PLC的基本原理和实现方法
书接上回，我们上次以Codesys为例，介绍了其PC端的安装和Target配置，今天我们继续聊聊PLC的基本原理和实现方法。
突然想到之前有个重要的问题没有跟大家介绍，从实现方式上讲，PLC分编译型和解释型，Codesys是编译型的，而某宝上200多元的“三菱仿”是解释型的，其实这“三菱仿”某宝上20元就能买到全套原理图及PCB和源码。
这两条技术路线还是有比较大的区别，其中最大的区别就是IDE生成的文件是否可以在PLC设备端直接执行，编译型的可以直接运行，而解释型生成的是中间文件，其主要包含命令码和操作码，PLC在获取中间文件后会根据预先定义好的命令码来执行相应的操作。以后有时间我们分析下那20元的代码。今天我们先以编译型为例，来剖析其内部的工作原理。
| 区别 | 编译型 | 解释型 |
|---|---|---|
| 执行效率 | 高 | 低 |
| 开发难度 | 大 | 小 |
| 跨平台运行 | 难 | 易 |
| 反编译源文件 | 难 | 一般 |
| 无扰下装 | 难 | 易 |
| 防克隆 | 好 | 差 |
1. 编译型PLC
编译型PLC本质上就是PC端IDE（如之前介绍的Codesys）生成的固件或者二进制文件可以直接在PLC设备端运行，这就要求PC端IDE要集成相关的编译器。为了更容易说明这个问题，我们以开源PLC软件Beremiz为例讲解：
Beremiz的上位机的核心由3部分组成：PLCOpen Editor，MatIEC，GCC
| 组件 | 功能 |
|---|---|
| PLCOpen Editor | 为用户提供编程界面和配置信息 |
| MatIEC | 将用户基于IEC61131-3程序转为C语言文件 |
| GCC | 将MatIEC转换的C文件编译链接为可执行的二进制代码或elf文件 |
Codesys对比Beremiz其实没有本质区别，可以理解为Codesys PC端 = PLCOpen Editor+MatIEC+GCC，核心过程是一致的，都是先将用户程序、配置信息编译到Image中，只是这个过程都在Codesys PC端内部处理了，并没有打开让用户看。不过，我们还是可以从一些文件中看到一些端倪。在Project目录中可以看到一个bin文件(不同的target目标文件不同)
用二进制工具打开后，可以看到如下内容，第一个字是保留字，第二个字是Image的地址，第三个字是初始化函数指针
不同的平台可以选择不同的编译器，在目标设置中可以看到它支持的处理器平台：
眼尖的小伙伴会看到Intel StrongARM，这是个什么鬼，Intel还有ARM产品么？还真有，Intel XScale系列产品是以ARMv4/ARMv5TE内核为基础的增强型ARM，不过后来停产了，由于ARM9用的ARMv4T内核与其指令兼容，所以理论上Codesys V2.x也是支持ARM9的。
2. Runtime System
Codesys/Beremiz编译好固件后是怎么运行在PLC设备端的呢？这就要请出今天的主角Runtime System(RTS)。由于没有公开的资料，所以只能以Beremiz为例向大家介绍其中的奥秘。下图就是RTS核心的一些功能：
| PLC RTS | 功能 |
|---|---|
| IO | 主要指CPU本体所带的IO通道，常见的有DI, DO, AI, AO, PWM, PTO, HCI等等 |
| Dbg Server | 主要用于和PC端通讯，获取下载用户程序，登录/注销调试模式，调试模式下读/写变量，示波器等功能 |
| Library | 库分两种，内部库是用户通过IEC61131编写的供其他用户使用，外部库是写在RTS中并提供头文件给PC端 |
| User Code Interface | RTS的主要功能，配合PC端来运行用户的程序 |
| Backplane Bus | 背板总线主要用于控制扩展的IO，常见的协议有Modbus、Profibus等等 |
RTS有一个非常简单的主循环，首先初始化MCU外设，然后加载用户代码并初始化变量，最后进入While(1)循环：IO输入->用户代码执行->IO输出->处理服务
2.1 User Code Interface
既然是用户接口，我们先来看看相关代码，Beremiz会将用户代码插入到对应的main.c中，然后进行编译：
接口是通过下面结构体与RTS进行交互的：
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;
初始化加载用户代码，PLC_APP_BASE就是用户Image在MCU中对应的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 *)&plc_app_default;
ret = 0;
}
return ret;
}
cstratup函数原型，其过程和MCU进main函数之前的初始化代码非常相似，清零bss段，全局变量赋值等等
void plc_app_cstratup(void)
{
volatile uint32_t *src, *dst, *end;
app_fp_t *func, *func_end;
//Init .data
dst = plc_curr_app->data_start;
end = plc_curr_app->data_end;
src = plc_curr_app->data_loadaddr;
while (dst < end)
{
*dst++ = *src++;
}
//Init .bss
end = plc_curr_app->bss_end;
while (dst < end)
{
*dst++ = 0;
}
// Constructors
// .preinit_array
func = plc_curr_app->pa_start;
func_end = plc_curr_app->pa_end;
while (func < func_end)
{
(*func)();
func++;
}
// .init_array
func = plc_curr_app->ia_start;
func_end = plc_curr_app->ia_end;
while (func < func_end)
{
(*func)();
func++;
}
}
初始化完成后，已经可以进入while(1)了，通过plc_curr_app->run()函数指针就可以运行用户程序了
while (1)
{
dbg_handler();
if(plc_state == PLC_STATE_STARTED)
{
plc_iom_get();
if((g_u64timer - before_iec) >= g_u64tick_period)
{
plc_curr_app->run();
before_iec = g_u64timer;
}
plc_iom_set();
}
}
今天就写到这里吧，改天继续。
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原文标题：揭秘PLC背后的故事2
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