基于嵌入式操作系統VxWorks的SCSI硬盤(pán)高速記錄系統

摘要：介紹了由基于VxWorks的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統、多個(gè)SCSI硬盤(pán)陣列以及高幀頻CCD數字相機構成的嵌入式高速記錄系統。關(guān)鍵詞：VxWorks 實(shí)時(shí) 嵌入式 SCSI CCD  在一些特別的科學(xué)研究和工程應用領(lǐng)域，需要采用高幀頻、大面陣的ＣＣＤ相機以獲取高質(zhì)量的圖像數據，用于對變化較快的觀(guān)測對象的運動(dòng)軌跡及其變化特性分析或實(shí)時(shí)計算。由此可產(chǎn)生高達５０ＭＢ／ｓ以上的實(shí)時(shí)數據流，需要持續地實(shí)時(shí)記錄，以便于事后分析。  本文介紹中科院光電技術(shù)研究所針對高速實(shí)時(shí)圖像記錄任務(wù)的要求，專(zhuān)門(mén)設計開(kāi)發(fā)的ＶｘＷｏｒｋｓ嵌入式操作系統下的高速嵌入式ＳＣＳＩ硬盤(pán)陣列記錄系統。  在本系統中采用的高幀頻ＣＣＤ數字相機其工作幀頻為：２００幀／秒，分辨率為：５３２%26;#215;５１６像素，８ｂｉｔ灰度級，有效數據率約為５５ＭＢ／ｓ。要求能對其長(cháng)時(shí)間地持續記錄，且不允許中間有丟幀現象。  實(shí)際工程項目中，在技術(shù)上采用了嵌入式計算機和Ｖｘｗｏｒｋｓ嵌入式操作系統以及ＳＣＳＩ硬盤(pán)陣列系統，成功地完成了上述任務(wù)。１ 系統硬件結構  １．１ 硬件框圖  硬件框圖如圖１所示。  整個(gè)系統在硬件上由嵌入式計算機、ＣＣＤ相機、ＰＣＩ采集卡、ＳＣＳＩ控制卡及ＳＣＳＩ硬盤(pán)陣列組成。系統基于ＰＣＩ總線(xiàn)架構。目前使用３２位３３ＭＨｚ的ＰＣＩ總線(xiàn)，可實(shí)現約１３２ＭＢ／ｓ的數據傳輸率。以后將使用６４位６６ＭＨｚ的ＰＣＩ總線(xiàn)，以達到更高的數據傳輸率。來(lái)自ＣＣＤ相機的高速數據流經(jīng)ＰＣＩ采集卡交叉緩沖存儲后送往ＰＣＩ總線(xiàn)，ＳＣＳＩ控制卡與ＰＣＩ采集卡在ＰＣＩ總線(xiàn)上通過(guò)ＤＭＡ方式直接交換數據。記錄存儲介質(zhì)的接口采用ＳＣＳＩ總線(xiàn)接口。  １．２ ＳＣＳＩ總線(xiàn)接口  ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）小型計算機系統接口是一種連接主機與外圍設備的接口，支持包括磁盤(pán)驅動(dòng)器、磁帶機、光驅、掃描儀在內的多種設備。它由ＳＣＳＩ控制器進(jìn)行數據操作。ＳＣＳＩ控制器相當于一塊小型ＣＰＵ，有自己的命令集和緩存。ＳＣＳＩ 接口是智能化的，可以彼此通信而不增加ＣＰＵ 的負擔。當向ＳＣＳＩ硬盤(pán)讀寫(xiě)數據時(shí)，主機ＣＰＵ只需向ＳＣＳＩ控制卡發(fā)出讀寫(xiě)命令，ＳＣＳＩ控制卡會(huì )自動(dòng)處理并以ＤＭＡ方式執行相應的讀寫(xiě)操作，完全不需要主機的干預，使主機和ＳＣＳＩ卡可以并行地工作。與ＩＤＥ接口相比，速度、性能和穩定性都要比ＩＤＥ好得多，具體區別如表１。表1 SCSI接口與IDE接口比較  　SCSI接口IDE接口最快速度Ultra320ATA133可連接設備最多15臺最多4臺硬盤(pán)轉速10000～15000r/s以上5400～7200r/s以上占CPU資源極少較多成本較高十分便宜ＳＣＳＩ接口幾經(jīng)變革，傳輸率、支持設備等功能都有大幅度的改進(jìn)。在速度上，ＳＣＳＩ接口規范隨時(shí)間有表２所示的規范版本。