摘 要：本文分析了開放式工控組態(tài)軟件系統(tǒng)的優(yōu)勢和不足，介紹了自定義的Child-C語言編譯和解釋系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)可以較大地增強組態(tài)軟件系統(tǒng)在流程控制和應急處理方面的能力。同時還引進了事件的概念。文章重點介紹了在解釋執(zhí)行環(huán)境中處理二進制可執(zhí)行代碼的一種有效方案。 關鍵詞：編譯;解釋執(zhí)行;事件;COM;自動化;工控;組態(tài) 1 基于COM的工控組態(tài)軟件的框架分析 　　傳統(tǒng)的工控組態(tài)軟件[1]一般可以分為兩部分:組態(tài)設計系統(tǒng)和組態(tài)運行系統(tǒng)。組態(tài)設計系統(tǒng)可以按照實際工業(yè)流程的需要選擇工控功能模塊，設置各個模塊間的關聯(lián)和數(shù)據(jù)流向等系統(tǒng)參數(shù)，從而建立一套完整的控制系統(tǒng)。組態(tài)運行系統(tǒng)建立在組態(tài)設計系統(tǒng)基礎之上，它按照設計系統(tǒng)設定的參數(shù)啟動相應的工控功能模塊，并負責模塊之間數(shù)據(jù)的傳輸和并發(fā)控制等。 　　基于COM的工控組態(tài)軟件[2]以面向對象的柔性設計與控制理論為基礎[3]，將面向對象技術應用于控制領域，把控制領域中的功能模塊和對應的控制數(shù)據(jù)抽象封裝成COM組件，按照開放式軟件平臺的原則將這些COM組件以插件的形式被加載到軟件系統(tǒng)中。COM組件是與語言無關的二進制組件，使用任何語言開發(fā)的符合接口規(guī)定的COM組件都可以在組態(tài)軟件系統(tǒng)中使用，因此提高了組態(tài)軟件的開放性和收縮性，在系統(tǒng)設計階段，設計人員可以像搭積木一樣快速而直觀的搭建出一條控制流水線。 　　每個COM組件是被單獨開發(fā)的高度抽象的功能模塊，它偏重于數(shù)據(jù)的計算處理而缺乏對系統(tǒng)環(huán)境變化的應變能力，組件之間的數(shù)據(jù)交互能力也較差。它與系統(tǒng)和其它的控制組件的耦合性較小，要完全同其它組件融合在一起并在大的系統(tǒng)環(huán)境中良好地運轉和適度靈活的應變系統(tǒng)的變化是比較困難的。這就需要在組態(tài)設計系統(tǒng)中使用輔助控制語言對這些組件的活動加以控制，規(guī)范控制流程。如圖1所示，在組態(tài)設計系統(tǒng)中引入事件（Event）的概念，在事件的響應函數(shù)中使用輔助控制語言規(guī)范控制流程和組件的活動，經(jīng)過編譯后生成中間代碼提交給組態(tài)運行系統(tǒng)。相應地在組態(tài)運行系統(tǒng)中建立解釋環(huán)境對中間代碼進行解釋執(zhí)行，從而達到規(guī)范流程控制的目的。 [align=center] 圖1 編譯和解釋運行原理圖[/align] 2 COM組件和自動化對象 　　COM是用于開發(fā)分布式軟件模型的組件化程序設計模型，它是建立在二進制可執(zhí)行代碼級基礎上的。支持IDispatch接口的COM組件對象稱為自動化對象，該接口允許將一個函數(shù)的名稱以字符串的形式提交給組件，組件根據(jù)函數(shù)的名稱自動調(diào)用相應的函數(shù)。該接口提供的這種機制可實現(xiàn)對COM組件的統(tǒng)一調(diào)度。本文介紹的編譯器和解釋器的工作就建立在該機制之上，它為如何在解釋執(zhí)行環(huán)境中啟動二進制可執(zhí)行代碼提供了很好的解決方案。 3 編譯器和解釋器體系的框架分析 　　3.1 控制語言功能的選擇 　　C語言功能豐富，表達能力強，目標程序效率高，可移植性好，控制靈活，普及面廣，非常適用于工業(yè)控制領域。C語言功能強，語法規(guī)則也很龐大，但是要構造一個完整的C語言編譯器用于流程的控制則顯得過于浪費。我們構造了C語言語法規(guī)則的一個子集——Child-C,該子集保留了C語言的分支、循環(huán)、賦值、常量和變量的定義以及函數(shù)調(diào)用等基本語法規(guī)則，去掉了匯編語言的處理能力。 　　3.2 中間代碼編譯器與二進制代碼編譯器邊界的劃分 　　由上面的分析可以看出，整個控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能代碼要經(jīng)過中間代碼編譯器與二進制代碼編譯器兩種編譯器共同編譯。