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# LinuxCNC 数据系统核心原理
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本文从本质上解释 LinuxCNC 的数据系统。这里的“数据系统”不是单个数据库，也不是单个消息队列，而是由多个不同实时等级、不同生命周期、不同所有权的数据通道组合而成。
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LinuxCNC 的核心设计目标是：把非实时的解释、界面、配置、任务调度，与实时运动控制隔离开，同时又让它们能以受控方式交换命令、状态和信号。
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## 1. 一句话理解
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LinuxCNC 的数据系统本质上分为五层：
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1. **INI 配置数据**：启动时读取，决定机器拓扑、模块、限位、速度、GUI、HAL 文件。
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2. **NML 命令/状态数据**：跨进程通信总线，GUI、halui、task、server 通过它交换命令和状态。
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3. **Task/Interpreter 数据**：解释 G-code，维护模态状态、坐标系、刀补、运行队列，并把规范动作转成 motion/io 命令。
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4. **Motion 实时共享数据**：task 和实时 motion 模块之间的 command/status/config 共享内存。
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5. **HAL 信号数据**：实时和用户态组件共享的 pin/signal/parameter 网络，连接 motion、驱动、GUI、Vismach 和自定义组件。
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简化图：
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INI
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-> linuxcnc 启动脚本
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-> NML 通道 / HAL 模块 / GUI / task / motion
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GUI / halui
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-> NML command
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-> milltask
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-> interpreter / canonical commands
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-> motion command shared memory
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-> realtime motion
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-> HAL pins/signals
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-> feedback/status
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-> EMC_STAT / GUI 显示
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```
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## 2. 为什么 LinuxCNC 要分成这些数据系统
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CNC 控制同时有两类完全不同的需求：
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- **人机界面、G-code 解释、文件读取、坐标系管理**：逻辑复杂，但不要求微秒级确定性。
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- **伺服周期、轨迹插补、关节输出、限位、探针采样**：必须稳定、周期性、可预测。
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因此 LinuxCNC 不能把所有数据都放在一个普通进程里处理。它将系统拆成多个进程和实时模块：
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- GUI 可以慢一些，甚至短暂卡顿。
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- task 可以做解释器、队列、状态同步。
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- motion 必须按 servo period 周期运行。
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- HAL 负责把实时数据以 pin/signal 方式连接起来。
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本质原则：
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非实时层负责“决定要做什么”
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实时层负责“按确定周期执行”
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HAL 负责“把实时变量接到机器/仿真/GUI”
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NML 负责“进程之间传命令和状态”
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```
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## 3. INI：启动配置数据
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INI 是 LinuxCNC 的静态配置入口。它不是运行时主数据通道，而是启动时的装配说明书。
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典型职责：
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- 选择 GUI：`[DISPLAY] DISPLAY = axis`
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- 指定 G-code 自动打开文件：`[DISPLAY] OPEN_FILE = ...`
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- 指定运动学：`[KINS] KINEMATICS = ...`
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- 指定 joint 数：`[KINS] JOINTS = ...`
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- 指定坐标字母：`[TRAJ] COORDINATES = ...`
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- 指定实时 motion 模块参数：`[EMCMOT] SERVO_PERIOD = ...`
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- 指定 HAL 文件：`[HAL] HALFILE = ...`
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- 指定单条 HAL 命令：`[HAL] HALCMD = ...`
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- 指定 NML 文件：`[EMC] NML_FILE = ...`，默认常见为 `configs/common/linuxcnc.nml`
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`scripts/linuxcnc` 使用 `inivar` 从 INI 中读取这些配置，然后按顺序启动 server、task、halui、HAL、GUI。
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INI 的特点：
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- 启动时影响很大。
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- 运行中多数值不会自动重新读取。
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- 很多 INI 项会被 task/motion 初始化代码转写到 NML 状态或 HAL pin 中。
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- INI 本身不负责实时连接，实时连接由 HAL 完成。
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## 4. NML：跨进程命令/状态总线
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NML 是 LinuxCNC 的进程间通信系统。它把 GUI、halui、task、server 等非实时进程连接起来。
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默认 NML 配置可见：
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```text
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configs/common/linuxcnc.nml
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```
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其中定义了三个顶层 buffer：
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```text
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emcCommand
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emcStatus
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emcError
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```
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它们的本质职责：
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- `emcCommand`：GUI/halui 发命令给 task。
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- `emcStatus`：task 汇总系统状态供 GUI/halui 读取。
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- `emcError`：错误和操作信息通道。
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`linuxcncsvr` 是这些 NML channel 的 master/server。启动脚本注释也说明：`linuxcncsvr` 默认第一个启动，因为它创建/持有 NML channel。
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## 5. EMC_STAT：GUI 看到的系统状态
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LinuxCNC 顶层状态结构是 `EMC_STAT`，定义在：
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```text
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src/emc/nml_intf/emc_nml.hh
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```
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它聚合了：
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```text
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EMC_STAT
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├─ EMC_TASK_STAT task
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├─ EMC_MOTION_STAT motion
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└─ EMC_IO_STAT io
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```
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其中 motion 部分又包含：
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```text
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EMC_MOTION_STAT
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├─ EMC_TRAJ_STAT traj
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├─ EMC_JOINT_STAT joint[]
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├─ EMC_AXIS_STAT axis[]
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├─ EMC_SPINDLE_STAT spindle[]
