[技術(shù)領(lǐng)域]

本發(fā)明涉及可編程邏輯控制器，尤其涉及一種plc指令執(zhí)行器。

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背景技術(shù)：
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plc(可編程邏輯控制器)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)運(yùn)算、通信、運(yùn)動(dòng)控制等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。目前，已形成了plc控制器典型結(jié)構(gòu)、編程語言、通信、用戶使用導(dǎo)則等系列國際標(biāo)準(zhǔn)(iec61131)。其中，以編程語言標(biāo)準(zhǔn)(iec61131-3)最為廣泛應(yīng)用，包括il、st、ld、fbd和sfc。plc編程軟件在編譯以該五種語言編成的程序時(shí)，會(huì)將程序均轉(zhuǎn)換成中間代碼?？梢詫⒅虚g代碼下載到plc中按句進(jìn)行解釋并執(zhí)行(解釋型)，也可以將中間代碼直接編譯成plc內(nèi)部處理器(mcu)可執(zhí)行的機(jī)器指令(編譯型)。

plc指令按復(fù)雜程度可以分為基本指令和復(fù)雜指令兩種?；局噶钪饕婕拔辉牟僮?，其執(zhí)行結(jié)果主要影響程序能流和數(shù)字量輸出，單條基本指令通常需要占用5至20個(gè)mcu指令周期，基本指令在用戶程序中的占比通常在百分之三十以上；復(fù)雜指令分為邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、程序流控制、數(shù)據(jù)處理、通信、定位等，根據(jù)復(fù)雜程度不同需要占用的mcu指令周期從20至2000不等。通常plc用戶程序越大，程序掃描時(shí)間就越長。無論是解釋型plc還是編譯型plc，都是采用單一的mcu來執(zhí)行基本指令和復(fù)雜指令。

對(duì)于編譯執(zhí)行方式，plc的編程者需要提前將plc程序針對(duì)指定的mcu處理器型號(hào)用指定的編譯器和編譯環(huán)境參數(shù)進(jìn)行編譯方能正確下載運(yùn)行，即只能用特定的編程軟件才能對(duì)plc進(jìn)行編程。替換一種mcu處理器芯片，或僅升級(jí)一個(gè)plc內(nèi)部組件，原有的組態(tài)編程軟件可能就無法再適用。所以其通用性差，產(chǎn)品的應(yīng)用和升級(jí)成本高。此外，與解釋執(zhí)行方式類似的是，編譯型執(zhí)行方式雖然將plc程序編譯為本地代碼，但仍需要采用通用處理器的精減指令集格式，每一條il指令可能需要3-10條本地匯編指令；即使由其它plc語言(如fbd、st)直接編譯為本地匯編指令(不經(jīng)由il中間代碼)，本地匯編畢竟非面向plc程序的指令集結(jié)構(gòu)，仍不可避免地有效率的損失。對(duì)于解釋執(zhí)行方式，它的每一條plc程序在執(zhí)行前都需要進(jìn)行復(fù)雜的軟件解釋工作，一條il指令需要約5句至20句c語言程序來進(jìn)行解釋，進(jìn)一步需要約20條至100條精簡指令集指令(以arm指令集為例)。另一方面，在以mcu為處理核心的plc控制器結(jié)構(gòu)中，無論解釋型還是編譯型，都需要占用大量mcu的工作，而mcu通常還需要完成其它重要任務(wù)(如通訊、中斷響應(yīng)等)，plc任務(wù)的執(zhí)行和響應(yīng)速度受mcu其它工作的影響，難以保障其實(shí)時(shí)性和可靠性。

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠提高plc執(zhí)行速度、實(shí)時(shí)性和可靠性好的plc指令執(zhí)行器。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種plc指令執(zhí)行器，包括mcu、基本指令執(zhí)行器和外部sram，基本指令執(zhí)行器作為協(xié)處理器通過mcu的外部總線與mcu相連，mcu負(fù)責(zé)復(fù)雜指令的執(zhí)行，基本指令執(zhí)行器負(fù)責(zé)簡單指令的執(zhí)行。

以上所述的plc指令執(zhí)行器，基本指令執(zhí)行器包括主要模塊和其他模塊，主要模塊包括外部ram讀寫控制器、指令譯碼模塊、多路選擇器、alu控制單元和核心控制單元，其他模塊包括片內(nèi)ram、寄存器堆，指令解析模塊，地址合成模塊，流水線寄存器，能流寄存器和輸入輸出棧。

