1.3.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件是完成控制任務(wù)的設(shè)備基礎(chǔ)，而計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用程序是履行控制系統(tǒng)任務(wù)的關(guān)鍵，通稱為軟件。軟件的質(zhì)量關(guān)系到計(jì)算機(jī)運(yùn)行和控制效果的好壞，影響硬件性能的充分發(fā)揮和推廣應(yīng)用。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的組成如圖1-5所示。

1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的分類

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件按照其職能可分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和支持軟件三部分。

（1）系統(tǒng)軟件

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件用于組織和管理計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件，為應(yīng)用軟件提供基本的運(yùn)行環(huán)境，并為用戶提供基本的通信和人機(jī)交互方法。系統(tǒng)軟件一般由計(jì)算機(jī)廠家提供，不需要計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)和維護(hù)。系統(tǒng)軟件分為操作系統(tǒng)、系統(tǒng)通信、網(wǎng)絡(luò)連接和管理及人機(jī)交互四部分，其中操作系統(tǒng)按照任務(wù)的實(shí)時(shí)性表現(xiàn)分為通用操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)兩種，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可滿足工控任務(wù)的實(shí)時(shí)性需求，因此一般被應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域中。系統(tǒng)通信和網(wǎng)絡(luò)等部分為設(shè)計(jì)人員提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上定制應(yīng)用軟件，完成控制任務(wù)。

（2）應(yīng)用軟件

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是面向生產(chǎn)過程的程序，用于完成計(jì)算機(jī)監(jiān)測和控制任務(wù)。應(yīng)用軟件一般由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員編寫，針對特定生產(chǎn)過程定制。

應(yīng)用軟件可分為檢測軟件、監(jiān)督軟件和控制軟件三類，檢測軟件作為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與生產(chǎn)過程之間的橋梁，一般用于生產(chǎn)過程中信息的采集和存儲，完成信息的獲取工作；監(jiān)督軟件用于對信息進(jìn)行分析，并對事故和異常進(jìn)行處理；控制軟件是系統(tǒng)的核心部分，依據(jù)控制策略完成對生產(chǎn)過程的調(diào)整和控制。控制軟件按照應(yīng)用場合可分為運(yùn)動控制、常用控制、現(xiàn)代控制、智能控制以及網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線五種，分別對應(yīng)多種控制算法和控制策略。

（3）支持軟件

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的支持軟件是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)環(huán)境，用于為設(shè)計(jì)人員提供軟件的設(shè)計(jì)接口，并為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提供功能更新的途徑。支持軟件包括程序設(shè)計(jì)語言、程序設(shè)計(jì)軟件、編譯連接軟件、調(diào)試軟件、診斷軟件和數(shù)據(jù)庫六部分，用戶使用程序設(shè)計(jì)語言和程序設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制軟件，通過編譯、鏈接和調(diào)試進(jìn)行軟件測試。數(shù)據(jù)庫軟件為程序提供必要的運(yùn)行支持，并為軟件的更新和維護(hù)提供參考依據(jù)。

圖1-5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的組成

2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)與運(yùn)行環(huán)境

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件對操作系統(tǒng)有特定的要求，其中穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性是主要要求。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要求操作系統(tǒng)長時(shí)間無故障運(yùn)行，對系統(tǒng)異常和惡意程序具備較好的處理能力，并可長時(shí)間運(yùn)行無須更新系統(tǒng)補(bǔ)丁。除此之外，操作系統(tǒng)還需要對實(shí)時(shí)性較高的任務(wù)提供支持，以確保控制任務(wù)的正常進(jìn)行。目前計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用Windows、Linux和定制系統(tǒng)三種操作系統(tǒng)。

（1）Windows操作系統(tǒng)

Windows操作系統(tǒng)由微軟公司發(fā)布，經(jīng)過長時(shí)間更新和維護(hù)后的版本具有較高的穩(wěn)定性。用于工業(yè)控制領(lǐng)域的操作系統(tǒng)一般采用低版本W(wǎng)indows系統(tǒng)以獲得較完備、穩(wěn)定的系統(tǒng)功能，避免未知漏洞和頻繁的系統(tǒng)更新。Windows操作系統(tǒng)一般應(yīng)用在冶金、石油、電力等大型工控場合。

（2）Linux操作系統(tǒng)

Linux操作系統(tǒng)基于POSIX和UNIX開發(fā)，具有開源、免費(fèi)和穩(wěn)定的特點(diǎn)。Linux操作系統(tǒng)采用GPL協(xié)議，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)或其他途徑免費(fèi)獲得，Linux操作系統(tǒng)中一些商業(yè)化版本經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)具備較穩(wěn)定的運(yùn)行特性，逐漸被計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用。Linux操作系統(tǒng)一般應(yīng)用在金融、政府、教育和商業(yè)場合，目前被計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域廣泛采用的Linux操作系統(tǒng)包括RHEL（Red Hat Enterprise Linux）、Debian和Ubuntu，其中RHEL多作為服務(wù)器的操作系統(tǒng)，Debian和Ubuntu系統(tǒng)在微型計(jì)算機(jī)上使用較多。

