揭秘PLC背后的故事2

書(shū)接上回，我們上次以Codesys為例，介紹了其PC端的安裝和Target配置，今天我們繼續(xù)聊聊PLC的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。

突然想到之前有個(gè)重要的問(wèn)題沒(méi)有跟大家介紹，從實(shí)現(xiàn)方式上講，PLC分編譯型和解釋型，Codesys是編譯型的，而某寶上200多元的“三菱仿”是解釋型的，其實(shí)這“三菱仿”某寶上20元就能買到全套原理圖及PCB和源碼。

這兩條技術(shù)路線還是有比較大的區(qū)別，其中最大的區(qū)別就是IDE生成的文件是否可以在PLC設(shè)備端直接執(zhí)行，編譯型的可以直接運(yùn)行，而解釋型生成的是中間文件，其主要包含命令碼和操作碼，PLC在獲取中間文件后會(huì)根據(jù)預(yù)先定義好的命令碼來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的操作。以后有時(shí)間我們分析下那20元的代碼。今天我們先以編譯型為例，來(lái)剖析其內(nèi)部的工作原理。

區(qū)別	編譯型	解釋型
執(zhí)行效率	高	低
開(kāi)發(fā)難度	大	小
跨平臺(tái)運(yùn)行	難	易
反編譯源文件	難	一般
無(wú)擾下裝	難	易
防克隆	好	差

1. 編譯型PLC

編譯型PLC本質(zhì)上就是PC端IDE（如之前介紹的Codesys）生成的固件或者二進(jìn)制文件可以直接在PLC設(shè)備端運(yùn)行，這就要求PC端IDE要集成相關(guān)的編譯器。為了更容易說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我們以開(kāi)源PLC軟件Beremiz為例講解：

Beremiz的上位機(jī)的核心由3部分組成：PLCOpen Editor，MatIEC，GCC

組件	功能
PLCOpen Editor	為用戶提供編程界面和配置信息
MatIEC	將用戶基于IEC61131-3程序轉(zhuǎn)為C語(yǔ)言文件
GCC	將MatIEC轉(zhuǎn)換的C文件編譯鏈接為可執(zhí)行的二進(jìn)制代碼或elf文件

Codesys對(duì)比Beremiz其實(shí)沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，可以理解為Codesys PC端 = PLCOpen Editor MatIEC GCC，核心過(guò)程是一致的，都是先將用戶程序、配置信息編譯到Image中，只是這個(gè)過(guò)程都在Codesys PC端內(nèi)部處理了，并沒(méi)有打開(kāi)讓用戶看。不過(guò)，我們還是可以從一些文件中看到一些端倪。在Project目錄中可以看到一個(gè)bin文件(不同的target目標(biāo)文件不同)

用二進(jìn)制工具打開(kāi)后，可以看到如下內(nèi)容，第一個(gè)字是保留字，第二個(gè)字是Image的地址，第三個(gè)字是初始化函數(shù)指針

不同的平臺(tái)可以選擇不同的編譯器，在目標(biāo)設(shè)置中可以看到它支持的處理器平臺(tái)：

眼尖的小伙伴會(huì)看到Intel StrongARM，這是個(gè)什么鬼，Intel還有ARM產(chǎn)品么？還真有，Intel XScale系列產(chǎn)品是以ARMv4/ARMv5TE內(nèi)核為基礎(chǔ)的增強(qiáng)型ARM，不過(guò)后來(lái)停產(chǎn)了，由于ARM9用的ARMv4T內(nèi)核與其指令兼容，所以理論上Codesys V2.x也是支持ARM9的。

2. Runtime System

Codesys/Beremiz編譯好固件后是怎么運(yùn)行在PLC設(shè)備端的呢？這就要請(qǐng)出今天的主角Runtime System(RTS)。由于沒(méi)有公開(kāi)的資料，所以只能以Beremiz為例向大家介紹其中的奧秘。下圖就是RTS核心的一些功能：

PLC RTS	功能
IO	主要指CPU本體所帶的IO通道，常見(jiàn)的有DI, DO, AI, AO, PWM, PTO, HCI等等
Dbg Server	主要用于和PC端通訊，獲取下載用戶程序，登錄/注銷調(diào)試模式，調(diào)試模式下讀/寫(xiě)變量，示波器等功能
Library	庫(kù)分兩種，內(nèi)部庫(kù)是用戶通過(guò)IEC61131編寫(xiě)的供其他用戶使用，外部庫(kù)是寫(xiě)在RTS中并提供頭文件給PC端
User Code Interface	RTS的主要功能，配合PC端來(lái)運(yùn)行用戶的程序
Backplane Bus	背板總線主要用于控制擴(kuò)展的IO，常見(jiàn)的協(xié)議有Modbus、Profibus等等

RTS有一個(gè)非常簡(jiǎn)單的主循環(huán)，首先初始化MCU外設(shè)，然后加載用戶代碼并初始化變量，最后進(jìn)入While(1)循環(huán)：IO輸入->用戶代碼執(zhí)行->IO輸出->處理服務(wù)

2.1 User Code Interface

既然是用戶接口，我們先來(lái)看看相關(guān)代碼，Beremiz會(huì)將用戶代碼插入到對(duì)應(yīng)的main.c中，然后進(jìn)行編譯：

接口是通過(guò)下面結(jié)構(gòu)體與RTS進(jìn)行交互的：

typedef struct
{
uint32_t * sstart;
app_fp_t entry;
//App startup interface
uint32_t * data_loadaddr;
uint32_t * data_start;
uint32_t * data_end;
uint32_t * bss_end;
app_fp_t * pa_start;
app_fp_t * pa_end;
app_fp_t * ia_start;
app_fp_t * ia_end;
app_fp_t * fia_start;
app_fp_t * fia_end;
//RTE Version control
//Semantic versioning is used
uint32_t rte_ver_major;
uint32_t rte_ver_minor;
uint32_t rte_ver_patch;
//Hardware ID
uint32_t hw_id;
//IO manager data
plc_loc_tbl_t * l_tab; //Location table
uint32_t * w_tab; //Weigth table
uint16_t l_sz; //Location table size
//Control instance of PLC_ID
const char * check_id; //Must be placed to the end of .text
//App interface
const char * id; //Must be placed near the start of .text

int (*start)(int ,char **);
int (*stop)(void);
void (*run)(void);

void (*dbg_resume)(void);
void (*dbg_suspend)(int);

int (*dbg_data_get)(unsigned long *, unsigned long *, void **);
void (*dbg_data_free)(void);

void (*dbg_vars_reset)(void);
void (*dbg_var_register)(int, void *);

uint32_t (*log_cnt_get)(uint8_t);
uint32_t (*log_msg_get)(uint8_t, uint32_t, char*, uint32_t, uint32_t*, uint32_t*, uint32_t*);
void (*log_cnt_reset)(void);
int (*log_msg_post)(uint8_t, char*, uint32_t);
}
plc_app_abi_t;
初始化加載用戶代碼，PLC_APP_BASE就是用戶Image在MCU中對(duì)應(yīng)的Flash地址

uint8_t plc_load_app()
{
uint8_t ret = 0;

if(plc_app_is_valid())
{
plc_curr_app = ((plc_app_abi_t *)PLC_APP_BASE);
plc_app_cstratup();
ret = 1;
}
else
{
plc_curr_app = (plc_app_abi_t *)