嵌入式操作系統(tǒng)在高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)中的應(yīng)用
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1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)硬件基于6U的VME總線設(shè)計(jì)，由多個(gè)子模塊組成，包括A/D采樣板、信號(hào)處理板、定時(shí)接口板、嵌入式計(jì)算機(jī)VG4。
A/D采樣板作為前端采集雷達(dá)的回波信號(hào)。它采用AD10242，采樣率為32MHz，包含2個(gè)A/D變換器，可以對(duì)兩路模擬信號(hào)作模數(shù)變換，輸出2個(gè)12位的數(shù)據(jù)。由于采樣的數(shù)據(jù)率遠(yuǎn)低于DSP的處理能力，所以通過(guò)大容量的FIFO對(duì)A/D采樣的數(shù)據(jù)緩存，再以DMA的方式發(fā)送給DSP處理。為了滿足要求，信號(hào)處理系統(tǒng)以流水的方式處理數(shù)據(jù)。通過(guò)鏈路口和總線使多片DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最后，由VG4顯示目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果。
VG4是SBS公司的一款專門針對(duì)工業(yè)控制設(shè)計(jì)的嵌入式計(jì)算機(jī)。VG4的處理器采用Motorola PowerPC 755，主頻400MHz，擁有64MB SDRAM，16MB Flash用來(lái)固化操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，而且提供了豐富的接口。VxWorks操作系統(tǒng)及其應(yīng)用程序在VG4上運(yùn)行。由于目標(biāo)機(jī)VG4的資源有限，程序的開發(fā)由主機(jī)的交叉開發(fā)平臺(tái)Tornado完成，通過(guò)串口和以太網(wǎng)下載目標(biāo)代碼并調(diào)試。程序開發(fā)完成后可以固化在目標(biāo)機(jī)VG4的Flash上，這樣系統(tǒng)每次啟動(dòng)就從Flash加載程序。操作系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)主要采用C語(yǔ)言。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流如圖1所示。
1.1 定時(shí)接口板的設(shè)計(jì)
定時(shí)接口板對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)穩(wěn)定的工作起了關(guān)鍵作用。它產(chǎn)生的定時(shí)脈沖信號(hào)控制著發(fā)射接收機(jī)、A/D采樣板、信號(hào)處理板和VG4。
定時(shí)接口板通過(guò)VME總線與VG4進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。VME總線是一種高性能的背板總線，由于采用高電流總線信號(hào)、嚴(yán)密的邏輯仲裁，所以具有極強(qiáng)的總線驅(qū)動(dòng)能力及較長(zhǎng)的信號(hào)線傳輸路徑，可支持21個(gè)VME板卡的直接相連，信號(hào)可靠性非常高。VME總線由于其信號(hào)的高穩(wěn)定性、并行性和高可靠性，被廣泛應(yīng)用于多DSP系統(tǒng)中。
接口板上的FPGA實(shí)現(xiàn)VME橋接功能，使雙口RAM連到VME總線和TS101的總線上，以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)軟件操作VG4控制定時(shí)接口板啟動(dòng)波駐起始脈沖串T0，在每個(gè)波駐起始脈沖產(chǎn)生的同時(shí)產(chǎn)生定時(shí)中斷脈沖，作為每幀定時(shí)信號(hào)組的時(shí)間基準(zhǔn)。中斷信號(hào)通過(guò)VME總線中斷VG4，并作為其中斷請(qǐng)求信號(hào)。VG4響應(yīng)定時(shí)中斷脈沖，向定時(shí)接口板傳送控制參數(shù)。定時(shí)接口板據(jù)此參數(shù)控制信處、AD、收發(fā)設(shè)備，并接收信處回傳的檢測(cè)結(jié)果，傳給VG4進(jìn)行處理和顯示。數(shù)據(jù)是由外部中斷驅(qū)動(dòng)的，所以能滿足實(shí)時(shí)性要求。定時(shí)接口板結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1.2 信號(hào)處理板的設(shè)計(jì)
