基于Windows NT的数据网关的设计与实现
摘要
在传统的数据网关中，由于受计算机和通信技术的限制，实时数据一般采用单任务、串行方式处理。随着控制系统与信息系统的发展，系统规模不断扩大。传统的实时数据处理机制已不能满足需要。近年来，随着计算机网络和通信技术的发展，数据的处理和通信能力已有很大的提升，短时间内就可以传输大量的数据。在这种情况下，必须发展更高效的实时数据处理方法。
本文提出了一种基于多任务的实时数据处理方式。它充分利用了新一代操作系统Windows NT提供的多任务机制，在对实时数据的处理上，由传统的串行处理改为多线程并行处理，提高了实时数据的处理效率，提高了系统的实时性和可靠性，可以满足大型系统的需要。
本文研究的数据网关的软件系统设计是在Windows NT平台上实现的，而进程和线程是Windows NT上最重要的概念。本文第二章首先介绍了进程和线程的概念，以及系统如何创建进程和线程内核对象和使用相关的内核对象对进程和线程进行操作，然后介绍了进程和线程的各种不同的属性，以及查询和修改这些属性所用的若干个函数。
Windows NT提供了集成联网的能力并支持TCP／IP、Socket套接字。本文第三章首先介绍了TCP／IP的起源和发展，然后介绍了TCP／IP的体系结构和特点，最后介绍了基于TCP／IP的WinSocket通信接口原理和网络应用系统的关键流程。
可编程控制器(PLC)是以微处理器技术为基础，综合计算机技术和自动控制技术发展起来的一种新型工业控制器，广泛应用于工业各个领域。数据网关功能之一是与PLC控制网络进行数据通信。本文第四章介绍了Siemens CP1613通信处理器的特点和SAPI—S7应用编程接口。
数据网关主要完成控制网络与信息网络的动态数据交换的任务。本文第五章首先对系统多任务的划分及相互间信息的交互与协调做了详细分析，然后对软件模块设计中的几个关键技术和实现细节进行详细说明。
该数据网关已应用于本钢二炼钢转炉自动化系统改造项目中，应用结果表明系统运行稳定，实时性好，具有一定的推广价值。
In the conventional design of data gateway, real-time date commonly is dealt with using single-task and serial mode because of the restriction of computer and communication technique. With the development of control system and information system, system scale gradually enlarged Conventional real-time date processing mechanism has not already been fit for practical demand In the passing several years with the development of computer network and communication technique, the ability of data processing and data communication has been advanced largely and a large amount of data can be transmitted in short time. Under this circumstance more efficient method of real-time date processing must be developed
This paper brings forward a method of real-time data processing based on multi-task. It makes best of multi-mask mechanism provided by new operation system -Windows NT. Conventional serial data processing is replaced by parallel data processing for the processing of real-time data. This method enhances efficiency of processing real-time and enhances real-time ability and reliability of system, so it satisfies the demand of a great system.
The design of software system of data gateway studied by this paper is implemented under Windows NT. Process and Thread are the most conception in Windows NT. Firstly, chapter 2 introduces the conception of Process and Thread and how operation system creates the kernel object of Process and Thread and operates Process and Thread using correlative kernel object. Secondly, it introduces the different attributes of Process and Thread and some functions using querying and modifying these functions.
Windows NT provides ability of network integration and supports TCP/IP > socket Firstly, chapter 3 introduces the origin and development of TCP/IP. Secondly, introduces system structure and specification characteristic, and finally introduces WinSocket communication interface principle based on TCP/IP and pivotal flow of network application system.
Programmable controller (PLC) is a new type of industrial controller developed by microprocessor technique, compositive computer and automation technique. It applies to each industrial field. One of data gateway's functions is to communicate with PLC control network. In this paper chapter 4 introduces
characteristic of Siemens CP1613 communication processor and SAPI ?S7 application programming interface.
Data gateway mainly accomplishes dynamic data exchange between control network and information network. Firstly, chapter 5 labors partition of multi-task in the system and the communication and harmony between these tasks, Secondly, explains some important techniques and realization details in the process of software modules' design.
The data gateway has been applied to the reconstructed item of converter automation system of BenSteel. As a result system runs stably and real-time capability is desirable. It has definite value popularized.
