實(shí)時(shí)操作系統VxWorks在跟蹤雷達系統中的應用

摘要：實(shí)現跟蹤雷達系統中各子系統之間的實(shí)時(shí)通訊，重點(diǎn)是信號處理子系統中信號處理板和網(wǎng)絡(luò )間的實(shí)時(shí)通訊。在實(shí)時(shí)操作系統VxWorks平臺下，編寫(xiě)PCI設備的驅動(dòng)程序和網(wǎng)絡(luò )通訊程序，以完成通訊功能。VxWorks的高可靠性和強實(shí)時(shí)性在應用中得到了充分的驗證，在VxWorks平臺的支持下，信號處理子系統完成了信號處理和網(wǎng)絡(luò )之間的實(shí)時(shí)通訊。 關(guān)鍵詞：VxWorks 跟蹤雷達 PCI 網(wǎng)絡(luò )通訊 跟蹤雷達在跟蹤高速目標時(shí)，需要有足夠快的反應速度，這不僅對它自身的硬件系統的實(shí)時(shí)性要求較高，而且對相應軟件系統的實(shí)時(shí)性要求也較高。用實(shí)時(shí)操作系統VxWorks作為跟蹤雷達系統中的操作系統，可以滿(mǎn)足軟件對實(shí)時(shí)性需求。 本系統中，跟蹤雷達各分機設備在相應處理計算機、控制計算機控制下協(xié)調工作，完成對目標的跟蹤和測量雷達的引導，各分控計算機之間通過(guò)以太網(wǎng)接口相互通訊。跟蹤雷達軟件按功能分為主控、顯示、信號處理、伺服控制、高頻控制、光電控制六個(gè)子系統，分別對應不同的計算機。其中主控、信號處理、伺服控制、高頻控制、光電控制子系統上都使用VxWorks操作系統，如圖1所示。 1 VxWorks簡(jiǎn)介 目前市場(chǎng)上比較著(zhù)名的實(shí)時(shí)操作系統有： VxWorks、pSoS、Nucleus、VRTX、Windows CE、Palm OS、QNX、PowerTV、JavaOS、LynxOS等。其中，VxWorks是美國WRS（Wind River System）公司推出的一個(gè)具有微內核、可裁剪的高性能強實(shí)時(shí)操作系統，在實(shí)時(shí)操作系統市場(chǎng)上處于領(lǐng)導地位。它在航空、廣播、運輸、醫療、自動(dòng)化生產(chǎn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域中有著(zhù)廣泛的應用，尤其是在國防和軍事上一些高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，體現出了其優(yōu)越的性能。在1997年4月發(fā)射的火星探測器上也使用到了VxWorks。 （1）VxWorks的主要特點(diǎn) VxWorks具有高度可剪裁的微內核結構，它需要的存儲器空間大約為8KB～488KB（ROM）、620B～29.3KB（RAM）?？梢?jiàn)VxWorks有著(zhù)極好的可伸縮性，用戶(hù)可以利用工具或直接修改內核源文件來(lái)配置內核。VxWorks能進(jìn)行高效的多任務(wù)調度，它支持中斷驅動(dòng)的優(yōu)先級搶占式調度和時(shí)間片輪轉調度，并具有確定的、快速的上下文切換能力，確定的、微秒級的中斷延遲時(shí)間。這些使得內核具有非常強的實(shí)時(shí)性。 （2）VxWorks應用程序開(kāi)發(fā) 除了性能出眾的操作系統外，WRS公司還提供了優(yōu)秀的實(shí)時(shí)操作系統開(kāi)發(fā)工具Tornado。Tornado包含三個(gè)高度集成的組件：Tornado工具，一套強大的交叉開(kāi)發(fā)工具；VxWorks實(shí)時(shí)操作系統；一整套主機-目標間的通訊選項，例如以太網(wǎng)、串行線(xiàn)路、在電路仿真（ICE）和ROM仿真等。 圖2是Tornado開(kāi)發(fā)系統組成框圖，左邊的框代表Tornado集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，它運行在開(kāi)發(fā)主機上，可以基于WIN9x、WINNT、DIGITAL UNIX等主機操作系統。本文介紹的內容都是基于WIN9x系統的。右邊的框代表目標機，目標機支持的CPU類(lèi)型有MC680x0、PowerPc、SPARC、SPARClite、i960、x86、R3000、R4000、R4650等。目標機上運行VxWorks實(shí)時(shí)操作系統，其上層運行用戶(hù)應用程序。 Tornado集成了用于VxWorks應用程序開(kāi)發(fā)和調試的各種工具。開(kāi)發(fā)者在主機系統里，利用這個(gè)集成環(huán)境組織、編寫(xiě)、編譯和調試應用程序，然后下載到目標機上運行、調試。