得软件的体系结构,简称开放结构(OA),它是构成开放应用体系结构(OAA)的技术基础。

  对于开放系统美国电气和电子工程师协会(IEEE)给出了以下定义:“开放系统应提供这样一些功能,它们使正确执行的应用程序能在多个厂商提供的不同平台上运行,和其它应用程序互操作,并且为用户相互作用提供一个统一风格的界面。”该定义中有三个关键点:一是应用程剃战匙泪序能在不同平台上运行;二是应用软件能够互操作;三是有统一风格的人机界面(HCI)

  在开放体系结构的研究中,美国的OMAC (Open Modular Architecture Controls)、欧盟的SAGA (Open System Architecture for Control within Automation System、日本的OSEC (Open system environment for controllers)这三种体系结构影响深远。OMAC由基类和模块来描述抽象的体系结构,通过选择不同的模块,以搭积木的思想来构造系统。OSACA提出一个“分层的系统平凶嚷充台与结构功能单元”的结构。体系结构以一个系统平台为基础,由一组逻辑上离散的部件组成,控制系统本身不踏企遥带有平台的任何信息;在平台之间定义了很好的接口,允许不同供应商提供的几拔充笑组件之间协调工作;正确工作的控制器可以运行在不同的系统平台上。OSEC体系属于层次性结构,系统按功能分层,每一层按照功能分为若干个模块,层次间具有单向调用或者依赖关系,每一层都在其下层建立,下层为上层提供所需的服务。同一层的模块间按照一定的接口关系自由调用。

  OMAC与OSACA体系是理想的、革命性的,力图成为自动化领域的通用国际标准,它的范围涵盖了整个自动化领域。而OSEC体系的目标是建立国际性懂浆骗的工厂自动化控制设备标准。

  其重点集中在数控本身和分布式控制系统上,因而它是可阶段性实现的,并且对数控系统的发展有直接的指导意义。基于OSEC的体系结构思想,微机数控系统的开放体系结构迎笑承如图1所示:

  最底层是设备层,包括采用可重构功能模块组成的机床本体,以及具有标准接口的伺服系统、输入输出模块和智能传感器模块等,设备层中所有设备均采用统一标准接口的模块,因此易实现互换或互用。中间层是功能层,主要完成数控系统的运动轨迹控制和机床逻辑控制功能。最上层是应用层,是计算机主流操作系统上的标准应用,负责提供人机界面,CAPP/ CAM等的工艺规划,NC程序的处理等。网络接口使得网络制造以及远程监控、诊断和决榆寻策变得容易。

  在以上三个层次结构中,功能层是实现开放式数控系统的关键,它必须实现两个层次上的开放。即向下对设备层的开放和向上对应用层的开放,对设备层的开放是指提供一个通用的接口访问外部控制设备,使功能层具有设备无关性;对应用层的开放是指提供一个通用的数据交换接口,接受来自应用层的命令并把相关操作和处理后的数据送回到应用层,使功能层具有应用无关性。

  把机床运动控制、逻辑控制功能由独立的运动控制器完成,运动控制器通常由以PC硬件插件的形式构成系统,这是一种模块化、层次化的结构,通过各种形式向外提供统一的规范接口,具有了开放性特点。在这种结构中,PC机主要完成的是数控系统任务中非实时的任务,如数控加工程序的编辑、加工仿真、故障诊断、人机接口界面、数控程序的解释译码、刀具补偿等。属于应用环境功能层。NC功能层则是以可编程多轴运动控制器为核心,完成轴控制和顺序逻辑控制等实时处理任务。运动控制器实质就是一个NC装置。只要符合PC机总线接口标准,任何生产厂家开发的一控制器均可使用,并可以方便的互换。用户可以选取不同厂家的控制器,构建新的系统。

  基于PC集成的软件式数控系统就是将系统的所有子系统,如运动控制器、机床逻辑控制器等,全部集中到一个统一的硬件平台。使数控系统的所有功能全由软件来实现,在高性能CPU的PC硬件平台上实现数控集成化。在软件方面,以优秀实时操作系统内核为平台,开发可对硬件进行直接操作的高效PC数控软件和PC伺服软件,以及PC化PLC软件,以完成集成化数控的所有控制任务。这种“硬件功能软件化”不仅不会导致任何系统性能损失。而且软件实现的灵活性和硬件平台的无关性将有利于系统实现更深入的开放性和系统性能的快速增长。一基于PC集成的软件式数控系统的优点是显而易见的。可实现较高层次的开放。它的核心控制策略可以开放,对智能控制也有充分的考虑。而且更加注重标准化和集成性,在兼容数控领域的主要标准的同时,更加向计算机技术靠拢。并力图使数控成为集成平台上的标准应用。这种体系结构的数控系统的主要功能部件均表现为应用软件的形式。实现形式上的变革使得系统可以更方便、更广泛地应用计算机技术和自动控制技术的先进成果,简化系统实现难度,缩短开发周期,有助于技术创新。软件化实现也大大增强了系统的可缩放性、可替换性和可移植性,从而使其体系结构高度开放性的实现成为可能。数控系统的硬件本身己经是完全开放的,构成开放式数控系统的工作完全在软件上。只要制定好规范,并严格按照规范开发软件,则从信息处理、轨迹插补、加减速控制、开关量控制以及伺服控制都可以开放。

