多核PLC编程研究

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

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0198-02

1 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（MPU）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o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，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眨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] 莫易敏，章德平，周哲.PLC梯形图转化为指令表算法及实现[J].控制工程，2006（6）.

[3] 保慧.PLC图形化编程系统的研究与实现[J].现代机械，2006（1）.

[4] 伊君翰.基于多核的并行编程模型[D].复旦大学，2008.

[5] 汪前进，高勇，李存华.基于多核处理器的多任务并行处理技术研究[J].计算机应用与软件，2012（4）.