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CNC 系统控制软件的另一个重要特征是实时中断处理。 在数控系统运行期间， 当出现某种非预期的事件时， CPU暂时停下现行程序， 转向为该事件服务， 待事件处理完毕， 再恢复执行原程序， 这个过程称为中断。 中断赋予数控系统中 CPU的应变能力， 把有序的运行和无序的事件统一起来， 大大增强了系统的处理能力。 具体来讲， 中断有以下几方面作用。

①　中断能实现主机和外部设备的并行工作。

②　中断系统能在故障出现时发出中断信号， 调用相应的处理程序， 将故障的危害降到*低程度， 并请求系统管理员排除故障。

③　计算机在现场测试和控制、 网络通信、 人机对话时都具有很强的实时性， 中断技术能确保实时信号的处理。

1. 中断的类型

①　外部中断。 外部中断主要有外部监控中断 （如： 紧急停、 量仪到位等） 和键盘操作面板输入中断。因为前一种中断的实时性要求很高， 将它们放在较高的优先级上， 而键盘和操作面板中断则放在较低的中断优先级上。 在有些系统中，甚至用查询的方式处理。

②　内部定时中断。 内部定时中断主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断。 在有些系统中， 这两种定时中断合二为一，但在处理时， 总是先处理位置控制， 处理插补运算。

③　硬件故障中断。 它是各种硬件故障检测装置发出的中断， 如： 存储器出错、 定时器出错和插补运算超时等。

④　程序性中断。 它是程序中出现的各种异常情况的报警中断， 如： 各种溢出和除零等。

2. 前后台型结构模式

前、 后台型软件结构的中断模式。 前、 后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器 CNC 装置。 在此种软件结构中，整个控制软件分为前台程序和后台程序。 前台程序是一个实时中断服务程序， 它完成全部的实时功能， 如： 插补、 位置控制、 机床 I/O 控制和软硬件故障处理等实时性很强的任务； 而后台程序即背景程序， 其实质是一个循环运行程序， 它能完成显示、 零件程序的输入/输出、 人机界面管理 （参数设置、 程序编辑、 文件管理等）和插补预处理 （译码、 刀补处理、 速度预处理）等实时性弱的任务， 它们被安排在一个循环往复执行的程序环内。 在后台程序运行的过程中， 前台实时中断程序不断插入，后台程序按一定的协议通过信息交换缓冲区向前台程序发送数据， 前台程序向后台程序提供显示数据及系统运行状态。 前、后台程序相互配合， 共同完成零件加工任务。

前、 后台型软件结构中实时中断程序与背景程序的关系如图所示。

前、 后台型软件结构的任务调度机制是： 前台程序为优先抢占调度； 后台程序为顺序调度。

前、 后台型软件结构具有直观、 简单的优点， 但由于后台程序循环执行， 程序模块间依赖关系复杂， 功能扩展困难， 协调性差，程序运行时资源不能得到合理协调， 实时性差。 例如， 当插补运算没有预处理数据时， 后台程序正在运行图形显示，使插补程序处于等待 （空插补） 状态， 只有当图形显示处理完后， CPU 才进行插补准备， 等到插补预处理缓冲区中有写好的数据时，插补程序已等待了整整一个后台程序循环周期。

3. 中断型结构模式

中断型软件结构的特点是除了初始化程序之外， 系统软件中所有任务模块均被安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的中断系统。 由中断管理系统 （由硬件和软件组成） 对各级中断服务程序按照中断优先级的高低实施调度管理。 如：加工过程中的插补、 脉冲分配和位置采样输出等实时周期性任务就是一些**时间间隔中断任务， 它具有*高优先级； 机床可编程控制器（plc） 等会产生一些实时突发性随机中断任务， 其优先级次于前者；用户通过键盘和面板等交互输入设备进行操作所产生的受时间限制不很严格的中断任务， 其优先级*低， 那么当这 3 个中断来时，就优先处理*前者。

在数控系统中， 中断优先级共分为 7 级， 0 级*低， 6 级*高， 除了第 4 级为用硬件中断来完成报警功能外，其余均为软件中断。 下表给出了数控系统中各级中断及其主要功能。

表　数控系统中各级中断及其主要功能

①　0 级中断程序， 即为被初始化程序。 电源接通后， 进入此程序。 初始化主要完成以下工作： 一是为 RAM中作为工作寄存器的单元设置初始状态； 二是为数控加工正常进行而设置一些所需的初始状态。

②　1 级中断程序是主控程序， 即背景程序。 当没有其他中断时， 1 级程序始终循环运行。 它主要完成 CRT 显示器显示控制和ROM 奇偶校验。

③　2 级中断程序主要是对系统所处的各种工作方式进行处理。 这些工作方式主要有自动方式、 MDI 方式、 JOG 方式、增量方式、 手轮方式、 示教方式和编辑方式等。

④　3 级中断服务程序主要完成的功能有： I/ O 映像处理， 用于 PLC 开关量信号的控制； 键盘扫描和处理； M、 S、T 处理。 3 级中断服务程序可将辅助功能， 如： 主轴正、 反转（M03、 M04）， 切削液的开、 关 （M08， M09），主轴转速 （S 指令）， 换刀 （M06 及 T 指令） 等控制信号输出， 以控制机床的动作。

