李善鋒，劉敬猛，陳柏成，徐 東

(北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191)

一種嵌入式NC代碼編譯器的設(shè)計(jì)*

李善鋒，劉敬猛，陳柏成，徐 東

(北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191)

針對(duì)嵌入式數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)NC代碼解釋的高準(zhǔn)確率與高效率的要求，基于自頂向下的遞歸下降分析法，提出一種應(yīng)用于嵌入式數(shù)控系統(tǒng)NC代碼編譯器的設(shè)計(jì)方法。文章主要分別從詞法分析、語(yǔ)法分析和解釋執(zhí)行等方面進(jìn)行編譯器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明:該方法能夠高效地構(gòu)建編譯器，可快速、準(zhǔn)確地對(duì)NC代碼進(jìn)行編譯，具有良好的可移植性;為嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的NC代碼編譯提供了一種簡(jiǎn)單有效的解決方案。

NC編譯器;嵌入式數(shù)控;指令特征分類(lèi);遞歸下降分析

0 引言

隨著嵌入式技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的日益發(fā)展，各種架構(gòu)互異的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案被提出，嵌入式數(shù)控硬件資源的限制，要求NC編譯器應(yīng)具有良好的編譯效率。由于在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中采用的運(yùn)動(dòng)控制模塊不盡相同，幾乎每種嵌入式數(shù)控系統(tǒng)都必須開(kāi)發(fā)自身專(zhuān)用的NC代碼編譯器。雖然這是嵌入式技術(shù)本身專(zhuān)用性的體現(xiàn)，但是也因此給數(shù)控開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了繁重的開(kāi)發(fā)工作，易出現(xiàn)重復(fù)開(kāi)發(fā)，編譯器難以維護(hù)等問(wèn)題［1］。

因此，本文主要從提高嵌入式NC編譯器通用性和改善編譯效率方面闡述NC編譯器設(shè)計(jì)。通過(guò)分析加工指令與形狀之間的關(guān)系，基于指令特征的數(shù)據(jù)集合輸出方法提高詞法掃描效率，基于自頂向下特征預(yù)測(cè)的語(yǔ)法分析加快匹配速度。將運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)硬件驅(qū)動(dòng)封裝成函數(shù)庫(kù)，NC編譯器主體與具體運(yùn)控硬件模塊相對(duì)獨(dú)立，僅在解釋執(zhí)行時(shí)通過(guò)輸出的八元式信息調(diào)用運(yùn)控函數(shù)庫(kù)中相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行函數(shù)。在移植到具體嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中時(shí)，NC編譯器主體完全不用改動(dòng)，只需根據(jù)具體運(yùn)控模塊編寫(xiě)一個(gè)運(yùn)控函數(shù)庫(kù)，提高NC編譯器的可移植性。

1 NC編譯器概述

NC代碼編譯器是數(shù)控系統(tǒng)的三個(gè)核心組成部分之一，其主要功能就是將用戶程序，包括其中的軌跡信息、速度大小和輔助功能等信息，翻譯為運(yùn)動(dòng)控制模塊能夠處理的格式［2］。編譯過(guò)程通常要經(jīng)過(guò)詞法分析、語(yǔ)法分析、錯(cuò)誤處理和解釋執(zhí)行，各個(gè)步驟中的程序?qū)崿F(xiàn)既相互獨(dú)立，又形成串聯(lián)過(guò)程。

NC編譯器所完成的任務(wù)就是將加工代碼轉(zhuǎn)換成底層運(yùn)動(dòng)控制模塊所能識(shí)別的代碼，其主要的功能如圖1所示。目前數(shù)控系統(tǒng)中對(duì)NC代碼的處理方法主要有兩種，分別是逐行解釋實(shí)現(xiàn)方法和編譯實(shí)現(xiàn)方法。前者是在逐行對(duì)代碼進(jìn)行解釋的同時(shí)，根據(jù)對(duì)上一行代碼的解釋所得信息進(jìn)行加工處理，這種方法實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單，但順序的控制方式會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)加工效率低下，程序間的轉(zhuǎn)接不易處理等問(wèn)題。后者在應(yīng)用編譯程序?qū)庸こ绦蜻M(jìn)行整體編譯后，進(jìn)行解釋執(zhí)行，這種方法對(duì)程序處理整體性強(qiáng)、效率高，本系統(tǒng)中NC代碼編譯器就是采用此法來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，還有時(shí)間重疊流水處理的解釋控制方式等一些處理方法［3］。

