??? 摘? 要: 實現(xiàn)跟蹤雷達系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的實時通訊,重點是信號處理" title="信號處理">信號處理子系統(tǒng)中信號處理板" title="信號處理板">信號處理板和網(wǎng)絡(luò)間的實時通訊。在實時操作系統(tǒng)" title="實時操作系統(tǒng)">實時操作系統(tǒng)VxWorks平臺下,編寫PCI設(shè)備的驅(qū)動程序和網(wǎng)絡(luò)通訊程序,以完成通訊功能。VxWorks的高可靠性和強實時性" title="實時性">實時性在應(yīng)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(tǒng)完成了信號處理板和網(wǎng)絡(luò)之間的實時通訊。?

　　關(guān)鍵詞: VxWorks? 跟蹤雷達? PCI? 網(wǎng)絡(luò)通訊?

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　　跟蹤雷達在跟蹤高速目標(biāo)時,需要有足夠快的反應(yīng)速度,這不僅對它自身的硬件系統(tǒng)的實時性要求較高,而且對相應(yīng)軟件系統(tǒng)的實時性要求也較高。用實時操作系統(tǒng)VxWorks作為跟蹤雷達系統(tǒng)中的操作系統(tǒng),可以滿足軟件對實時性的需求。?

　　本系統(tǒng)中,跟蹤雷達各分機設(shè)備在相應(yīng)處理計算機、控制計算機控制下協(xié)調(diào)工作,完成對目標(biāo)的跟蹤和測量雷達的引導(dǎo),各分控計算機之間通過以太網(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、光電控制六個子系統(tǒng),分別對應(yīng)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(tǒng)上都使用VxWorks操作系統(tǒng),如圖1所示。?

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1 VxWorks簡介?

　　目前市場上比較著名的實時操作系統(tǒng)有:VxWorks、pSoS、Nucleus、VRTX、Windows CE、Palm OS、QNX、PowerTV、JavaOS、LynxOS等。其中,VxWorks是美國WRS(Wind River System)公司推出的一個具有微內(nèi)核、可裁剪的高性能強實時操作系統(tǒng),在實時操作系統(tǒng)市場上處于領(lǐng)導(dǎo)地位。它在航空、廣播、運輸、醫(yī)療、自動化生產(chǎn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用,尤其是在國防和軍事上一些高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中,體現(xiàn)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?

　　VxWorks具有高度可剪裁的微內(nèi)核結(jié)構(gòu),它需要的存儲器空間大約為8KB～488KB(ROM)、620B～29.3KB(RAM)。可見VxWorks有著極好的可伸縮性,用戶可以利用工具或直接修改內(nèi)核源文件來配置內(nèi)核。VxWorks能進行高效的多任務(wù)調(diào)度,它支持中斷驅(qū)動的優(yōu)先級搶占式調(diào)度和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)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間。這些使得內(nèi)核具有非常強的實時性。?

　　(2)VxWorks應(yīng)用程序開發(fā)" title="程序開發(fā)">程序開發(fā)?

　　除了性能出眾的操作系統(tǒng)外,WRS公司還提供了優(yōu)秀的實時操作系統(tǒng)開發(fā)工具Tornado。Tornado包含三個高度集成的組件:Tornado工具,一套強大的交叉開發(fā)工具;VxWorks實時操作系統(tǒng);一整套主機-目標(biāo)間的通訊選項,例如以太網(wǎng)、串行線路、在電路仿真(ICE)和ROM仿真等。?

　　圖2是Tornado開發(fā)系統(tǒng)組成框圖,左邊的框代表Tornado集成開發(fā)環(huán)境,它運行在開發(fā)主機上,可以基于WIN9x、WINNT、DIGITAL UNIX 等主機操作系統(tǒng)。本文介紹的內(nèi)容都是基于WIN9x系統(tǒng)的。右邊的框代表目標(biāo)機,目標(biāo)機支持的CPU類型有MC680x0、PowerPc、SPARC、SPARClite、i960、x86、R3000、R4000、R4650等。 目標(biāo)機上運行VxWorks實時操作系統(tǒng),其上層運行用戶應(yīng)用程序。?

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　　Tornado集成了用于VxWorks應(yīng)用程序開發(fā)和調(diào)試的各種工具。開發(fā)者在主機系統(tǒng)里,利用這個集成環(huán)境組織、編寫、編譯和調(diào)試應(yīng)用程序,然后下載到目標(biāo)機上運行、調(diào)試。編譯在主機上完成,測試、調(diào)試需要主機目標(biāo)機協(xié)調(diào)完成,流程如圖3所示。?

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2 VxWorks在信號處理子系統(tǒng)中的應(yīng)用?

　　信號處理子系統(tǒng)采用摩托羅拉的COMPACT PCI計算機,它的CPU為PII233MMX。該信號處理子系統(tǒng)的主要任務(wù)是通過網(wǎng)絡(luò)接收來自主控子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(jié)果,將其通過網(wǎng)絡(luò)傳送給主控子系統(tǒng)和顯示子系統(tǒng)。信號處理子系統(tǒng)軟件可分為兩部分:一是驅(qū)動程序,負責(zé)對信號處理板的初始化、配置和訪問,另外用中斷方式來響應(yīng)信號處理板;二是網(wǎng)絡(luò)通訊程序,負責(zé)與主控機握手、接收數(shù)據(jù)報文和發(fā)送數(shù)據(jù)報文。它的組成如圖4所示,當(dāng)信號處理板產(chǎn)生數(shù)據(jù)后,發(fā)出一次中斷,中斷服務(wù)程序觸發(fā)發(fā)送進程讀取信號處理板上的數(shù)據(jù),然后發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)通訊程序主要由五個并發(fā)的進程組成:poopClient、BDPReceive、intProc20ms、intProcGate和messageHandle。PoopClient進程負責(zé)和主控子系統(tǒng)握手,獲取主控機在線信息,以及傳送本子系統(tǒng)在線信息。BDPReceive進程接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),然后送給messageHandle進程,經(jīng)處理后再送到信號處理板上。IntProc20ms和intProcGate進程從信號處理板中讀出數(shù)據(jù),然后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中去。

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??? 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)?