雷達(dá)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性要求處理系統(tǒng)應(yīng)具有較高的數(shù)據(jù)處理能力。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用多片DSP構(gòu)成并行處理系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。信號(hào)處理系統(tǒng)核心單元是美國(guó)Analog Devices Inc公司生產(chǎn)的ADSP-TS101，其峰值運(yùn)算能力可達(dá)18億次/秒。它采用了改進(jìn)的靜態(tài)超標(biāo)量流水結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)成各種不同的并行多處理器系統(tǒng)，較好地滿足了雷達(dá)信號(hào)處理的要求。
為了保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力，采用數(shù)據(jù)入口與出口分開的方法，系統(tǒng)中各DSP分別接收處理位于不同時(shí)間段的雷達(dá)回波信號(hào)。為了使各DSP協(xié)調(diào)工作，DSP間的通信必不可少。本系統(tǒng)采用共享總線的分布式結(jié)構(gòu)，使得各DSP之間的通信有多種途徑。為了信號(hào)處理板的通用性和靈活性，設(shè)計(jì)由四片DSP組成的共享總線結(jié)構(gòu)子板，各DSP間用鏈路口點(diǎn)對(duì)點(diǎn)環(huán)形相連，將各信號(hào)線通過(guò)PMC插槽引出，與母板通信。信號(hào)處理板結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks
VxWorks是實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它能在確定的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行其功能，并對(duì)外部異步事件作出響應(yīng)。多任務(wù)環(huán)境允許一個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用劃分為多個(gè)獨(dú)立任務(wù)運(yùn)行，各任務(wù)有各自的線程和系統(tǒng)資源。VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)由多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的目標(biāo)模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當(dāng)模塊來(lái)裁剪及配置系統(tǒng)，從而有效地保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。這樣，通過(guò)目標(biāo)模塊之間的按需組合，可得到許多滿足功能需求的應(yīng)用。
下面介紹VxWorks的技術(shù)特征。
(1)任務(wù)
在VxWorks中，最小的程序運(yùn)行單位稱為任務(wù)(Task)。建立任務(wù)時(shí)，要對(duì)其分配一段固定的代碼和數(shù)據(jù)空間。操作系統(tǒng)內(nèi)核通過(guò)任務(wù)控制塊對(duì)它的執(zhí)行、通信、資源等情況進(jìn)行控制。任務(wù)具有就緒、阻塞、掛起和延遲等狀態(tài)。與大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)一樣，在VxWorks中，所有任務(wù)存在于統(tǒng)一的線性空間中共享物理內(nèi)存，每個(gè)任務(wù)沒有自己獨(dú)立的代碼段和堆，只有獨(dú)立的動(dòng)態(tài)棧，任務(wù)中的地址即是真正的物理地址。由于不需要進(jìn)行地址空間映射，所以任務(wù)切換時(shí)的上下文切換(Context Switch)時(shí)間大為減少，從而符合實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)快速響應(yīng)的原則。VxWorks的代碼段與堆共享減少了上下文切換時(shí)間，卻帶來(lái)了共享代碼的可重入性問(wèn)題。如一個(gè)函數(shù)被兩個(gè)任務(wù)調(diào)用，當(dāng)其中包含對(duì)全局、靜態(tài)變量等從堆中分配空間的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，就有可能產(chǎn)生沖突，從而引發(fā)錯(cuò)誤。這個(gè)問(wèn)題在應(yīng)用軟件開發(fā)時(shí)要加以注意，其解決方法是使用局部變量(從棧中分配空間)或使用互斥信號(hào)量對(duì)臨界代碼進(jìn)行保護(hù)。
(2)任務(wù)調(diào)度