圖1 NC代碼編譯器功能示意圖

編譯器一般由以下模塊組成:詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析、中間代碼生成、代碼優(yōu)化、目標(biāo)代碼生成及錯(cuò)誤處理等。這些模塊的工作基本上是呈串聯(lián)式的:首先，詞法分析程序?qū)⒏呒?jí)語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)化成符號(hào)表示的代碼;接著，語(yǔ)法分析程序?qū)@些符號(hào)進(jìn)行語(yǔ)法檢查和歸類(lèi);然后，進(jìn)行語(yǔ)義檢查，并生成中間代碼;中間代碼經(jīng)過(guò)優(yōu)化，最后被轉(zhuǎn)化成目標(biāo)代碼。這些步驟對(duì)NC編譯器而言同樣適用，但是NC代碼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基本上是順序執(zhí)行，關(guān)鍵字也較少，是典型的上下文無(wú)關(guān)的正則文法，因此，NC編譯器的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜高級(jí)語(yǔ)言編譯器而言簡(jiǎn)單很多。

2 嵌入式NC編譯器設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

NC編譯器設(shè)計(jì)的主要部分有:詞法分析、語(yǔ)法分析、錯(cuò)誤檢測(cè)處理和解釋執(zhí)行。

基于嵌入式數(shù)控的應(yīng)用背景，NC編譯器應(yīng)具有很好的執(zhí)行效率，在詞法分析時(shí)，通過(guò)分析加工指令與形狀之間的關(guān)系，將面、型腔、側(cè)面、槽孔等特征分解成若干加工指令的集合。根據(jù)指令的特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)，使數(shù)據(jù)以集合的形式輸出。這種基于特征的數(shù)據(jù)集合輸出方法可以在詞法掃描時(shí)提高分析效率。在語(yǔ)法分析時(shí)，采用自頂向下分析法，從開(kāi)始符號(hào)出發(fā)遞歸下降推導(dǎo)，試圖盡早自上而下地為輸入串建立一個(gè)語(yǔ)法樹(shù)，盡快地從頂層預(yù)測(cè)分析輸出匹配式，提高語(yǔ)法分析效率。

為提高通用性，設(shè)計(jì)時(shí)盡量把與硬件直接相關(guān)的部分獨(dú)立出來(lái)。將運(yùn)動(dòng)相關(guān)硬件操作模塊獨(dú)立封裝在一個(gè)函數(shù)庫(kù)中。在解釋執(zhí)行時(shí)，根據(jù)輸出的八元式數(shù)據(jù)集合在運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)中查找執(zhí)行。若移植到其它嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，只需添加相應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)即可，大大提高了NC編譯器的通用性，降低了開(kāi)發(fā)難度。其運(yùn)行的基本流程結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 NC代碼編譯器工作流程圖

如圖2所示，NC編譯器首先對(duì)NC源文件按字符流掃描，根據(jù)詞法規(guī)則產(chǎn)生中間符號(hào)文件;若沒(méi)有詞法錯(cuò)誤便可進(jìn)行語(yǔ)法分析，根據(jù)相應(yīng)語(yǔ)法規(guī)則產(chǎn)生出運(yùn)動(dòng)控制模塊可識(shí)別的加工信息就可以進(jìn)行解釋執(zhí)行。在詞法分析和語(yǔ)法分析過(guò)程中如有錯(cuò)誤，則將錯(cuò)誤類(lèi)型和錯(cuò)誤定位信息反饋給用戶更正NC源程序。圖中除虛線連接的運(yùn)控函數(shù)庫(kù)是與硬件直接相關(guān)外，其余部分均具有較高的通用性。這種將運(yùn)控相關(guān)驅(qū)動(dòng)函數(shù)編譯成庫(kù)，相對(duì)獨(dú)立于NC編譯器的思想，提高了其可移植性。

考慮到嵌入式的應(yīng)用范圍，通用性和編譯效率的折衷，具體代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)NC編譯器完全用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存都不是很大，宜采用執(zhí)行效率高的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。