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├─ synch_di[]
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├─ synch_do[]
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├─ analog_input[]
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└─ analog_output[]
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```
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GUI 看到的大部分状态都来自 `EMC_STAT`：
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- 当前模式：manual/mdi/auto
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- 当前任务状态：estop/off/on
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- 当前执行状态：done/exec/error
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- 当前文件、当前行、读到哪一行
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- 当前 G-code/M-code 模态
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- 当前坐标系偏置、G92、刀补
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- 当前 commanded position
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- 当前 actual position
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- joint 状态
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- spindle 状态
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- motion queue 状态
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AXIS 的 Python 扩展通过 `RCS_STAT_CHANNEL` 读取 `emcStatus`，poll 时将 `EMC_STAT` 复制到本地 Python 对象中。
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## 6. EMC_COMMAND：GUI/halui 发出的命令
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GUI、halui、外部客户端一般不会直接写 motion 共享内存，而是向 `emcCommand` NML channel 写命令。
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例如：
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- 上电/下电
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- 解除急停
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- 切换模式
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- MDI 命令
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- 打开程序
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- cycle start
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- pause/resume
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- jog
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这些命令先进入 task。task 决定命令是否合法、当前状态是否允许执行，以及是否需要调用 interpreter 或 motion。
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本质上：
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```text
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GUI/halui 不直接控制伺服周期
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GUI/halui 发送意图
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task 负责调度和状态一致性
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motion 负责实时执行
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```
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## 7. Task/Interpreter：命令解释和调度层
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`milltask` 是 LinuxCNC 的任务协调进程。它同时处理：
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- NML command
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- interpreter G-code 解释
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- motion command 发送
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- IO/tool/spindle/coolant 命令
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- task 状态同步
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- EMC_STAT 汇总更新
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关键文件：
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```text
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src/emc/task/emctaskmain.cc
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src/emc/task/taskintf.cc
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src/emc/rs274ngc/
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src/emc/task/emccanon.cc
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```
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典型链路：
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```text
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GUI cycle start
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-> NML emcCommand
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-> milltask
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-> interpreter 读取 G-code
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-> canonical commands
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-> taskintf.cc
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-> usrmotWriteEmcmotCommand()
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-> realtime motion shared memory
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```
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解释器维护的不是简单的“当前行文本”，而是一套 CNC 模态状态：
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- G 模态组
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- M 模态组
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- 坐标系 G54/G55/...
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- G92 偏置
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- 工件平面
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- 距离模式
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- 进给模式
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- 刀具长度补偿
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- 半径补偿
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- 子程序调用层级
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- 参数文件变量
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- remap 状态
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这些数据在 task/interpreter 层处理，然后转成 motion 能理解的动作。
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## 8. Canonical command：解释器和 motion 之间的语义桥
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解释器不会直接操作 joint。它输出更抽象的“规范动作”：
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- 直线移动
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- 圆弧移动
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- 设置速度
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- 设置主轴
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- 设置 IO
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- 设置 motion analog output
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- 等待输入
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- 换刀
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例如 `M68 E3 Q1` 的链路是：
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```text
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RS274NGC 解释 M68
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-> SET_AUX_OUTPUT_VALUE(3, 1)
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-> emccanon.cc 创建 EMC_MOTION_SET_AOUT
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-> taskintf.cc: emcMotionSetAout()
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-> usrmotWriteEmcmotCommand()
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-> motion command shared memory
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-> motion.analog-out-03 = 1
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```
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这说明 G-code 不是直接写 HAL pin，而是通过解释器、canonical 层、task、motion，再由 motion 暴露 HAL pin。
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## 9. Motion 共享内存：task 与实时 motion 的边界
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实时 motion 的核心共享结构是：
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```text
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src/emc/motion/motion_struct.h
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```
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核心结构：