編譯在主機上完成，測試、調試需要主機目標機協(xié)調完成，流程如圖3所示。 2 VxWorks在信號處理子系統中的應用 信號處理子系統采用摩托羅位的COMPACT PCI計算機，它的CPU為PII233MMX。該信號處理子系統的主要任務(wù)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接收來(lái)自主控子系統的數據和命令，傳送給信號處理板；并且還要讀取信號處理板的處理結果，將其通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送給主控子系統和顯示子系統。信號處理子系統軟件可分為兩部分：一是驅動(dòng)程序，負責對信號處理板的初始化、配置和訪(fǎng)問(wèn)，另外用中斷方式來(lái)響應信號處理板；二是網(wǎng)絡(luò )通訊程序，負責與主控機握手、接收數據報文和發(fā)送數據報文。它的組成如圖4所示，當信號處理板產(chǎn)生數據后，發(fā)出一次中斷，中斷服務(wù)程序觸發(fā)發(fā)送進(jìn)程讀取信號處理板上的數據，然后發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )通訊程序主要由五個(gè)并發(fā)的進(jìn)程組成：poopClient、BDPReceive、intProc20ms、intProcGate和messageHandle。PoopClient進(jìn)行負責和主控子系統握手，獲取主控機在線(xiàn)信息，以及傳送本子系統在線(xiàn)信息。BDPReceive進(jìn)程接收網(wǎng)絡(luò )數據，然后送給messageHandle進(jìn)程，經(jīng)處理后再送到信號處理板上。IntProc20ms和intProcGate進(jìn)程從信號處理板中讀出數據，然后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )中去。 STATUS appMain (void) { …… /* Connect the ISR */ if (pciIntConnect (INUM_TO_IVEC (INT_NUM_IRQ0+dsp_intLine),(VOIDFUNCPTR)dspISR,0)= =ERROR) …… /* Create some tasks */ if(taskSpawn("poop",100,0,2048,(FUNCPTR)poopClient,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0) = = ERROR) …… if (taskSpawn("BDPRecv",80,0,2048,(FUNCPTR)BDPReceive,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0) = = ERROR) …… if(taskSpawn("intProc20ms",70,0,2048,(FUNCPTR)intProc20ms,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0) = = ERROR) …… if(taskSpawn("intProcGate",60,0,2048,(FUNCPTR)intProcGate,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0) = = ERROR) …… messageHandle (); return (OK); } 信號處理板通過(guò)PCI總線(xiàn)和CPU板相連。在系統上電后，VxWorks對信號處理板進(jìn)行一系列必要的初始化。首先在硬件初始化函數sysHwInit()里，調用pciConfigLibInit()來(lái)選擇PCI設備的配置機制Mechanism #1或Mechanism #2,接著(zhù)調用pciConfigLibInit()對PCI設備中斷進(jìn)行初始化，建立中斷鏈表。這兩個(gè)步驟對PCI做了最基本的配置，隨后的一些PCI配置都以它們?yōu)榛A。隨著(zhù)系統初始化的繼續，在另一個(gè)硬件初始化函數sysHwInit2()里，調用了sysPciAutoConfig()，這個(gè)函數對PCI設備做了進(jìn)一步的初始化。首先，它逐個(gè)查找PCI設備，先查找0號總線(xiàn)上的所有設備，一旦查到PCI-PCI橋設所有設備為止。查找過(guò)程中，這個(gè)函數對一些在總線(xiàn)上慢顯現的設備作了一些特殊的等待處理。