本文提出了一种基于多任务的实时数据处理方式。它充分利用了新一代操作系统Windows NT提供的多任务机制，在对实时数据的处理上，由传统的串行处理改为多线程并行处理，提高了实时数据的处理效率，提高了系统的实时性和可靠性，可以满足大型系统的需要。
本文研究的数据网关的软件系统设计是在Windows NT平台上实现的，而进程和线程是Windows NT上最重要的概念。本文第二章首先介绍了进程和线程的概念，以及系统如何创建进程和线程内核对象和使用相关的内核对象对进程和线程进行操作，然后介绍了进程和线程的各种不同的属性，以及查询和修改这些属性所用的若干个函数。
Windows NT提供了集成联网的能力并支持TCP／IP、Socket套接字。本文第三章首先介绍了TCP／IP的起源和发展，然后介绍了TCP／IP的体系结构和特点，最后介绍了基于TCP／IP的WinSocket通信接口原理和网络应用系统的关键流程。
可编程控制器(PLC)是以微处理器技术为基础，综合计算机技术和自动控制技术发展起来的一种新型工业控制器，广泛应用于工业各个领域。数据网关功能之一是与PLC控制网络进行数据通信。本文第四章介绍了Siemens CP1613通信处理器的特点和SAPI—S7应用编程接口。
数据网关主要完成控制网络与信息网络的动态数据交换的任务。本文第五章首先对系统多任务的划分及相互间信息的交互与协调做了详细分析，然后对软件模块设计中的几个关键技术和实现细节进行详细说明。
该数据网关已应用于本钢二炼钢转炉自动化系统改造项目中，应用结果表明系统运行稳定，实时性好，具有一定的推广价值。
In the conventional design of data gateway, real-time date commonly is dealt with using single-task and serial mode because of the restriction of computer and communication technique. With the development of control system and information system, system scale gradually enlarged Conventional real-time date processing mechanism has not already been fit for practical demand In the passing several years with the development of computer network and communication technique, the ability of data processing and data communication has been advanced largely and a large amount of data can be transmitted in short time. Under this circumstance more efficient method of real-time date processing must be developed
This paper brings forward a method of real-time data processing based on multi-task. It makes best of multi-mask mechanism provided by new operation system -Windows NT. Conventional serial data processing is replaced by parallel data processing for the processing of real-time data. This method enhances efficiency of processing real-time and enhances real-time ability and reliability of system, so it satisfies the demand of a great system.
The design of software system of data gateway studied by this paper is implemented under Windows NT. Process and Thread are the most conception in Windows NT. Firstly, chapter 2 introduces the conception of Process and Thread and how operation system creates the kernel object of Process and Thread and operates Process and Thread using correlative kernel object. Secondly, it introduces the different attributes of Process and Thread and some functions using querying and modifying these functions.
Windows NT provides ability of network integration and supports TCP/IP > socket Firstly, chapter 3 introduces the origin and development of TCP/IP. Secondly, introduces system structure and specification characteristic, and finally introduces WinSocket communication interface principle based on TCP/IP and pivotal flow of network application system.
Programmable controller (PLC) is a new type of industrial controller developed by microprocessor technique, compositive computer and automation technique. It applies to each industrial field. One of data gateway's functions is to communicate with PLC control network. In this paper chapter 4 introduces
characteristic of Siemens CP1613 communication processor and SAPI ?S7 application programming interface.
Data gateway mainly accomplishes dynamic data exchange between control network and information network. Firstly, chapter 5 labors partition of multi-task in the system and the communication and harmony between these tasks, Secondly, explains some important techniques and realization details in the process of software modules' design.
The data gateway has been applied to the reconstructed item of converter automation system of BenSteel. As a result system runs stably and real-time capability is desirable. It has definite value popularized.