以上所述的plc指令執(zhí)行器，

外部ram讀寫控制器產(chǎn)生外部sram讀寫信號(hào)、地址信號(hào)、片選信號(hào)；從外部sram讀取ucode編碼，放入流水寄存器中；

指令譯碼模塊根據(jù)流水寄存器鎖存的指令代碼實(shí)現(xiàn)指令譯碼；

多路選擇器中的第一多路選擇器選擇能流寄存器的輸入，結(jié)合核心控制單元的信號(hào)，向能流寄存器寫入新的指令執(zhí)行結(jié)果；多路選擇器中的第二多路選擇器選擇寫入片內(nèi)ram中的數(shù)據(jù)，根據(jù)控制單元的信號(hào)和能流寄存器的輸出產(chǎn)生輸出信號(hào)；

alu控制單元(算術(shù)邏輯控制單元)按照核心控制單元的信號(hào)選擇算術(shù)邏輯運(yùn)算。

核心控制單元：產(chǎn)生使能、控制信號(hào)；

mcu配置指令的執(zhí)行部分包括寄存器堆中的第一指令寄存器，特殊指令寄存器，命令寄存器；如遇復(fù)雜指令，核心控制單元通過中斷信號(hào)通知mcu，mcu讀取寄存器堆中的第二指令寄存器和核心控制單元中存儲(chǔ)的內(nèi)存復(fù)雜指令偏移地址，然后結(jié)合起始地址去mcu片內(nèi)的sram中讀取復(fù)雜指令繼續(xù)執(zhí)行，直到執(zhí)行到簡單指令后交由基本指令執(zhí)行器執(zhí)行。

以上所述的plc指令執(zhí)行器，

mcu復(fù)位系統(tǒng)后，開始配置寄存器堆中指令部分的寄存器，包括第一指令寄存器和位處理指令寄存器，配置完成后，向命令寄存器寫入啟動(dòng)命令，指令基本指令執(zhí)行器開始工作；

mcu將指令起始地址寫入第一指令寄存器內(nèi)，當(dāng)命令寄存器中寫入啟動(dòng)命令后，基本指令執(zhí)行器將按照mcu給出的起始地址對(duì)外部sram進(jìn)行讀取，基本指令執(zhí)行器每讀一條指令首先判斷指令的類別，如為簡單指令，則按照簡單指令的要求進(jìn)行操作，操作對(duì)象存儲(chǔ)于基本指令執(zhí)行器的內(nèi)部ram中；如為復(fù)雜指令，則通知mcu，并將總線使用權(quán)交出,同時(shí)將此時(shí)指令的地址存儲(chǔ)于第二指令寄存器中，并置中斷標(biāo)志位和總線切換標(biāo)志位。

以上所述的plc指令執(zhí)行器，基本指令執(zhí)行器采用fpga芯片，fpga芯片的內(nèi)部ram存儲(chǔ)plc的位元件和指令執(zhí)行結(jié)果。

以上所述的plc指令執(zhí)行器，plc的用戶程序以u(píng)code編碼的形式存儲(chǔ)在外部sram中，ucode編碼包含4個(gè)字節(jié)，單字簡單指令占用ucode編碼的第一字節(jié)和第二字節(jié)；第一字節(jié)為指令代碼，第二字節(jié)為8位位元件地址。

以上所述的plc指令執(zhí)行器，基本指令執(zhí)行器檢測指令到指令第一字節(jié)的指令代碼不在可執(zhí)行之列時(shí)，則判斷該指令為復(fù)雜指令，基本指令執(zhí)行器停止執(zhí)行該條指令，然后記錄此指令地址，并產(chǎn)生中斷信號(hào)通知mcu。

本發(fā)明的plc指令執(zhí)行器克服現(xiàn)有以mcu為處理核心的plc指令執(zhí)行器指令執(zhí)行周期長，執(zhí)行用戶程序時(shí)其他重要任務(wù)無法及時(shí)響應(yīng)的問題，運(yùn)行速度快，實(shí)時(shí)性和可靠性好。

[附圖說明]

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例plc指令執(zhí)行器的系統(tǒng)框圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例基本指令執(zhí)行器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

[具體實(shí)施方式]