2.2 詞法分析

NC代碼的結(jié)構(gòu)是由功能字母加上數(shù)據(jù)形成功能指令，在指令后添加加工參數(shù)，則形成一段加工指令，一段加工指令控制機(jī)床完成一個(gè)動(dòng)作，而每一個(gè)程序則由若干段加工指令組成，比如G碼、M碼，以及其他一些功能字組成的指令［4］。數(shù)控加工主要用到的是準(zhǔn)備功能G碼和輔助功能M碼。準(zhǔn)備功能字是使數(shù)控機(jī)床建立起某種加工方式的指令，如插補(bǔ)、刀具補(bǔ)償、固定循環(huán)等，G功能字由地址符G和其后的兩位數(shù)字組成，從G00～G99共100種功能，目前采用的是JB3208-83標(biāo)準(zhǔn);輔助功能字是用于指定主軸的旋轉(zhuǎn)方向、啟動(dòng)、停止、冷卻液的開(kāi)關(guān)，工件或刀具的夾緊和松開(kāi)，刀具的更換等功能，輔助功能字由地址符M和其后的兩位數(shù)字組成。

NC程序一般是針對(duì)某一個(gè)或某一些特征進(jìn)行的加工，為了更好的與NC編程思想一致，使詞法分析結(jié)果與加工過(guò)程更加接近，就對(duì)NC指令進(jìn)行了分類(lèi)，得到了基于特征的數(shù)據(jù)集合輸出方法。通過(guò)分析加工指令與形狀之間的關(guān)系，將面、型腔、側(cè)面、槽孔等特征分解成以下4種加工指令的集合，如表1所示。

表1 NC指令功能特征分類(lèi)

對(duì)于由以上功能指令組成的數(shù)控程序，將它翻譯為運(yùn)動(dòng)控制模塊可識(shí)別語(yǔ)言的第一步是進(jìn)行程序的詞法分析。詞法分析的主要功能是:對(duì)源程序按字符流進(jìn)行掃描，按設(shè)定的詞法規(guī)則識(shí)別出各類(lèi)符號(hào)，產(chǎn)生中間符號(hào)系列，這些符號(hào)系列將用于語(yǔ)法分析，對(duì)源程序的詞法分析采用正則表達(dá)式。

本系統(tǒng)詞法分析的流程是:每次從源文件中讀一行放入緩沖區(qū)，去掉源程序中的空白和注釋?zhuān)購(gòu)木彌_區(qū)中每次讀取一個(gè)字符進(jìn)行判斷，根據(jù)字符類(lèi)別的不同進(jìn)行相應(yīng)的處理，識(shí)別出的每一個(gè)字符都填入符號(hào)表中。符號(hào)表的定義如下結(jié)構(gòu)體所示:

通過(guò)申明全局符號(hào)表，用于存儲(chǔ)詞法分析的字符信息，并返回符號(hào)表的入口，作為token表的第二個(gè)元素。這樣構(gòu)成的token表的第一個(gè)元素是種別碼，而對(duì)于第二個(gè)元素，如果該符號(hào)是關(guān)鍵字，則第二個(gè)元素為-1，否則token表的第二元素為該單詞在符號(hào)表中的入口地址。

詞法分析過(guò)程中會(huì)進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，主要是檢查程序中是否出現(xiàn)非法字符。經(jīng)過(guò)循環(huán)解析，詞法分析模塊會(huì)產(chǎn)生符號(hào)系列文件，該文件后續(xù)用作為語(yǔ)法分析的源文件。詞法分析流程如圖3所示。

圖3 詞法分析結(jié)構(gòu)流程圖

現(xiàn)輸入一段NC代碼，該代碼的加工意義是快速移動(dòng)到指定位置，代碼如下所示:

以上程序經(jīng)過(guò)詞法分析的結(jié)果為:

2.3 語(yǔ)法分析

NC代碼編譯器的語(yǔ)法分析模塊的功能是按照NC代碼的語(yǔ)言規(guī)則，將由詞法分析得出的符號(hào)串進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別出其中的功能字的語(yǔ)法成分。其工作原理是:讀取詞法分析結(jié)果的符號(hào)串，判別是否為NC代碼的句子，如果是，就輸出句子;否則，說(shuō)明源程序有語(yǔ)法錯(cuò)誤，記錄錯(cuò)誤。