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```c
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emcmot_struct_t {
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command_mutex;
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emcmot_command_t command;
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||
emcmot_status_t status;
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||
emcmot_config_t config;
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||
emcmot_error_t error;
|
||
emcmot_internal_t internal;
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||
}
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```
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这是一块 task 和 realtime motion 都能访问的共享内存区域。
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其中：
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- `emcmot_command_t`：task 写入，motion 读取。
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- `emcmot_status_t`：motion 周期更新，task 读取。
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- `emcmot_config_t`：机器配置和 motion 参数。
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||
- `emcmot_internal_t`：motion 内部轨迹规划/调试状态。
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||
task 写 motion command 的路径：
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```text
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taskintf.cc
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||
-> usrmotWriteEmcmotCommand()
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-> 加 command_mutex
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||
-> 复制 emcmot_command_t 到共享内存
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-> 等待 motion 回显 commandNumEcho
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```
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motion status 读取有一个重要细节：`emcmot_status_t` 有 `head`/`tail` 字段。motion 更新状态时先改 `head`，完成后设置 `tail=head`。读取方复制后检查 `head == tail`，避免读到半更新的数据。
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这是 LinuxCNC 实时数据一致性的关键手段之一。
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## 10. Motion 实时循环：周期性状态机
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motion 控制循环位于：
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```text
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src/emc/motion/control.c
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```
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每个 servo cycle 处理大致顺序：
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```text
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读取 homing/input pins
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处理 switchkins 切换
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读取 HAL 输入
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执行 forward kinematics
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处理 probe
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检查 fault/limit
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确定运行模式
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处理 jog/homing
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轨迹规划取点
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inverse kinematics
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插补到 joint
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输出到 HAL
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更新 status
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heartbeat++
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```
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它的本质职责：
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- 在固定周期内维护运动状态。
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- 从轨迹规划器获取下一个笛卡尔点。
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- 调用运动学把笛卡尔位置转换为 joint 位置。
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- 输出 joint 命令、spindle、IO、状态 HAL pin。
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- 读取反馈、探针、限位、外部 offset 等 HAL pin。
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- 更新 `emcmot_status_t` 给 task 读取。
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motion 不读取 G-code 文件，也不关心 AXIS 界面。它只执行已经被 task/interpreter 转换过的命令。
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## 11. HAL：实时信号网络
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HAL 是 LinuxCNC 最容易被误解的部分。它不是 NML，也不是普通配置文件。HAL 的本质是一个共享内存对象图：
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```text
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HAL shared memory
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├─ component list
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├─ pin list
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├─ signal list
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├─ parameter list
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├─ function list
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└─ thread list
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```
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这些结构定义在：
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```text
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src/hal/hal_priv.h
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```
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关键概念：
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### Component
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组件是 pin/function/parameter 的拥有者。例如：
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- `motmod`
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- `pid`
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- `mux2`
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- `halui`
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- `xyzbc-trt-gui`
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- 自定义 `.comp`
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组件调用 `hal_init()` 注册到 HAL。
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### Pin
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pin 是组件暴露的数据端口。每个 pin 有：
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- 名字
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- 类型
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- 方向
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- 所属 component
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- 连接的 signal
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方向包括：
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- input
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- output
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- io
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### Signal
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signal 是多个 pin 共享的一块数据值。`net` 命令本质上是：
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```text
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把多个 pin 的 data pointer 指向同一个 signal value
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```
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例如：
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```hal
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net :kinstype-select <= motion.analog-out-03 => motion.switchkins-type
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||
```
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表示：
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```text
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motion.analog-out-03 写 signal :kinstype-select