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??? if(taskSpawn(″intProcGate″,60,0,2048,(FUNCPTR)intProcGate,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0) == ERROR)?

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　　信號處理板通過PCI總線和CPU板相連。在系統(tǒng)上電后,VxWorks對信號處理板進行一系列必要的初始化。首先在硬件初始化函數(shù)sysHwInit()里,調(diào)用pciConfigLibInit()來選擇PCI設(shè)備的配置機制Mechanism #1或Mechanism #2,接著調(diào)用pciConfigLibInit()對PCI設(shè)備中斷進行初始化,建立中斷鏈表。這兩個步驟對PCI做了最基本的配置,隨后的一些PCI配置都以它們?yōu)榛A(chǔ)。隨著系統(tǒng)初始化的繼續(xù),在另一個硬件初始化函數(shù)sysHwInit2()里,調(diào)用了sysPciAutoConfig(),這個函數(shù)對PCI設(shè)備做了進一步的初始化。首先,它逐個查找PCI設(shè)備,先查找0號總線上的所有設(shè)備,一旦查到PCI-PCI橋設(shè)備,立即順著這個橋向下擴展,直到查完所有總線上的所有設(shè)備為止。查找過程中,這個函數(shù)對一些在總線上慢顯現(xiàn)的設(shè)備作了一些特殊的等待處理。這會減慢系統(tǒng)啟動的速度,若需要,用戶可以通過修改內(nèi)核源程序來避免等待。當(dāng)確定了所有的設(shè)備后,函數(shù)再次查找一遍設(shè)備。這次,它創(chuàng)建一個PCI設(shè)備列表,把所有的設(shè)備都存到列表中。然后,函數(shù)根據(jù)這個列表,對每個設(shè)備做一些配置。它根據(jù)設(shè)備硬件上的設(shè)置映射設(shè)備存儲空間和I/O空間,分配中斷向量等,圖4中的PCI映射存儲器空間就是這樣映射的。然后,系統(tǒng)還對一些特殊的PCI設(shè)備做相應(yīng)的配置。到此為止,系統(tǒng)對PCI設(shè)備的初始化工作就結(jié)束了。用戶了解這些配置后,就可以在應(yīng)用程序里對自己的PCI設(shè)備進行訪問了。?

　　操作系統(tǒng)啟動后,開始執(zhí)行usrAppInit()。這個函數(shù)的內(nèi)容由用戶自己編寫,它完成用戶所需的功能。在本系統(tǒng)中,因為程序不知道哪個槽上有哪種信號處理板,所以程序首先按槽號逐個查找一遍,以確定哪個槽有信號處理板;然后讀出設(shè)備的PCI映射存儲空間地址,以便對信號處理板進行讀寫,同時讀出中斷線的內(nèi)容,進而通過pciIntConnect()來掛中斷。pciIntConnect()函數(shù)考慮了PCI設(shè)備對中斷資源的共享,這樣不會破壞共享同一個中斷號的其它中斷。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(dāng)有中斷產(chǎn)生時,中斷服務(wù)子程序立即響應(yīng),它給相應(yīng)的處理進程發(fā)送信號,處理進程即開始工作;在沒接收到信號時,處理進程處于等待狀態(tài)。?

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　　網(wǎng)絡(luò)通訊程序使用SOCKET機制,因為通訊只涉及到一個小局域網(wǎng),所以傳輸層采取UDP協(xié)議。程序中創(chuàng)建了一組消息隊列,接收進程不停地接收SOCKET傳來的數(shù)據(jù)和命令,然后判斷它們的類型,再分別存放到不同消息隊列中,等待處理進程的處理,如圖5上半部所示。處理進程的一個主要功能是將接收到的數(shù)據(jù)和命令按照規(guī)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(shù)據(jù)后,若向網(wǎng)上傳送數(shù)據(jù),則需要先發(fā)出中斷,中斷服務(wù)程序通知處理進程,把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳給其它子系統(tǒng)。?

　　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網(wǎng)絡(luò)實時地向信號處理板發(fā)送各種命令和數(shù)據(jù),同時信號處理板也可將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時地傳送給其它子系統(tǒng)。?

　　信號處理子系統(tǒng)的程序開發(fā)是基于BSP的cpv5000,它為PCI設(shè)備提供非常好的支持,使得開發(fā)者對PCI設(shè)備的訪問變得非常輕松,VxWorks的網(wǎng)絡(luò)功能也很健全,網(wǎng)絡(luò)通訊易于實現(xiàn)。另外,VxWorks的多任務(wù)性及豐富的進程通訊機制為實現(xiàn)復(fù)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現(xiàn),VxWorks穩(wěn)定可靠,實時性完全滿足項目的需要。?

參考文獻?

1 戴擎宇,高梅國,劉國滿,李云杰. 基于VxWorks的多DSP實時信號處理系統(tǒng). 2001嵌入式系統(tǒng)及單片機國際學(xué)術(shù)交流會論文集,458～461?

2 芮 雨,余松煜. 實時操作系統(tǒng)VxWorks下的并口通信.電子技術(shù),2000;(7):17～19?

3 張麗芬.操作系統(tǒng)原理與設(shè)計.北京:北京理工大學(xué)出版社,1997?

4 劉 暉,冀然然,夏意軍. PCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(第四版). 北京:電子工業(yè)出版社,2000?