  ①可移植性。各种计算机应用系统可在具有开放结构特性的各种计算机系统间进行移植,不论这些计算机是否同种型号、同种机型。

  ②可互操作性。如计算机网络中的各结点机都具有开放结构的特性,则该网上各结点机间可相互操作和资源共享,不论各结点机是否同种型号、同种机型。

  ③可剪裁性。如某个计算机系统是具有开放结构特性的,则在该系统的低档机上运行的应用系统应能在高档机上运行,原在高档机上运行的应用系统经剪裁后也可在低档机上运行。

  ④易获得性。在具有开放结构特性的机器上所运行的软件环境易于从多方获得,不受某个来源所控制。

  为了全面实现上述开放系统的4个特性,首先要保证实现系统的可移植性和互操作性:

  ①为实现可移植性,首先要建立起符合开放系统概念的开发平台,在这个开发平台上所开发的应用系统都可以在另一个符合开放系统概念的平台上,以同样的工作环境去编译和运行原应用系统,不必对源程序作任何修改。

  ②为实现互操作性,首先应实现通信时的互操作性,即应实现开放系统互连环境(OSIE)。

  标准化是实现开放性的基础,为了确保互联和互操作等性能的实现,就必须制定一些标准规范。开放系统互连(OSI)有关的标准是国际标准化组织(ISO)信息处理系统技术委员会于1978年开始制定的。ISO开发的OSI及相关标准已超过200余项,几乎覆盖了信息处理的各个重要领域。世界上各大计算机制造商和用户都支持OSI标准,建立在OSI上的环境,称为OSIE,开放体系结构(OA)也是实现OSIE的技术基础。

  国际电报和电话咨询委员会(CCITT)也从事OSI标准开发工作。CCITT是联合国组织——国际电信联盟的一部分。CCITT和ISO紧密合作,共同开发信息处理和信息通信的有关标准。

  OSI基础标准是开放系统互连OSI(Open System Inte-rconnection)模型,为连接分布式应用处理的开放系统提供了基础,OSI采用分层的结构化技术。共有7层,即:物理层数据链路层网络层传输层、会话层、表示层应用层。OSI参考模型是定义了的一种抽象结构,它的特点是:定义了一种将异构系统互连的分层结构;提供了控制互连系统交互规则的标准框架;定义了实现不同计算机的同层之间进行通信的协议规程。

  在OSI模型的基础上,由ISO和国际电工协会(IEC )两大国际标准组织的联合技术委员会JTC1负责制定OSI的基础标准,由JTC1下属的有关分技术委员会(SC)和工作组(WG)具体负责开发这些标准。

  为了确保系统的互操作性,除基础标准外,还要根据用户的需求和实际的网络能力,选定一些功能标准(也称为功能轮廓或规范文件)。显然,功能标准不应同基础标准相矛盾,而只是对每一基础标准所允许的选项加以特定的选择。一些国家或机构正在针对自己的具体情况制定一些各自的功能标准。例如:①英国的中央计算机和电信局(CCTA)定义了名为MUSIC的开放系统应用结构框架,其中的M、U、S、I、C分别表示管理、用户接口、系统和应用接口、信息和数据服务及通信服务。②由若干计算机厂商组成的国际性非盈利组织X/open,在ANSI、IEEE和ISO等标准化组织所正式公布的标准中选定开放系统规范。③由百余个计算机制造商和研究机构组成的非盈利组织开放软件基金会(OSF),为开放软件环境制定一套应用环境规范(AES),并对按照这些规范开发的源程序发放许可证。

  开放体系结构计算环境(OACE),指的是一组在具备开放系统体系架构的系统中使用的、统一的基于标准的计算资源。其中,开放系统指的是按照足够开放的接口、服务和支持格式规范实现的系统,使得适当设计的系统组分能以最小的改变在多种系统中被利用;能与本地和远程系统的其他组分实现互操作;能以方便移植的方式实现与用户的交互。因此OACE的本质应该是利用一组计算机、内部和外部的网络互连设备、网络传输介质、操作和控制软件、通信软件以及接口软件等,来提供一个分布式的高效计算环境,并且该环境至少要满足:

  (2)全面的接口定义便于各种应用增添新的系统功能,并且在扩充或升级时对系统的影响最小;

  (3)确保分布式处理、可移植性、可量测性、可伸缩性、模块性、容错性、共享资源管理和自动使用等

  孟庆余. 何谓实时开放系统标准[J]. 开放系统世界, 2005(1):100-107.

  李晓辉. 开放体系结构计算环境发展研究[A]. 中国仪器仪表学会.第九届全国信息获取与处理学术会议论文集Ⅱ[C].中国仪器仪表学会:,2011:5.www.xjw8.com.cn