（3）定制操作系統(tǒng)

特殊用途下的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基于特有的操作系統(tǒng)開發(fā)，達(dá)到了從系統(tǒng)軟件到應(yīng)用軟件的深度定制。定制操作系統(tǒng)一般基于Linux系統(tǒng)開發(fā)，根據(jù)生產(chǎn)過程的需要對系統(tǒng)的功能和策略進(jìn)行修改和刪減。定制操作系統(tǒng)一般用于過程控制、通信和嵌入式等領(lǐng)域，以VxWorks、QNX和RT-Linux為代表的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在多個計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域中有出色表現(xiàn)，定制操作系統(tǒng)在安全性和效率上具有獨(dú)特優(yōu)勢。

3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件開發(fā)技術(shù)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)技術(shù)可分為軟件設(shè)計(jì)規(guī)劃、軟件設(shè)計(jì)模式、軟件設(shè)計(jì)方法和軟件開發(fā)工具四個類別。

（1）軟件設(shè)計(jì)規(guī)劃

軟件設(shè)計(jì)規(guī)劃包括軟件開發(fā)基本策略、軟件開發(fā)方案和軟件過程模型三部分，軟件開發(fā)中的三種基本策略是復(fù)用、分而治之、優(yōu)化與折中。復(fù)用即利用某些已開發(fā)的、對建立新系統(tǒng)有用的軟件元素來生成新的軟件系統(tǒng)；分而治之是指把大而復(fù)雜的問題分解成若干個簡單的小問題后逐個解決；軟件的優(yōu)化是指優(yōu)化軟件的各個質(zhì)量因素，折中是指通過協(xié)調(diào)各個質(zhì)量因素，實(shí)現(xiàn)整體質(zhì)量的最優(yōu)。其中軟件開發(fā)的基本策略是軟件開發(fā)的基本思想和整體脈絡(luò)，貫穿軟件開發(fā)的整體流程。

軟件開發(fā)方案是對軟件的構(gòu)造和維護(hù)提出的總體設(shè)計(jì)思路和方案，經(jīng)典的軟件工程思想將軟件開發(fā)分成需求分析、系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、測試及維護(hù)五個階段，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行軟件開發(fā)和設(shè)計(jì)之前需要確定軟件的開發(fā)策略，并明確軟件的設(shè)計(jì)方案，對軟件開發(fā)的五個過程進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

軟件過程模型是在軟件開發(fā)技術(shù)發(fā)展過程中形成的軟件整體開發(fā)策略，這種策略從需求收集開始到軟件壽命終止，針對軟件工程的各個階段提供了一套范形，使工程的進(jìn)展達(dá)到預(yù)期的目的。常用的軟件過程模型包括生存周期模型、原型實(shí)現(xiàn)模型、增量模型、螺旋模型和噴泉模型五種。

（2）軟件設(shè)計(jì)模式

為增強(qiáng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的代碼可靠性和可復(fù)用性，增強(qiáng)軟件的可維護(hù)性，在計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展過程中，代碼設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)和分類編目，形成了軟件設(shè)計(jì)模式。軟件設(shè)計(jì)模式一般可分為創(chuàng)建型、結(jié)構(gòu)型和行為型三類，所有模式都遵循開閉原則、里氏代換原則、依賴倒轉(zhuǎn)原則和合成復(fù)用原則等通用原則。常用的軟件模式包括單例模式、抽象工廠模式、代理模式、命令模式和策略模式。軟件設(shè)計(jì)模式一般適用于特定的生產(chǎn)場景，以合適的軟件設(shè)計(jì)模式指導(dǎo)軟件的開發(fā)工作可對軟件的開發(fā)起到積極的促進(jìn)作用。