引文
[1] 任艳频．企业网信息网络与控制网络的集成问题．工业控制计算机．1999(2)。
[2] 史赫、潘立刚．现场控制网络与信息网络的互联及管理．微机与应用．2001年第4期。
[3] 王纪韶．钢铁企业计算机管控一体化系统及其建模．计算机应用技术．1998 NO．6。
[4] 王华，过程控制是管理信息系统建设的基础．信息与自动化．1997第四期。
[5] 王艳春、赵志强．转炉计算机自动控制系统中的过程级与基础级的数据通讯．包钢科技．2001年8月第27卷增刊。
[6] 康建辉、肖庆．包钢转炉计算机过程控制的软件结构．冶金自动化．1998年第三期。
[7] 董志鹏．本钢炼钢厂转炉过程控制系统与生产管理、计划、控制系统改造方案．鞍钢技术．2001年第一期。
[8] 郑文波．控制网络技术．清华大学出版社．2001年8月。
[9] Jeffrey Richter. Windows 核心编程．机械工业出版社．2000年5月。
[10] William Stalling．操作系统——内核与设计原理(第四版)，电子工业出版社．2001年6月。
[11] Kleiman.s, Shah. D, and Smallders. B. Programming with Threads. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. 1996。
[12] Pham. T, Garg. P Multithreaded with Windows NT. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. 1996。
[13] Axford, T. Concurrent Programming: Fundamental Techniques for Real-Time and Parallel Software Design. New York: Wiley. 1998。
[14] Bacon. J. Concurrent Programming., MA: Addison-Wesley. 1998。
[15] 钟再敏、郝洪涛、李拥政．Windows NT数据采集和实时显示应用探讨．计算机自动测量与控制 1999．7(3)。
[16] 唐新平、赵金、陈治刚、万淑芸．基于PC机的生产过程计算机监控系统设计．计算机自动测量与控制．2000．8(2)。
[17] 牛文娟、乏为胜．WINDOWS环境下计算机实时系统的开发．微型机与应用．1998年第11期。
[18] 曾晶、葛莉．实时系统软件设计的一些技术问题．电气传动．1997年第5期。
[19] 周德兴、孟晓风．实时系统软件设计方法计算机自动测量与控制，2000．8(4)。
[20] Beck. L. System Software. Reading, MA: Addison-Wesley. 1990。
[21] Clarke. D, and Merusi. D System Software Programming: The Way Things Work. Upper Saddle River,NJ: Prentice Hall. 1998。
[22] Milenkovic. M Operating Systems: Concepts and Design. New York: McGraw-Hill. 1992。
[23] Gomaa H. Systems Design Methods for Concurrent and Real-tune Systems. Addison-Wesley Publishing Company 1998。
[24] 虞伟强、魏守平、汪建、伍永刚．水电厂计算机实时控制系统中的多任务管理．水电能源科学．1997年6月第15卷第2期。
[25] 谢庆国、顾宏、杨建华、刘英敏．Windows 作为实时控制环境的探讨，计算机工程与应用．1998．3。
[26] 姜淑菊、张书云．TCP／IP协议的通信程序设计．计算机应用．1997年3月。
[27] 扶忠践．基于MFC的网络通信程序设计．长沙电力学院学报(自然科学版)1999年1月。
[28] 刘永红．Windows 多任务管理机制分析，成都大学学报(自然科学版)．2000年1月。
[29] 王云茂．变电站综合自动化系统上位机实时多任务管理方法的探讨．微型机与应用．1998年第6期。
[30] 王琼芳．基于消息机制的Windows多任务机理透视．计算机应用．第2001年10月。
[31] 任光、贾欣乐、张显库等．实时多任务操作系统及其在轮机控制系统中的应用．大连海事大学学报．1998年2月。
[32] 薛天宇．一种实时多任务系统软件设计方法，电子技术应用，2001年第四期。
[33] 曾建明．3高炉VAX计算机和WDPF集散系统数据通信软件包的开发．宝钢技术．1998年第4期。
[34] 张建军 Windows NT在测量雷达数据处理软件中的应田．现代雷达．1998年8月第4期。
[35] 周敬烈．Windows NT环境中雷达实时数据处理软件的数据交换方式．现代雷达．1998年12月第6期。
[36] 姜淑菊、张书云．Windows NT系统下实时动态模拟环境中多任务的控制．电子科技大学学报．2001年10月第5期。
[37] 杨宏军、孙少斌、陈璐。在Windows NT下通过内存映射进行实时通信的实现．计算机应用．2000年6月。
[38] 金烨、李玉家．并行任务的组织规划综述．制造业自化．2002年12月第12期。
[39] 郑震宇、周立、赵霞、许晓鸣．基于Windows NT的过程控制组态及仿真软件包的开发微计算机信息．1998年第14卷第5期。
[40] 方文．计算机和GATEWAY通信软件包的设计工业控制计算机．2000年13卷第二期。
[41] 宋震、陈吉红、阳道善．实时多任务软件的开发方法及实例．计算机工程与应用，1998．10。
[42] 陈黎震．在Windows下实现实对多任务的方法．集美航海学院学报．第16卷第3期。
[43] 李志荣．在Windows NT环境下实现实时可靠的数据通信．计算机工程．1999年12月。
[44] Optimal Deadline Assignment for Scheduling Sort Aperiodic Tasks in Hard Real-Time Environments—IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS, VOL.48, NO. 10, Giorgio C
[45] A tool for evaluating dynamic scheduling algorithms for real-time multiprocessor systems——Systems and Software,G., Manimaran
[46] New strategies for assigning Real-Time Tasks To multiaprocessor systems—IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS, VOL.44, NO. 12, Almut Burchard.