⑤　4 级中断程序是硬件中断。 当数控系统硬件出现故障时， 由系统诊断程序进行检测， 并将出错信息用指示灯或 CRT显示器显示出来。

⑥　5 级中断程序主要完成插补运算、 坐标位置修正、 间隙补偿和加减速控制。

⑦　6 级中断程序是一种软件定时方法。 通过这种定时， 可以实现 2 级和 3 级的 16ms定时中断， 并使其相隔 8ms。当 2 级或 3 级中断还没有返回时， 不再发出中断请求信号。

1. 多任务性与并行处理技术

CNC 系统通常作为一个独立的过程控制单元应用于工业自动化生产中， 它的系统软件必须完成管理和控制两大任务， 这就是 CNC系统的多任务性。 系统的管理部分包括输入、 I/ O 处理、 显示和诊断。 系统的控制部分包括译码、 刀具补偿、 速度处理、插补和位置控制。 在许多情况下， 管理和控制的某些工作必须进行。 如图1a 所示， 当 CNC 系统工作在加工控制状态时， 为了使操作人员能及时地了解 CNC 系统的工作状态，管理软件中的显示模块必须与控制软件运行； 当 CNC 系统工作在 NC 加工方式时，管理软件中的零件程序输入模块必须与控制软件运行； 而当控制软件运行时， 其本身的一些处理模块也必须运行。 如图1b 所示，为了保证加工过程的连续性， 即刀具在各程序段之间不停刀， 译码、 刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块运行，而插补又必须与位置控制进行。 图1中， 双向箭头表示两个模块之间有并行处理关系。

图1　多任务并行处理关系图

所谓并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。并行处理*显著的优点是提高了运算速度。 拿 n 位串行和 n 位并行运算来比较， 在元件处理速度相同的情况下，后者运算速度几乎提高为前者的 n 倍。 这是一种资源重复的并行处理方法， 它是根据 “以数量取胜” 的原则大幅度提高运算速度。并行处理的作用不仅不局限于设备的简单重复， 它还具有更多的含义， 如： 时间重叠和资源共享。 所谓时间重叠是根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开， 轮流使用同一套设备的几个部分。 而资源共享则是根据 “分时共享” 的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备， 这就大大提高了设备资源的利用率。

2. 资源分时共享

在单 CPU 的 CNC 系统中， 主要采用 CPU 分时共享的原则来解决多任务的进行处理的问题，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。 一般来说， 在使用分时共享并行处理的计算机系统中， 要解决的问题是各任务占用 CPU时间的分配原则， 这里面有两方面的含义： 其一， 是各任务何时占用 CPU； 其二， 是允许各任务占用 CPU 时间的长短。在 CNC系统中， 对各任务使用 CPU 是用循环轮流和中断优先相结合的方法来解决的。

图2所示是一个典型 CNC 系统多任务分时共享 CPU 的时间分配图。

图2　典型 CNC 系统多任务分时共享 CPU 的时间分配图

3. 指令的执行方式

一条指令执行完后， 后续指令的衔接方式有 3 种： 顺序方式、 重叠方式和流水方式。

当 CNC 系统处在 NC 工作方式时， 其数据的转换过程将由零件程序输入、 插补准备 （包括译码、 刀具补偿和速度处理）、插补运算和位置控制 4 个子过程组成。 如果每个子过程的处理时间分别为 Δt 1 、 Δt 2 、 Δt 3 、Δt 4 ，那么一个程序段的数据转换时间 t 1 = Δt 1 + Δt 2 + Δt 3 + Δt 4 。 如果以顺序方式处理每个零件程序段，即第一个程序段处理完以后再处理第二程序段， 依此类推， 这种顺序处理时的时间─空间关系如图3所示。

从图中可以看出， 如果等待第一个程序段处理完之后才开始对第二个程序段进行处理， 那么在两个程序段的输出之间将有一个时间长度为 t1 的间隔。 同样， 在第二个程序段与第三个程序段的输出之间也会有时间间隔， 依此类推。

图3　指令顺序执行方式的时间———空间关系

而对于重叠的执行方式， 是指当现行程序段尚未执行完毕， 就去取后续指令。 因为在取出第 N 1 条指令执行时， 存储器已经空闲，可以提前去取第 N 2 条指令。 这样第 N 1 条指令的执行周期便与第 N 2 条指令的取指周期重叠， 使其相应的操作并行执行。指令重叠执行方式的时间─空间关系如图4所示。 从图中可以看出两个程序段之间有一个时间间隔为 t 2 = Δt 1 + Δt 2 +Δt 3的时间间隔。 以上两种指令执行方式反映在电动机上就是电动机的时转时停， 反映在刀具上就是刀具的时走时停， 这些都是加工工艺所不允许的。消除这种现象的办法就是使用流水处理技术。

流水执行方式是重叠执行方式的引申， 它仍基于并行重叠工作原理， 但重叠程度提高。 它是将一条指令的执行过程分解为多个子过程（程序输入、 插补准备、 插补运算、位置控制）， 每个子过程由独立的功能部件完成， 从而构成一条流水线。指令流水执行方式的时间─空间关系如图5所示。 指令序列 1、 2、 3、 4 相继进入流水线， 当第 N 1 条指令的指令序列 1从程序输入站流出进入插补准备站时， 第 N 2 条指令的指令序列 1 立即进入程序输入站……经过流水处理后，一条指令的执行速度并没有提高， 但提高了指令序列的执行速度。 亦即从时间 Δt 4 开始， 每个程序段的输出之间不再有间隔，从而保证了电动机和刀具工作的连续性。

图4　指令重叠执行方式的时间———空间关系

图5　指令流水执行方式的时间———空间关系