（3）軟件設(shè)計(jì)方法

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中軟件的設(shè)計(jì)方法主要有面向過程方法、面向數(shù)據(jù)流方法和面向?qū)ο蠓椒ǎ謩e對應(yīng)不同的應(yīng)用場景。面向過程方法是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件發(fā)展早期被廣泛采用的設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)以過程為中心，以函數(shù)為單元，強(qiáng)調(diào)控制任務(wù)的流程性，設(shè)計(jì)的過程是分析過程和用函數(shù)代換的流程化思想，在流程特性較強(qiáng)的生產(chǎn)領(lǐng)域具備較高的設(shè)計(jì)效率。面向數(shù)據(jù)流方法又稱為結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，其主體思想是用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述待處理數(shù)據(jù)的組織形式，用算法描述具體的操作過程，強(qiáng)調(diào)將系統(tǒng)分割為邏輯功能模塊的集合，并確保模塊之間的結(jié)構(gòu)獨(dú)立，減少了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，增強(qiáng)了代碼的可重用性。面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，采用封裝、繼承、多態(tài)等方法將生產(chǎn)過程抽象為對象，將生產(chǎn)過程的屬性和流程抽象為對象的變量和方法，使用類對生產(chǎn)過程進(jìn)行描述，使代碼的可復(fù)用性和可擴(kuò)展性得到了極大提升，降低了軟件的開發(fā)和維護(hù)難度。

（4）軟件開發(fā)工具

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)過程中常用到的軟件開發(fā)工具有程序設(shè)計(jì)語言、程序編譯器、集成開發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫軟件和分布式編程模型等。

編程語言是用來定義計(jì)算機(jī)程序的標(biāo)準(zhǔn)化形式語言，可分為機(jī)器語言、匯編語言和高級語言三種，機(jī)器語言是用二進(jìn)制代碼表示的計(jì)算機(jī)能直接識別和執(zhí)行的一種機(jī)器指令的集合，它是計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)者通過計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)賦予計(jì)算機(jī)的操作功能。機(jī)器語言具有靈活、直接執(zhí)行和速度快等特點(diǎn)，但代碼由二進(jìn)制指令構(gòu)成，可讀性差，不具備平臺間可移植性。匯編語言具備和機(jī)器語言相同的實(shí)質(zhì)，采用標(biāo)識符對機(jī)器語言進(jìn)行標(biāo)記，增強(qiáng)了機(jī)器語言的可讀性。高級語言是高度封裝了的編程語言，是較接近自然語言和數(shù)學(xué)公式的語言，基本脫離了機(jī)器的硬件系統(tǒng)，用人們更易理解的方式編寫程序。高級語言并不是特指某一種具體的語言，而是包括了很多編程語言，如Fortran、Pascal、C、C++、Java、C#和PHP等。

程序編譯器是把高級語言代碼翻譯為計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的低級語言代碼的程序，編譯器對代碼執(zhí)行預(yù)處理、編譯和鏈接，并對代碼進(jìn)行分析和優(yōu)化，生成精簡、高效的可執(zhí)行程序。C++語言常用的程序編譯器有g(shù)cc/g++和Microsoft C/C++編譯器，Java語言常用的程序編譯器是javac。隨著軟件開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，編譯器一般都被包含在集成開發(fā)環(huán)境中。

集成開發(fā)環(huán)境是用于提供程序開發(fā)環(huán)境的應(yīng)用程序，一般包括代碼編輯器、編譯器、調(diào)試器和圖形用戶界面工具。集成開發(fā)環(huán)境集成了代碼編寫功能、分析功能、編譯功能、調(diào)試功能等，將通用設(shè)置實(shí)施到設(shè)計(jì)人員的代碼中，使用戶可以將注意力集中到編程邏輯上，提高了編碼的效率。常用的集成開發(fā)環(huán)境有Microsoft Visual C++、Microsoft Visual Studio、Eclipse、Keil μVision等。

數(shù)據(jù)庫軟件是一種操縱和管理數(shù)據(jù)庫的大型軟件，用于建立、使用和維護(hù)數(shù)據(jù)庫。它實(shí)現(xiàn)邏輯數(shù)據(jù)的抽象處理，并對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制，以保證數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性。數(shù)據(jù)庫軟件為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件提供數(shù)據(jù)訪問接口，為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)庫可分為網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、樹狀數(shù)據(jù)庫和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫，常用的數(shù)據(jù)庫有Oracle、MS SQL Server、MySQL和Visual Foxpro等。

分布式編程模型是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件發(fā)展的最新成果，它為分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和編程提供可參考的解決方案，常用的分布式編程模型是DCOM模型和Web編程模型。DCOM是一種跨應(yīng)用和語言共享二進(jìn)制代碼的網(wǎng)絡(luò)編程模型，DCOM技術(shù)在工控領(lǐng)域拓展為OPC技術(shù)，為分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了新的途徑。Web發(fā)布系統(tǒng)是分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的拓展和補(bǔ)充，Web編程模型分為客戶端模型和服務(wù)器模型，客戶端模型用于展現(xiàn)信息內(nèi)容，設(shè)計(jì)技術(shù)主要有HTML語言、腳本技術(shù)和插件技術(shù)等；服務(wù)端模型用于構(gòu)建策略與結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)技術(shù)主要有PHP、ASP、Servlet等。