本發(fā)明實(shí)施例的plc指令執(zhí)行器如圖1和圖2所示，包括主要模塊和其他模塊。

主要模塊包括外部ram讀寫控制器、指令譯碼模塊、多路選擇器、alu控制單元和核心控制單元。

其他模塊包括寄存器堆，指令解析模塊，地址合成模塊，流水線寄存器，能流寄存器以及輸入輸出棧。

1)外部ram讀寫控制器主要用來產(chǎn)生外部sram讀寫信號(hào)、地址信號(hào)、片選信號(hào)，根據(jù)起始地址利用狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生訪問外部sram的信號(hào)，從外部sram讀取ucode編碼，并將其放入兩級(jí)流水寄存器中；此處產(chǎn)生信號(hào)包括：外部sram地址線，讀信號(hào)oe，寫流水線寄存器信號(hào)reg_flag，節(jié)拍t0,t1；ram地址線在系統(tǒng)啟動(dòng)(start)之后，直接獲取指令寄存器內(nèi)地址，然后每指令周期遞增一次，地址線寬度為17位；reg_flag上升沿將外部sram數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)打入流水線寄存器1；指令執(zhí)行模塊需要訪問片內(nèi)雙口ram，安排在節(jié)拍t0時(shí)間內(nèi)讀雙口ram，節(jié)拍t1時(shí)間內(nèi)寫雙口ram；依據(jù)不同指令，利用兩個(gè)節(jié)拍需要產(chǎn)生輸入棧片選，輸出棧片選，能流寄存器片選，雙口ram時(shí)鐘使能和讀寫信號(hào)，所有指令在兩個(gè)指令周期內(nèi)完成；

2)指令譯碼模塊根據(jù)流水寄存器鎖存的指令代碼實(shí)現(xiàn)指令譯碼，每種指令對(duì)應(yīng)譯碼器一路輸出有效，總共17條指令，分別對(duì)應(yīng)coder信號(hào)的17位；指令譯碼模塊產(chǎn)生coder(17位)、comp_inst和state信號(hào)，coder信號(hào)用來區(qū)別不同的指令，comp_inst和state用來告知控制單元是否簡單指令，是否可執(zhí)行；

3)多路選擇器中的mux1(多路選擇器1)選擇能流寄存器的輸入，輸入對(duì)象包括雙口ram輸出(di)和alu輸出(aluout2)，結(jié)合控制單元的sel_mux1信號(hào)，向能流寄存器寫入新的指令執(zhí)行結(jié)果；mux2(多路選擇器2)選擇寫入片內(nèi)ram中的數(shù)據(jù)，可輸入雙口ram的數(shù)據(jù)包括當(dāng)前能流值0或1，根據(jù)控制單元的sel_mux2信號(hào)和能流寄存器的輸出c產(chǎn)生mux_out2信號(hào)；

4)alu控制單元(算術(shù)邏輯控制單元)按照控制單元信號(hào)選擇算術(shù)邏輯運(yùn)算，包括與、取反、或、移位等運(yùn)算；針對(duì)不同操作，編碼不同，異步實(shí)現(xiàn)，接受核心控制單元根據(jù)指令而編碼的控制信號(hào)，選擇合適的alu功能。指令中需要進(jìn)行入棧、出棧操作的指令有mps,mpp,ld。為了滿足指令需要alu設(shè)計(jì)了兩個(gè)棧：ins和outs。s0,s1表示左移或者右移，輸出為aluout1。

5)核心控制單元：作為整個(gè)指令模塊的控制單元，產(chǎn)生一切使能、控制信號(hào)；

6)mcu配置指令執(zhí)行部分，主要配置寄存器有指令寄存器1，特殊指令寄存器，命令寄存器；如遇復(fù)雜指令，核心控制單元通過中斷信號(hào)通知mcu，mcu需要讀取指令寄存器2和核心控制單元中存儲(chǔ)的內(nèi)存復(fù)雜指令偏移地址，然后結(jié)合起始地址去mcu片內(nèi)的sram中讀取復(fù)雜指令繼續(xù)執(zhí)行，直到執(zhí)行到簡單指令后交由基本指令執(zhí)行器執(zhí)行。

初始狀態(tài)下mcu首先需要復(fù)位系統(tǒng)，然后開始配置指令部分的各個(gè)寄存器，包括指令寄存器1，位處理指令寄存器，配置完成后，向命令寄存器寫入啟動(dòng)命令，指令執(zhí)行器開始工作。