表2 SCSI接口發(fā)展歷史  　Narrow(8位)Wide(16位）最長(cháng)連線(xiàn)長(cháng)度SCSI-15MB/s　　Fast SCSI10MB/s20MB/s6mUltra SCSI20MB/s40MB/s1.5mUltra2 SCSI40MB/s80MB/s12mUltra 160　160MB/s12mUltra 320　320MB/s　從Ｕｌｔｒａ２之后，ＳＣＳＩ采用全新的ＬＶＤ(Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ)串接模塊。ＬＶＤ的特性為低電壓、信號干擾少、兼容傳統排線(xiàn)，可以有較長(cháng)的串接距離，也可以兼顧傳輸速度與設備數。這次任務(wù)使用Ｕｌｔｒａ１６０，接口速度可達１６０ＭＢ／ｓ。實(shí)際應用中只需要５５ＭＢ／ｓ的傳輸速度。實(shí)際測出的速度達８０ＭＢ／ｓ以上。  ２ 系統軟件結構  ２．１ ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統簡(jiǎn)介  系統軟件基于ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統平臺。ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統是目前世界上最先進(jìn)的高性能實(shí)時(shí)操作系統，主要應用于航空、航天、導彈武器系統(包括火星探陸車(chē)、愛(ài)國者導彈系統、Ｆ－１６戰機等)。它包括一個(gè)微內核、強大的網(wǎng)絡(luò )支持，以及文件系統和Ｉ／Ｏ管理、Ｃ＋＋支持的各種模塊。它的多任務(wù)、搶占調度、快速上下文切換、低中斷延遲和快速靈活的通信機制更是ＶｘＷｏｒｋｓ的突出優(yōu)點(diǎn)。  ＶｘＷｏｒｋｓ特點(diǎn)：  （１) 支持多種ＣＰＵ  包括ｘ８６、ＰｏｗｅｒＰＣ、６８Ｋ、ｉ９６０、ＳＰＡＲＣ、Ｍｉｐｓ等。還支持ＲＩＳＣ和ＤＳＰ技術(shù)。  （２) 實(shí)時(shí)性  ＶｘＷｏｒｋｓ系統本身的開(kāi)銷(xiāo)很小，進(jìn)程調度、進(jìn)程間通信、中斷處理等系統公用程序精練而有效，造成的延遲很短。ＶｘＷｏｒｋｓ提供多任務(wù)機制，對任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級搶占（Ｐｒｅｅｍｐｔｉｖｅ Ｐｒｉｏｒｉｔｙ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）和輪轉調度（Ｒｏｕｎｄ－Ｒｏｂｉｎ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）機制，也充分保證了可靠的實(shí)時(shí)性，使同樣的硬件配置能滿(mǎn)足更強的實(shí)時(shí)性要求，為應用的開(kāi)發(fā)留下更大的余地。  （３) 可裁減性  用戶(hù)在使用操作系統時(shí)，并不是操作系統中的每一個(gè)部件都用到。例如圖形顯示、文件系統以及一些設備驅動(dòng)在某些嵌入式系統中并不使用。ＶｘＷｏｒｋｓ 由一個(gè)體積很小的內核及一些可以根據需要進(jìn)行定制的系統模塊組成，可裁剪的組件超過(guò)８０個(gè)。ＶｘＷｏｒｋｓ內核最小為 ８ＫＢ，即便加上其它必要模塊，所占用的空間也很小，且不失其實(shí)時(shí)、多任務(wù)的系統特征。由于其高度靈活，用戶(hù)可以很容易地對這一操作系統進(jìn)行定制或適當開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足自己的實(shí)際應用需要。  （４) 可靠性  操作系統的可靠性是用戶(hù)首要考慮的問(wèn)題。而穩定、可靠一直是ＶｘＷｏｒｋｓ的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。ＶｘＷｏｒｋｓ以其良好的可靠性在一些實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)領(lǐng)域贏(yíng)得了廣泛的用戶(hù)。２．２ 系統軟件功能  系統軟件結構如圖２所示。