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motion.switchkins-type 读 signal :kinstype-select
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```
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### Parameter
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parameter 通常是配置量或调试量，可用 `setp` 设置。
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### Function 和 Thread
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实时组件导出 function，HAL thread 周期调用这些 function。
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例如：
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```hal
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addf motion-command-handler servo-thread
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addf motion-controller servo-thread
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addf J0_pid.do-pid-calcs servo-thread
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```
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这决定了每个 servo period 内函数执行顺序。
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## 12. HAL 与 NML 的本质区别
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| 项目 | NML | HAL |
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| --- | --- | --- |
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| 本质 | 跨进程消息/状态通道 | 共享内存信号网络 |
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| 主要用途 | GUI、task、server 通信 | 实时组件连接 |
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| 数据形态 | command/status/error 消息 | pin/signal/parameter 值 |
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| 时间特性 | 非实时或软实时 | 可用于实时线程 |
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| 典型读写者 | AXIS、halui、milltask | motmod、驱动、pid、Vismach、halui |
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| 示例 | `emcCommand`, `emcStatus` | `motion.analog-out-03`, `joint.0.motor-pos-cmd` |
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重要结论：
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```text
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||
NML 表达“系统命令与系统状态”
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||
HAL 表达“机器信号与实时变量”
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```
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## 13. 数据所有权原则
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LinuxCNC 的数据系统依赖清晰的所有权。
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典型规则：
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- GUI 不直接写 joint command。
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- task 不直接修改 HAL 伺服输出。
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- motion 不解释 G-code。
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- HAL signal 通常只能有一个 writer。
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||
- motion status 由 realtime motion 写，task/GUI 读。
|
||
- EMC_STAT 由 task 汇总写，GUI/halui 读。
|
||
- INI 是启动配置，不是周期数据通道。
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||
如果违反这些边界，系统会变得不可预测。
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## 14. 数据刷新频率和一致性
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不同数据有不同刷新频率：
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- servo-thread：通常 1 ms 或更快。
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- task cycle：常见 10 ms 左右。
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- GUI poll：通常几十毫秒级。
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||
- NML status：由 task 汇总后供 GUI 读取。
|
||
- HAL pin：实时线程中按 thread 周期更新。
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||
|
||
所以 GUI 看到的位置不是“每个伺服周期的每一个点”，而是 task/GUI poll 后的状态快照。
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这也是为什么实时控制必须在 motion/HAL 内完成，不能依赖 GUI。
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## 15. xyzbc-trt 配置中的具体体现
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以 `xyzbc-trt.ini` 为例：
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### INI 层
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```ini
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[KINS]
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KINEMATICS = xyzbc-trt-kins sparm=identityfirst
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JOINTS = 5
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||
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||
[TRAJ]
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||
COORDINATES = XYZBC
|
||
|
||
[HAL]
|
||
HALFILE = LIB:basic_sim.tcl
|
||
HALCMD = net :kinstype-select <= motion.analog-out-03 => motion.switchkins-type
|
||
```
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||
|
||
INI 决定：
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||
|
||
- 加载什么运动学模块。
|
||
- 有多少 joint。
|
||
- HAL 怎样连接。
|
||
- GUI 加载什么面板。
|
||
|
||
### HAL 层
|
||
|
||
```hal
|
||
motion.analog-out-03 -> motion.switchkins-type
|
||
joint.N.pos-fb -> xyzbc-trt-gui.*
|
||
motion.tooloffset.z -> xyzbc-trt-kins.tool-offset
|
||
```
|
||
|
||
HAL 决定：
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||
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||
- M68 输出如何进入 switchkins。
|
||
- joint feedback 如何驱动 Vismach。
|
||
- 刀长补偿如何进入运动学。
|
||
|
||
### NML/task/interpreter 层
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||
|
||
按下 PyVCP 按钮：
|
||
|
||
```text
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||
pyvcp button
|
||
-> halui MDI command
|
||
-> NML command
|
||
-> milltask
|
||
-> interpreter 执行 M428/M429/M430 remap
|
||
```
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||
|
||
### motion 层
|
||
|
||
`M68 E3 Q1` 最终写入：
|
||
|
||
```text
|
||
motion.analog-out-03 = 1
|
||
```
|
||
|
||
HAL 将其连接到：
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||
|
||
```text
|
||
motion.switchkins-type = 1
|
||
```
|
||
|
||
motion servo cycle 检测到变化：
|
||
|
||
```text
|
||
handle_kinematicsSwitch()
|
||
-> kinematicsSwitch(1)
|
||
-> 激活 xyzbcKinematicsInverse / Forward
|
||
```
|
||
|
||
### Vismach 层
|
||
|
||
Vismach 不参与实时控制，只读取 HAL pin：
|
||
|
||
```text
|
||
joint feedback + offset pins -> 三维模型变换
|
||
```
|
||
|
||
它是 HAL 数据消费者，不是运动控制源。
|
||
|
||
## 16. 本质总结
|
||
|
||
LinuxCNC 数据系统的核心不是“一个中心数据库”，而是四种不同性质的数据机制协作：
|
||
|
||
1. **INI**：装配系统。
|
||
2. **NML**：让进程交换命令、状态、错误。
|
||
3. **Task/Interpreter**：把人的意图和 G-code 转换成规范动作。
|
||
4. **Motion shared memory**：连接非实时 task 和实时 motion。
|
||
5. **HAL**：把实时变量连接成机器信号网络。
|
||
|
||
最终形成一条严格分层的数据链：
|
||
|
||
```text
|
||
人/程序意图
|
||
-> NML command
|
||
-> task/interpreter
|
||
-> canonical command
|
||
-> motion command shared memory
|
||
-> realtime motion
|
||
-> HAL pins/signals
|
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-> 机器/仿真反馈
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-> motion status
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-> EMC_STAT
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-> GUI/halui 显示
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理解这条链，就能解释 LinuxCNC 中大多数现象：
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- 为什么 GUI 按钮通常不是直接控制实时变量。
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- 为什么 `M68` 可以改变 HAL pin。
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- 为什么 `motion.switchkins-type` 要通过 `motion.analog-out-03` 控制。
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- 为什么 Vismach 只需要连 HAL pin 就能显示机床。
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- 为什么 task 和 motion 之间要有 command/status 共享内存。
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- 为什么 HAL signal 通常要求单 writer。
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- 为什么实时动作不能依赖 GUI poll。
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