本設(shè)計(jì)中采用的是自頂向下分析法中的遞歸下降分析法［5］，它的基本思路是:從文法的開(kāi)始符號(hào)出發(fā)，按最左推導(dǎo)方式向下推導(dǎo)，試圖推導(dǎo)出分析的輸入串，盡早從頂層進(jìn)行預(yù)測(cè)指令匹配分析。設(shè)計(jì)時(shí)具體實(shí)現(xiàn)方法是:為每個(gè)非終結(jié)符構(gòu)造一個(gè)子程序，如果這個(gè)非終結(jié)符右部只有一個(gè)候選式，則由從左至右的順序構(gòu)造其識(shí)別過(guò)程;如果其右部是終結(jié)符，則判斷其能否與輸入相等，相等則讀下一個(gè)符號(hào)，否則，說(shuō)明出錯(cuò);如果右部是非終結(jié)符，則調(diào)用該符號(hào)的子程序進(jìn)行識(shí)別;如果右部有多個(gè)候選式，則按分支識(shí)別。如圖4所示為NC語(yǔ)法分析過(guò)程。

圖4 語(yǔ)法分析流程圖

NC代碼的優(yōu)點(diǎn)是順序執(zhí)行，其執(zhí)行過(guò)程沒(méi)有循環(huán)和選擇結(jié)構(gòu)，語(yǔ)言規(guī)則簡(jiǎn)單，因此，一段NC代碼的執(zhí)行首先讀取其程序段號(hào)，然后辨識(shí)其操作功能字以及功能字后的參數(shù)，如下程序段所示:

該段程序語(yǔ)法分析的結(jié)果為:

在這段程序的語(yǔ)法分析過(guò)程中，其操作碼、參數(shù)等將保存在一個(gè)8成員的結(jié)構(gòu)體中，該結(jié)構(gòu)體以八元式的形式輸出至語(yǔ)法分析結(jié)果文件，即解釋執(zhí)行的流程文件。八元式結(jié)構(gòu)體定義如下所示:

2.4 解釋執(zhí)行

經(jīng)過(guò)詞法分析和語(yǔ)法分析后，如果沒(méi)有錯(cuò)誤記錄，則說(shuō)明所輸入的NC源碼是符合NC語(yǔ)法規(guī)則的正確代碼。編譯器輸出的八元式文件中的每一句都是操作運(yùn)動(dòng)控制模塊動(dòng)作的命令和參數(shù)，這些命令要通過(guò)查找操作表，找到其相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)并且傳遞參數(shù)，解釋執(zhí)行程序完成的就是相應(yīng)的查找和傳遞過(guò)程。

設(shè)計(jì)時(shí)將與硬件密切相關(guān)的運(yùn)動(dòng)控制模塊驅(qū)動(dòng)封裝成一個(gè)函數(shù)庫(kù)，使之與編譯器主體相對(duì)獨(dú)立，提高編譯器的通用性。運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)一般要實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)控函數(shù)如:機(jī)械原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、外部開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)、手輪控制運(yùn)動(dòng)、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等。本系統(tǒng)中運(yùn)控模塊采用的是PCL6045專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制芯片，系統(tǒng)要作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，只需通過(guò)八元式數(shù)據(jù)集合輸出相應(yīng)的運(yùn)控參數(shù)如:距離、速度、加速度、目標(biāo)位置和中心位置等，傳遞給相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)。

整個(gè)編譯器將和刀補(bǔ)模塊一起成為數(shù)控應(yīng)用的一個(gè)用戶任務(wù)［6］，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中要調(diào)用編譯器時(shí)，向消息郵箱發(fā)送調(diào)用消息，當(dāng)任務(wù)被激活時(shí)，如果查詢(xún)郵箱有調(diào)用消息，則進(jìn)行解釋執(zhí)行，流程如圖5所示。

圖5 解釋執(zhí)行流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與總結(jié)

一個(gè)高性能嵌入式數(shù)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)高速、高精控制，對(duì)編譯器的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)要求是每秒編譯1000程序段以上。實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)是一個(gè)三軸聯(lián)動(dòng)雕刻床，每個(gè)軸由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)采用的ARM10處理器PXA270主頻為520M Hz，內(nèi)存64MB。為了驗(yàn)證編譯器解析功能和性能，選擇盡可能包含較全面功能NC程序段的源程序。編譯實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 NC程序編譯效率實(shí)驗(yàn)