[47] Optimal Reward-Based Scheduling for Periodic Real-Time Tasks—IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS, VOL.50, NO.2, Hakan Aydin.
[48] Weakly Hard Real-Time Systems—IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS, VOL.50, NO.2, Hakan Aydin.
[49] 张泽耕、胡波．用TCP／IP协议实现异种计算机之间的实时数据通信．测控技术．1997年第16卷第4期。
[50] 王春铭、刘振华、郭云飞．实时操作系统中应用软件的任务划分计算机工程．2000年7月。
[51] 寇欣宇、王仲、叶声华基于多进程的测控系统软件设计及其数据通信．计算机工程与应用．2000．6。
[52] 余志勇、刘光斌、许化龙．分布式测控系统的多线程应用程序设计．计算机工程与应用．1999年5月。
[53] 朱从旭、邓宏贵．基于Windows软件系统集成的应用程序调控技术研究．计算机工程．2000年8月。
[54] 陈增强、潘兆平等．基于Windows NT环境的工业锅炉监控系统设计．计算机工程与应用．2000年8月。
[55] 蒋东兴、林鄂华等．Windows Sockets网络程序设计大全．清华大学出版社．1999年4月。
[56] Anthony Jones, Jim Ohlund. Windows网络编程技术机械工业出版社．2000年3月。
[57] Kate Gregory. Visual C＋＋6开发手册．机械工业出版社．1999年2月。
[58] 蔡德聪等．工业控制计算机实时操作系统．清华大学出版社．1999年12月。
[59] YangJ, Lange E.SYSTRAN on Alta Vista: a User Study on Realtime Machine Translation on the Internet [J]. In: AMTA, 1998,275-285。
[2] 史赫、潘立刚．现场控制网络与信息网络的互联及管理．微机与应用．2001年第4期。
[3] 王纪韶．钢铁企业计算机管控一体化系统及其建模．计算机应用技术．1998 NO．6。
[4] 王华，过程控制是管理信息系统建设的基础．信息与自动化．1997第四期。
[5] 王艳春、赵志强．转炉计算机自动控制系统中的过程级与基础级的数据通讯．包钢科技．2001年8月第27卷增刊。
[6] 康建辉、肖庆．包钢转炉计算机过程控制的软件结构．冶金自动化．1998年第三期。
[7] 董志鹏．本钢炼钢厂转炉过程控制系统与生产管理、计划、控制系统改造方案．鞍钢技术．2001年第一期。
[8] 郑文波．控制网络技术．清华大学出版社．2001年8月。
[9] Jeffrey Richter. Windows 核心编程．机械工业出版社．2000年5月。
[10] William Stalling．操作系统——内核与设计原理(第四版)，电子工业出版社．2001年6月。
[11] Kleiman.s, Shah. D, and Smallders. B. Programming with Threads. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. 1996。
[12] Pham. T, Garg. P Multithreaded with Windows NT. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. 1996。
[13] Axford, T. Concurrent Programming: Fundamental Techniques for Real-Time and Parallel Software Design. New York: Wiley. 1998。
[14] Bacon. J. Concurrent Programming., MA: Addison-Wesley. 1998。
[15] 钟再敏、郝洪涛、李拥政．Windows NT数据采集和实时显示应用探讨．计算机自动测量与控制 1999．7(3)。
[16] 唐新平、赵金、陈治刚、万淑芸．基于PC机的生产过程计算机监控系统设计．计算机自动测量与控制．2000．8(2)。
[17] 牛文娟、乏为胜．WINDOWS环境下计算机实时系统的开发．微型机与应用．1998年第11期。
[18] 曾晶、葛莉．实时系统软件设计的一些技术问题．电气传动．1997年第5期。
[19] 周德兴、孟晓风．实时系统软件设计方法计算机自动测量与控制，2000．8(4)。
[20] Beck. L. System Software. Reading, MA: Addison-Wesley. 1990。
[21] Clarke. D, and Merusi. D System Software Programming: The Way Things Work. Upper Saddle River,NJ: Prentice Hall. 1998。
[22] Milenkovic. M Operating Systems: Concepts and Design. New York: McGraw-Hill. 1992。
[23] Gomaa H. Systems Design Methods for Concurrent and Real-tune Systems. Addison-Wesley Publishing Company 1998。
