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實時操作系統(tǒng)VxWorks在跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：實現(xiàn)跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的實時通訊，重點是信號處理子系統(tǒng)中信號處理板和網(wǎng)絡(luò)間的實時通訊。在實時操作系統(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)完成了信號處理和網(wǎng)絡(luò)之間的實時通訊。關(guān)鍵詞：VxWorks跟蹤雷達(dá)PCI網(wǎng)絡(luò)通訊
跟蹤雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)，可以滿足軟件對實時性需求。
本系統(tǒng)中，跟蹤雷達(dá)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(dá)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(dá)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。
1VxWorks簡介
目前市場上比較著名的實時操作系統(tǒng)有：VxWorks、pSoS、Nucleus、VRTX、WindowsCE、PalmOS、QNX、PowerTV、JavaOS、LynxOS等。其中，VxWorks是美國WRS（WindRiverSystem）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）�？梢奦xWorks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(jìn)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)
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、DIGITALUNIX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。
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。
2VxWorks在信號處理子系統(tǒng)中的應(yīng)用
信號處理子系統(tǒng)采用摩托羅位的COMPACTPCI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(fù)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(fù)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(jìn)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(jìn)程組成：poopClient、BDPReceive、intProc20ms、intProcG
ate和messageHandle。PoopClient進(jìn)行負(fù)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(jìn)程接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，然后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中去。
STATUSappMain(void)
{
……
/*ConnecttheISR*/
if(pciIntConnect(INUM_TO_IVEC(INT_NUM_IRQ0+dsp_intLine),(VOIDFUNCPTR)dspISR,0)==ERROR)
……
/*Createsometasks*/
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PCI總線和CPU板相連。在系統(tǒng)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(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(jìn)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(jìn)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)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)備映射設(shè)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(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(jìn)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(jìn)行讀寫，同時讀出中斷線的內(nèi)容，進(jìn)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(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(jìn)程發(fā)送信號，處理進(jìn)程即開始工作；在沒接收到信號時，處理進(jìn)程處于等待狀態(tài)。
STATUSdspISR()
{
……
switch（intType）
{
caseINT_20MS;/*INT_20MS=1*/
……
semGive(sem20ms);
break;
caseINT_ACQGATE:/*INT_ACQGATE=2*/
……
semGIve(semAcqGate);
break;
default:
……
break;
}
……
}
voidintProc20ms()
{
……
FOREVER
{
semTake(sem20ms,WAIT_FOREVER);
……
}
……
}
voidintProcGate()
{
……
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(jìn)程的處理，如圖5上半部所示。處理進(jìn)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(jìn)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程序。
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(jìn)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。
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