這會(huì )減慢系統啟動(dòng)的速度，若需要，用戶(hù)可以通過(guò)修改內核源程序來(lái)避免等待。當確定了所有的設備后，函數再次查找一遍設備。這次，它創(chuàng )建一個(gè)PCI設備列表，把所有的設備都存到列表中。然后，函數根據這個(gè)列表，對每個(gè)設備做一些配置。它根據設備硬件上的設備映射設備存儲空間和I/O空間，分配中斷向量等，圖4的PCI映射存儲器空間就是這樣映射的。然后，系統還對一些特殊的PCI設備做相應的配置。到此為止，系統對PCI設備的初始化工作就結束了。用戶(hù)了解這些配置后，就可以在應用程序里對自己的PCI設備進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)了。 操作系統啟動(dòng)后，開(kāi)始執行usrAppInit()。這個(gè)函數的內容由用戶(hù)自己編寫(xiě)，它完成用戶(hù)所需的功能。在本系統中，因為程序不知道哪個(gè)槽上有哪種信號處理板，所以程序首先按槽號逐個(gè)查找一遍，以確定哪個(gè)槽有信號處理板；然后讀出設備的PCI映射存儲空間地址，以便對信號處理板進(jìn)行讀寫(xiě)，同時(shí)讀出中斷線(xiàn)的內容，進(jìn)而通過(guò)pciIntConnect（）來(lái)掛中斷。pciIntConnect()函數考慮了PCI設備對中斷資源的共享，這樣不會(huì )破壞共享同一個(gè)中斷信號的其它中斷。中斷處理使用了信號量機制，處理模式如圖5下半部所示。當有中斷產(chǎn)生時(shí)，中斷服務(wù)子程序立即響應，它給相應的處理進(jìn)程發(fā)送信號，處理進(jìn)程即開(kāi)始工作；在沒(méi)接收到信號時(shí)，處理進(jìn)程處于等待狀態(tài)。 STATUS dspISR () { …… switch （intType） { case INT_20MS;/* INT_20MS=1 */ …… semGive (sem20ms); break; case INT_ACQGATE: /* INT_ACQGATE=2 */ …… semGIve (semAcqGate); break; default: …… break; } …… } void intProc20ms() { …… FOREVER { semTake (sem20ms,WAIT_FOREVER); …… } …… } void intProcGate () { …… FOREVER { semTake (semAcqGate,WAIT_FOREVER); …… } …… } 網(wǎng)絡(luò )通訊程序使用SOCKET機制，因為通訊只涉及到一個(gè)小局域網(wǎng)，所以傳輸層采取UDP協(xié)議。程序中創(chuàng )建了一組消息隊理，接收進(jìn)程不停地接收SOCKET傳來(lái)的數據和命令，然后判斷它們的類(lèi)型，再分別存放到不同消息隊列中，等待處理進(jìn)程的處理，如圖5上半部所示。處理進(jìn)程的一個(gè)主要功能是將接收到的數據和命令按照規定的格式組合成命令字，傳給信號處理板。另外，信號處理板處理完一批數據后，若向網(wǎng)上傳送數據，則需要先發(fā)出中斷，中斷服務(wù)程序通知處理進(jìn)程，把數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳給其它子系統。 這樣，信號處理板和網(wǎng)絡(luò )之間就能夠順利地通訊了。主控計算機可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)地向信號處理板發(fā)送各種命令和數據，同時(shí)信號處理板也可將數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)地傳送給其它子程序。 信號處理子系統的程序開(kāi)發(fā)是基于BSP的cpv5000，它為PCI設備提供非常好的支持，使得開(kāi)發(fā)者對PCI設備訪(fǎng)問(wèn)變得非常輕松，VxWorks的網(wǎng)絡(luò )功能也很健全，網(wǎng)絡(luò )通訊易于實(shí)現。另外，VxWorks的多任務(wù)性及豐富的進(jìn)程通訊機制為實(shí)現復雜的功能提供了必要的手段。本文中提到的所有功能都已在具體的項目中實(shí)現，VxWorks穩定可靠，實(shí)時(shí)性完全滿(mǎn)足項目的需要。 linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）