[24] 虞伟强、魏守平、汪建、伍永刚．水电厂计算机实时控制系统中的多任务管理．水电能源科学．1997年6月第15卷第2期。
[25] 谢庆国、顾宏、杨建华、刘英敏．Windows 作为实时控制环境的探讨，计算机工程与应用．1998．3。
[26] 姜淑菊、张书云．TCP／IP协议的通信程序设计．计算机应用．1997年3月。
[27] 扶忠践．基于MFC的网络通信程序设计．长沙电力学院学报(自然科学版)1999年1月。
[28] 刘永红．Windows 多任务管理机制分析，成都大学学报(自然科学版)．2000年1月。
[29] 王云茂．变电站综合自动化系统上位机实时多任务管理方法的探讨．微型机与应用．1998年第6期。
[30] 王琼芳．基于消息机制的Windows多任务机理透视．计算机应用．第2001年10月。
[31] 任光、贾欣乐、张显库等．实时多任务操作系统及其在轮机控制系统中的应用．大连海事大学学报．1998年2月。
[32] 薛天宇．一种实时多任务系统软件设计方法，电子技术应用，2001年第四期。
[33] 曾建明．3高炉VAX计算机和WDPF集散系统数据通信软件包的开发．宝钢技术．1998年第4期。
[34] 张建军 Windows NT在测量雷达数据处理软件中的应田．现代雷达．1998年8月第4期。
[35] 周敬烈．Windows NT环境中雷达实时数据处理软件的数据交换方式．现代雷达．1998年12月第6期。
[36] 姜淑菊、张书云．Windows NT系统下实时动态模拟环境中多任务的控制．电子科技大学学报．2001年10月第5期。
[37] 杨宏军、孙少斌、陈璐。在Windows NT下通过内存映射进行实时通信的实现．计算机应用．2000年6月。
[38] 金烨、李玉家．并行任务的组织规划综述．制造业自化．2002年12月第12期。
[39] 郑震宇、周立、赵霞、许晓鸣．基于Windows NT的过程控制组态及仿真软件包的开发微计算机信息．1998年第14卷第5期。
[40] 方文．计算机和GATEWAY通信软件包的设计工业控制计算机．2000年13卷第二期。
[41] 宋震、陈吉红、阳道善．实时多任务软件的开发方法及实例．计算机工程与应用，1998．10。
[42] 陈黎震．在Windows下实现实对多任务的方法．集美航海学院学报．第16卷第3期。
[43] 李志荣．在Windows NT环境下实现实时可靠的数据通信．计算机工程．1999年12月。
[44] Optimal Deadline Assignment for Scheduling Sort Aperiodic Tasks in Hard Real-Time Environments—IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS, VOL.48, NO. 10, Giorgio C
[45] A tool for evaluating dynamic scheduling algorithms for real-time multiprocessor systems——Systems and Software,G., Manimaran
[46] New strategies for assigning Real-Time Tasks To multiaprocessor systems—IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS, VOL.44, NO. 12, Almut Burchard.
[47] Optimal Reward-Based Scheduling for Periodic Real-Time Tasks—IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS, VOL.50, NO.2, Hakan Aydin.
[48] Weakly Hard Real-Time Systems—IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS, VOL.50, NO.2, Hakan Aydin.
[49] 张泽耕、胡波．用TCP／IP协议实现异种计算机之间的实时数据通信．测控技术．1997年第16卷第4期。
[50] 王春铭、刘振华、郭云飞．实时操作系统中应用软件的任务划分计算机工程．2000年7月。
[51] 寇欣宇、王仲、叶声华基于多进程的测控系统软件设计及其数据通信．计算机工程与应用．2000．6。
[52] 余志勇、刘光斌、许化龙．分布式测控系统的多线程应用程序设计．计算机工程与应用．1999年5月。
[53] 朱从旭、邓宏贵．基于Windows软件系统集成的应用程序调控技术研究．计算机工程．2000年8月。
[54] 陈增强、潘兆平等．基于Windows NT环境的工业锅炉监控系统设计．计算机工程与应用．2000年8月。
[55] 蒋东兴、林鄂华等．Windows Sockets网络程序设计大全．清华大学出版社．1999年4月。
[56] Anthony Jones, Jim Ohlund. Windows网络编程技术机械工业出版社．2000年3月。
[57] Kate Gregory. Visual C＋＋6开发手册．机械工业出版社．1999年2月。
[58] 蔡德聪等．工业控制计算机实时操作系统．清华大学出版社．1999年12月。
[59] YangJ, Lange E.SYSTRAN on Alta Vista: a User Study on Realtime Machine Translation on the Internet [J]. In: AMTA, 1998,275-285。