如圖2所示，我們可以把完整編譯器所具備的功能看成是一個大的集合，在這個集合中可以找到一條分界線：分界線左邊的功能是中間代碼編譯器必須具備的，它需要我們自己設計實現(xiàn);分界線右邊的功能是二進制代碼編譯器所具備的，可以編譯出高效的具有數(shù)據(jù)運算處理等功能的二進制機器碼，它不需要我們動手實現(xiàn)。這條分界線是可以移動的，我們需要盡量使它向左移動，壓縮中間代碼編譯器的功能，從而減少開發(fā)的工作量。把復雜的數(shù)據(jù)處理能力和底層訪問能力放到右邊。 [align=center] 圖2 兩類編譯器的分界[/align] 　　3.3 運行時存儲空間組織 　　Child-C能夠處理的數(shù)據(jù)類型除了C語言中傳統(tǒng)的長短整形、浮點、實數(shù)、字符、數(shù)組、指針和結構體外還有COM對象。如圖3a所示，它描述了操作系統(tǒng)、組態(tài)軟件運行系統(tǒng)和解釋器運行時三者存儲空間之間的關系。它們是包含的關系，解釋器是被組態(tài)軟件運行系統(tǒng)建立的，所以它實際上屬于組態(tài)軟件運行系統(tǒng)的一部分。如圖3b所示，解釋器運行時存儲空間可以分為6部分。第一部分占64個字節(jié)，它存儲了兩組共16個虛擬寄存器,名稱為R0,R1,R2…依次類推。第一組包含8個寄存器，它用來完成除了變長字符串之外的所有中間指令數(shù)據(jù)操作。第二組包含8個寄存器，它專門用來完成變長字符串相關指令的操作。第二部分占12個字節(jié)，它存儲了3個32位的無符號整數(shù)，分別記錄了全局堆基址、全局變量基址和運行時堆基址。第三部分是COM組件地址映射區(qū)，該區(qū)的作用將在后面詳細描述。第四部分是全局堆存儲區(qū)，它用來存儲Child-C代碼中用 new 操作符動態(tài)申請的數(shù)據(jù)空間以及所有的變長字符串數(shù)據(jù)，該區(qū)的大小是在解釋器啟動前設定的，解釋器一但運行該值就不能改變。第五部分為全局變量存儲區(qū)，該區(qū)存儲的是可以被所有函數(shù)訪問的全局參數(shù)，如控制環(huán)境的平均溫度和濕度等。第六部分為運行時棧存儲區(qū)，Child-C編寫的函數(shù)全部運行在這個空間之上，它不但存儲函數(shù)體定義的形參、變量和返回值，還要存儲過程調(diào)用和返回時所需的控制鏈數(shù)據(jù)。 [align=center] 圖3 存儲空間關系圖（a）和運行時存儲空間示意圖（b）[/align] 　　3.4 中間代碼操作數(shù)的定義 　　Child-C程序被編譯成中間代碼指令被解釋器執(zhí)行，如以下的Child-C語句執(zhí)行相加操作： 　　int a,b,c; a=b+c; 　　它被編譯為如下幾條中間代碼指令： 　　LOD R0 Ox00000010 4; ①—— 加載變量a到寄存器R0,Ox00000010是變量a在運行時堆存儲區(qū)內(nèi)的偏移地址，4表示加載的數(shù)據(jù)為4個字節(jié) 　　LOD R1 Ox00000014 4; ②—— 加載變量b到寄存器R1 　　ADD ③—— R1+R0->R2,三個寄存器的意義是固定的 　　STR R2 Ox00000018 ④— 將寄存器R2的值保存到變量c中 　　其中指令③的ADD指令是二元操作數(shù)指令，但是它的操作數(shù)固定為R0和R1寄存器，計算結果也固定放到R3中。 　　3.5 字符串的兼容和特殊處理 　　C語言中的字符串是通過字符數(shù)組進行處理的，Child-C繼承了這種字符串處理方法。字符數(shù)組是長度固定的字符串，而在使用Child-C與COM組件交互時經(jīng)常要處理COM標準的BSTR類型變長字符串，為了兼容該數(shù)據(jù)類型，在Child-C中增加了bstr類型的變長字符串數(shù)據(jù)類型。bstr由頭尾兩部分組成：頭部信息由head和len兩個32位無符號整形組成，頭部信息代表了字符串實體，它可以作為局部和全局變量存儲，head是一個指針，它指向字符數(shù)據(jù)在全局堆中的首地址，len記錄了字符串的長度。尾部信息保存在全局堆存儲區(qū)中，字符信息在該區(qū)中并不是連續(xù)的，這也適應了字符串長度變化的需要。bstr可以直接代替BSTR類型，中間代碼指令集中有專門的轉換指令COMTOC和CTOCOM進行數(shù)據(jù)轉換。