記錄系統完全通過(guò)接收來(lái)自ＲＳ－２３２串口或ＴＣＰ網(wǎng)絡(luò )的命令字進(jìn)行工作。記錄結束后通過(guò)ＴＣＰ網(wǎng)絡(luò )下載記錄數據。  首先進(jìn)行系統初始化，對各硬件進(jìn)行必要的初始設置，確定其工作狀態(tài)。包括：網(wǎng)絡(luò )部件的初始化、ＳＣＳＩ卡的初始化、ＳＣＳＩ硬盤(pán)的初始化、ＰＣＩ采集卡的初始化以及處理來(lái)自ＰＣＩ采集卡硬件中斷的信號量的初始化。  然后進(jìn)行系統自檢，包括對ＳＣＳＩ硬盤(pán)記錄速度測試自檢以判定是否能達到要求的記錄速度、硬盤(pán)的讀寫(xiě)自檢，以及對自己定義在硬盤(pán)前一段當作數據檢索用的信息頭的自檢。  系統自檢成功后將會(huì )調用ｔａｓｋＳｐａｗｎ()系統調用使處理串口和網(wǎng)絡(luò )命令的模塊運行起來(lái)。根據主控計算機發(fā)來(lái)的命令字調用相應的功能模塊并給主控計算機相應的回答響應。具體命令包括：Ａ查詢(xún)系統版本、Ｂ自檢、Ｃ開(kāi)始記錄、Ｄ停止記錄、Ｅ查詢(xún)硬盤(pán)剩余容量、Ｆ開(kāi)始圖像數據下載、Ｇ查詢(xún)系統狀態(tài)、Ｈ硬盤(pán)清空、Ｉ查詢(xún)單次任務(wù)信息。系統最重要的工作是記錄任務(wù)。ＰＣＩ采集卡每７５ｍｓ發(fā)出一個(gè)中斷，在這段時(shí)間里采集卡已經(jīng)完成了一個(gè)緩沖區共４ＭＢ數據的采集，此時(shí)來(lái)的圖像數據流存儲在另外一個(gè)４ＭＢ緩沖區中，即所謂的交叉存儲技術(shù)，以保證數據不會(huì )丟失。在這７５ｍｓ時(shí)間內必須完成記錄４ＭＢ的任務(wù)，記錄速度約為５４ＭＢ／ｓ。在實(shí)際測試中，記錄４ＭＢ的數據一般５０ｍｓ即可完成，記錄速度約為８０ＭＢ／ｓ，因此較好地完成了記錄任務(wù)。實(shí)際編程，在硬件中斷服務(wù)程序中只是用ｓｅｍＧｉｖｅ()系統函數放出一個(gè)信號量，由發(fā)起任務(wù)具體處理記錄操作。中斷服務(wù)程序不象一般的任務(wù)那樣運行在普通的任務(wù)上下文中，它沒(méi)有任務(wù)控制塊，所有的中斷服務(wù)程序共享一個(gè)堆棧。所以對中斷服務(wù)程序的基本要求就是不能引起阻塞。例如在中斷服務(wù)程序不能調用ｐｒｉｎｔｆ()函數用于輸出信息。  此外，在中斷服務(wù)程序中也不能通過(guò)ＶｘＷｏｒｋｓ驅動(dòng)執行Ｉ／Ｏ操作。此項目中陣列了三個(gè)ＳＣＳＩ硬盤(pán)，每個(gè)硬盤(pán)容量為３６ＧＢ，共計１０８ＧＢ。由于一個(gè)硬盤(pán)物理的持續讀寫(xiě)速度在３０ＭＢ／ｓ左右，因此必須陣列地讀寫(xiě)多個(gè)ＳＣＳＩ硬盤(pán)，在處理中斷服務(wù)程序的任務(wù)中利用每個(gè)硬盤(pán)物理的讀寫(xiě)間隙，按一定時(shí)隙分別寫(xiě)入每個(gè)硬盤(pán)一定的數據量，實(shí)現了硬盤(pán)的并行工作，達到了高速存儲記錄的目的。  本系統成功地應用于實(shí)際工程項目中，其可靠性和實(shí)時(shí)性已在嚴格的實(shí)際應用環(huán)境中得到檢驗。下一步，將進(jìn)一步提高記錄系統的性能指標，采用基于６４位６６ＭＨｚ的ＰＣＩ總線(xiàn)、ＳＣＳＩ Ｕｌｔｒａ ３２０接口、千兆網(wǎng)絡(luò )接口以及陣列更多的ＳＣＳＩ硬盤(pán)，使系統的記錄速度、記錄容量、下載傳輸速度和可靠性都有更大的提高。本系統雖然是專(zhuān)門(mén)為我所實(shí)時(shí)測控系統中高速記錄任務(wù)而設計，但實(shí)際上也廣泛地應用于圖像處理、雷達、聲納等對實(shí)時(shí)圖像記錄有要求的領(lǐng)域。

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