梯形图并行编译研究及其在FPGA上的实现

【摘要】可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC）被广泛用于解决复杂的工业控制问题，LD梯形图是其编程语言之一。高速高精度一直是PLC的性能追求，但由于PLC使用微控制器作为核心，遵循冯诺依曼体系，所以要提高响应速度就必须降低扫描周期，选择使用更高主频的CPU是一种直接方法，但是这样仅将问题转移到了CPU的瓶颈上。借鉴GPU的思想，对控制程序的执行结构作分析改进，将程序串行执行体系提升为并行执行的体系，选择具有程序并发执行特性的VHDL语言，开发纯硬件hardwarePLC是一种可行方法。通过研读国内外研究学者有关PLC并行编译、LD/Petri网向逻辑电路转换等论文，参考部分理论基础，该课题提出一种指令并行化执行的PLC实现方案，初步设计了系统的硬件结构组织形式并着力于其核心控制器的实现。具体设计内容包含如下：（1）提出LD向VHDL转换的总体思路，如构建同比于三段式扫描机制的VHDL控制程序框架；将LD抽象为逻辑表达式集合，每个表达式对应一个单输出梯级，设计算法实现逻辑表达式集合向VHDL代码的转换。（2）对LD整体进行分析。讨论其存在的依赖关系及分解方法,从而建立LD并发执行模型，为并行PLC奠定基础。（3）对LD局部进行分析。参考有向图理论，将每个梯级抽象为AOV图，设计专用算法实现AOV图到布尔逻辑表达式的转换，得到每个梯级的初步逻辑表达式，所有梯级的逻辑表达式及其位置信息共同构成LD的完整逻辑表达。（4）在hardwarePLC上实现LD的指令集。将LD的指令集按照执行机制的差异划分为以下四大类：流程控制指令（跳转指令等）、基本指令（置位/复位指令等），常用指令（定时器、计数器等）、功能指令（传送指令、算术/逻辑运算指令等），并说明各类指令的不同VHDL设计实现方法。（5）建立LD到VHDL转化的语法规则库、词法规则库。以上5个部分相结合可得到LD对应的VHDL控制程序，将程序下载至FPGA等芯片上，即可实现纯硬件逻辑的hardwarePLC。对于LD的并行编译及硬件逻辑实现问题，国内外还没有成熟的设计方案。指令并行执行的PLC系统，仍处于初级探索阶段，离商业化应用还有较大距离。该课题提出一种基于VHDL语言的、指令并行的hardwarePLC的实现方法，希望对此领域的进一步研究具有一定的参考价值。
【作者】罗奎；
【导师】严义；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，计算机系统结构，2014，硕士
【关键词】可编程逻辑控制器；梯形图；并行编译；VHDL；

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