當需要將bstr轉換成BSTR時，編譯器自動添加COMTOC指令，該指令根據(jù)bstr的頭信息讀取字符數(shù)據(jù)組裝成BSTR數(shù)據(jù)提交給COM組件，而CTOCOM是一個逆過程。這兩條指令使用特設的第二組虛擬寄存器進行轉換操作。 　　3.6 COM組件的訪問 　　COM對象的訪問需要進行特殊處理，它是在解析運行環(huán)境建立之前就已經(jīng)存在的。如圖3a所示，它存儲在組態(tài)軟件系統(tǒng)的存儲空間中，它不會隨著解釋運行環(huán)境的消亡而消亡。而除此之外的數(shù)據(jù)都存儲在解釋器的存儲空間中，它們會隨著解釋運行環(huán)境的消亡而消亡。為了便于編譯器和解釋器統(tǒng)一存儲空間的處理，需要將COM組件映像到解釋器存儲空間中，圖3b中的COM組件地址映射區(qū)就用來保存COM組件地址的映像。在編譯器和解釋器的運行過程中，所有對COM組件的訪問都被映射到該區(qū)域，從而避免了存儲空間的交叉訪問。 　　3.7 解釋器環(huán)境中對COM組件方法的調(diào)用 　　COM組件的各種函數(shù)已經(jīng)被編譯成可被計算機直接執(zhí)行的機器代碼，自動化COM對象允許使用IDispatch接口的統(tǒng)一調(diào)度函數(shù)Invoke（）調(diào)用組件的函數(shù)，被執(zhí)行的函數(shù)可以當作一個字符串參數(shù)被傳送。因此在構造的中間代碼指令集中有一條INVOKE指令，該指令格式為：INVOKE ComOffset FuncOffset ParaOffset;該指令有三個操作數(shù)：ComOffset為要訪問的COM組件在COM組件地址映射區(qū)的偏移，F(xiàn)uncOffset為被調(diào)用函數(shù)的名稱bstr變量地址，ParaOffset是該函數(shù)參數(shù)的個數(shù)和參數(shù)的存儲單元地址，該存儲區(qū)之后是一個4字節(jié)的單元，它用來保存Invoke（）函數(shù)執(zhí)行的返回值。就是說，對COM組件的所有操作，解釋器只需通過執(zhí)行Invoke（）函數(shù)就能完成。 4 事件體系的構造 　　Child-C函數(shù)是通過事件觸發(fā)而被調(diào)用的。事件包含兩種類型，一種是組件運行系統(tǒng)定義的事件，該類型事件屬于整個系統(tǒng)，它與具體組件無關，但可以被COM組件和系統(tǒng)觸發(fā)。另一種是COM組件自定義的事件，該類型事件屬于COM組件，它只能被組件自身觸發(fā)。事件發(fā)生時觸發(fā)解釋器解釋運行事件的相應函數(shù)。事件的處理工作全部交給事件槽來處理，事件槽實際上是一個可鏈接對象接收器[5]，它可以接受系統(tǒng)和COM組件觸發(fā)的事件，同時它還維護了一張事件映射表，該表記錄了所有添加了響應函數(shù)的事件和該事件響應函數(shù)的入口地址以及有關參數(shù)信息。當有事件到達時，首先檢查事件映射表該事件是否有被注冊，如果有則根據(jù)響應函數(shù)的參數(shù)信息分配存儲空間并調(diào)用響應函數(shù)。 5 結束語 　　在實際的生產(chǎn)應用中可以證明，Child-C完全可以勝任絕大部分流程控制的需要，提高了工控組態(tài)軟件的靈活性。解釋器環(huán)境開發(fā)難度小但是程序執(zhí)行效率低，自動化COM組件的函數(shù)調(diào)度機制可以很好的解決這種矛盾，該機制還可以廣泛地應用于其它領域。 參考文獻： 　　[1] 李志剛.工控組態(tài)軟件及其在工業(yè)控制中的應用[J].微機算計信息,1998;14（3） 　　[2] 夏坤,張建國,蔣洪. COM+及其在組態(tài)軟件中的應用研究[J].計算機工程與應用,2002,20.117-119 　　[3] 王培進.面向對象的柔性設計與控制理論（I）[J].計算機工程與應用，2001;36（16）:17-19 　　[4] 潘愛民.COM原理與應用[M].北京:清華大學出版社，1999.12 　　[5] KennethCLouden.編譯原理與實踐[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998. 　　[6] 熊清平,張正勇,李作清.CNC系統(tǒng)巨量NC程序解釋實現(xiàn)的方法[J].中國機械工程,1999,10（6）:673-675.