指令執(zhí)行器接收到啟動(dòng)命令后，首先執(zhí)行位處理指令寄存器中的指令，同時(shí)按照指令寄存器1中的地址開始讀取外部sram的指令。執(zhí)行結(jié)果直接輸出。

由于采用雙執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，復(fù)雜指令執(zhí)行器和基本指令執(zhí)行器并行執(zhí)行，在執(zhí)行基本指令期間mcu處理通信任務(wù)、響應(yīng)用戶中斷，大大提高了實(shí)時(shí)性。

本發(fā)明實(shí)施例的plc指令執(zhí)行器的工作流程為：

mcu首先復(fù)位系統(tǒng)，然后開始配置指令部分的各個(gè)寄存器，包括指令寄存器1，位處理指令寄存器，配置完成后，向命令寄存器寫入啟動(dòng)命令，指令執(zhí)行器開始工作。

系統(tǒng)上電初始化后，mcu將指令起始地址寫入指令寄存器1(ins_reg1)內(nèi)，當(dāng)命令寄存器com_reg中寫入啟動(dòng)命令0x50后，fpga芯片將按照mcu給出的起始地址對(duì)外部sram進(jìn)行讀取，外部sram內(nèi)存儲(chǔ)ucode，fpga芯片每讀一條指令首先判斷指令的類別，如為簡單指令，則按照指令要求進(jìn)行操作，操作對(duì)象存儲(chǔ)于fpga芯片內(nèi)部雙口ram中；如為復(fù)雜指令則通知mcu并將總線使用權(quán)交出,同時(shí)將此時(shí)指令的地址存儲(chǔ)于指令寄存器2(ins_reg2)中，并置中斷標(biāo)志位和總線切換標(biāo)志位。

外部用戶程序以u(píng)code形式存儲(chǔ)在外部sram中，ucode格式如下：

單字簡單指令占用byte1和byte2兩個(gè)字節(jié)；

fpga芯片讀取外部sram時(shí)數(shù)據(jù)寬度為16，每次讀取數(shù)據(jù)放入fpga芯片內(nèi)部緩存中。每種指令不同的指令代碼如上表所示，fpga芯片的指令執(zhí)行模塊的輸入是ucode代碼，輸出是指令執(zhí)行結(jié)果：能流、執(zhí)行器狀態(tài)標(biāo)志和中斷源。

fpga芯片檢測到第一個(gè)字節(jié)，如第一個(gè)字節(jié)為0xf0，指令為復(fù)雜指令，fpga芯片將停止執(zhí)行該條指令，然后記錄此時(shí)指令地址，并產(chǎn)生中斷信號(hào)通知mcu。fpga芯片檢測到第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)不在可執(zhí)行之列時(shí)，全部認(rèn)為為復(fù)雜指令，fpga芯片將此條指令交給mcu處理。

本發(fā)明實(shí)施例的基本指令執(zhí)行器基于fpga(現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，fpga芯片作為協(xié)處理器通過mcu的外部總線與mcu相連，mcu負(fù)責(zé)復(fù)雜指令的執(zhí)行，fpga芯片下掛外部sram，外部sram存儲(chǔ)plc的用戶程序(ucode)，fpga的內(nèi)部ram存儲(chǔ)plc的位元件和指令執(zhí)行結(jié)果。

本發(fā)明以上實(shí)施例將plc簡單指令剝離出來，主處理器負(fù)責(zé)復(fù)雜指令執(zhí)行，基本指令執(zhí)行器負(fù)責(zé)簡單指令執(zhí)行，取指令、譯碼、尋址、運(yùn)算、結(jié)果回寫等單指令周期即可完成，大大提升了指令執(zhí)行速度；由于采用雙執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，在執(zhí)行簡單指令期間mcu還可以處理用戶中斷、通信任務(wù)等，所以整體用戶程序執(zhí)行速度得到了很大提升，plc的實(shí)時(shí)性也比原先增強(qiáng)；因此本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.克服現(xiàn)有基于mcu的解釋型執(zhí)行方式運(yùn)行速度慢的問題；

2.克服現(xiàn)有基于mcu的編譯型執(zhí)行方式通用性差，應(yīng)用和升級(jí)成本高的問題；

3.克服現(xiàn)有以mcu為處理核心的plc指令執(zhí)行器指令執(zhí)行周期長，執(zhí)行用戶程序時(shí)其他重要任務(wù)無法及時(shí)響應(yīng)的問題，實(shí)時(shí)性和可靠性好。