由于零件2的NC程序中包含宏計(jì)算指令，平均每段指令編譯耗時(shí)比零件1、3多。一般說(shuō)來(lái)宏計(jì)算指令和固定循環(huán)指令等復(fù)雜功能指令都會(huì)比普通指令編譯耗時(shí)長(zhǎng)一些。通過(guò)對(duì)不同零件的NC程序進(jìn)行編譯實(shí)驗(yàn)可以看到編譯器編譯效率可以很好的滿足數(shù)控系統(tǒng)的要求。

編譯一個(gè)長(zhǎng)735段NC代碼的小狗復(fù)雜輪廓程序，需耗時(shí)330ms，平均編譯一個(gè)程序段所需時(shí)間為0.45ms，并進(jìn)行加工測(cè)試。圖6所示為測(cè)試平臺(tái)樣機(jī)及小狗輪廓程序加工結(jié)果，顯示編譯器解析準(zhǔn)確。

圖6 測(cè)試平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

NC編譯器作為數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)核心軟件模塊，承擔(dān)了將用戶輸入的NC代碼編譯為運(yùn)動(dòng)控制模塊所能識(shí)別機(jī)器碼的任務(wù)。NC編譯器主要由詞法分析、語(yǔ)法分析、錯(cuò)誤檢查和解釋執(zhí)行四個(gè)模塊組成，本文重點(diǎn)對(duì)詞法分析，語(yǔ)法分析和解釋執(zhí)行的實(shí)現(xiàn)原理及提高編譯效率的措施作了論述。采用指令特征的數(shù)據(jù)集合輸出方法提高了詞法掃描效率，基于自頂向下的預(yù)測(cè)語(yǔ)法分析加快匹配速度。通過(guò)移植到具體的嵌入式數(shù)控中進(jìn)行編譯效率測(cè)試與實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了編譯器對(duì)加工程序解析的完整性和準(zhǔn)確性，編譯速度完全滿足數(shù)控系統(tǒng)要求。

［1］徐小明，王碩桂.基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)代碼編譯器的開(kāi)發(fā)［J］. 機(jī)床與液壓，2009，37(11):4244.

［2］沙智華，張恒芳，等.通用數(shù)控代碼編譯系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)［J］. 中國(guó)機(jī)械工程，2003，14(9):1011-1014.

［3］任松濤，秦現(xiàn)生，白晶.NC代碼解釋器的開(kāi)發(fā)［J］.中國(guó)制造業(yè)信息，2007，36(5):54-57.

［4］徐星月，葉佩青.基于Lex和Yacc的開(kāi)放式數(shù)控代碼解釋器的開(kāi)發(fā)［J］.現(xiàn)代制造工程，2007(6):23-25.

［5］姚道敏，俞立鈞，等.數(shù)控系統(tǒng)譯碼模塊程序設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2007(7):78-81.

［6］談峰.主流開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)比較分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008(3):169-170.

A Design of Compiler for NC Code in Embedded NC System

LI Shan-feng，LIU Jing-meng，CHEN Bai-cheng，XU Dong
(School of Automation Science and Electrical Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China)

In allusion to the demand for high precision and high efficiency of the NC code compiler from the NC system，based on the top-down analysis method of recursive descent grammar，a novel design of general NC code complier in embedded NC system is presented.The design and implementation of compiler are described from different aspects:lexical analysis，syntax analysis，interpreted executing and so on.The practical results show that the method can construct the compiler efficiently，compile the NC code faster and more correctly，owned fine portability;which provides a simple and effective solution for NC code compiler in embedded NC system.

NC code compiler;embedded NC system;NC code classification;recursive descent analysis

TP273

B

1001-2265(2012)02-0045-04

2011-06-28;

2011-07-25

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”的子課題“全數(shù)字高檔數(shù)控裝置”(2009ZX04009-014)

李善鋒(1985—)，男臨沂人，北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置;通訊作者:劉敬猛(1967—)，男，安徽霍邱縣人，北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院副教授，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置，(E-mail)ljm@buaa.edu.cn。

(編輯 李秀敏)