VxWorks有優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度兩種任務(wù)調(diào)度策略。系統(tǒng)共有256 個(gè)優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度指一個(gè)優(yōu)先級(jí)較低的任務(wù)正在執(zhí)行中，另一個(gè)優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，則馬上搶占處理器資源，執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，直到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)釋放處理器(完成、掛起、阻塞等)才繼續(xù)執(zhí)行被中斷的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)。優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度可以保證實(shí)時(shí)系統(tǒng)的迅速響應(yīng)特性，但也存在問(wèn)題。當(dāng)系統(tǒng)中存在幾個(gè)相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)時(shí)，就會(huì)使單一任務(wù)獨(dú)占處理器直至完成。如果這個(gè)任務(wù)占用太多時(shí)間，則會(huì)影響其他同優(yōu)先級(jí)任務(wù)的運(yùn)行。當(dāng)加入時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度時(shí)，系統(tǒng)給相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)分配相同的一段時(shí)間片，以輪轉(zhuǎn)方式占用CPU。加入了基于優(yōu)先級(jí)的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度方式，使不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)間以搶占方式調(diào)度，相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)以時(shí)間片進(jìn)行輪轉(zhuǎn)。
(3)存儲(chǔ)管理
在基本的內(nèi)核中，任務(wù)直接操作線性物理內(nèi)存，不存在虛擬存儲(chǔ)等復(fù)雜的存儲(chǔ)管理策略，這主要是針對(duì)實(shí)時(shí)性考慮的。對(duì)于存在MMU的處理器中，VxWorks也提供支持標(biāo)準(zhǔn)的虛擬存儲(chǔ)區(qū)和共享內(nèi)存(多處理器間共享)組件。這樣任務(wù)是操作虛擬存儲(chǔ)，代碼更加安全。
(4)任務(wù)間通信
任務(wù)間存在多種通信形式，內(nèi)核支持各種UNIX的通用手段：信號(hào)量(Semaphore)、消息隊(duì)列(Message Queue)、管道(Pipe)、信號(hào)(Signal)、套接字(Socket)。信號(hào)量主要用于對(duì)臨界資源進(jìn)行互斥保護(hù)及任務(wù)間或中斷與任務(wù)間的同步；消息隊(duì)列多用于消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制；管道是基于文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的任務(wù)間按先進(jìn)先出方式傳送數(shù)據(jù)的通信方式；信號(hào)相當(dāng)于軟中斷，用于顯示錯(cuò)誤信息；套接字機(jī)制主要用于網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)任務(wù)間需要大量交換數(shù)據(jù)時(shí)，由于VxWorks直接操作物理內(nèi)存，可以直接訪問(wèn)全局存儲(chǔ)區(qū)，不需要特別的手段。這與Linux下的共享存儲(chǔ)段申請(qǐng)和Windows中的存儲(chǔ)映射文件方式不同。
(5)中斷
在VxWorks中，所有中斷服務(wù)程序都不屬于任何一個(gè)任務(wù)，并且使用同一個(gè)棧進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，中斷將不會(huì)引起上下文切換，以實(shí)現(xiàn)高效的中斷響應(yīng)。中斷與各任務(wù)之間可以通過(guò)前面所述的各種手段通信，但是對(duì)中斷服務(wù)程序有一些限制。因?yàn)橹袛嗖淮嬖谏舷挛那袚Q，所以不能調(diào)用可能導(dǎo)致阻塞的資源。例如動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存(malloc)、獲取信號(hào)量(semTake)和打印程序(printf)等。中斷資源寶貴，所以中斷服務(wù)程序應(yīng)盡量短小，把運(yùn)算量大和耗時(shí)的工作放在服務(wù)程序外處理。
(6)文件系統(tǒng)
VxWorks支持網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS及多種本地文件系統(tǒng)，如MS_DosFS、RawFS和RT-11FS，用戶可根據(jù)具體配置選擇。
(7)網(wǎng)絡(luò)支持
Vxworks支持多種物理介質(zhì)的TCP/IP協(xié)議族和幾乎所有常用的基于TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議，如ARP、BOOTP、SLIP和FTP，甚至其啟動(dòng)就是通過(guò)BOOTP或FTP方式取得系統(tǒng)映象文件。
以上簡(jiǎn)單介紹了VxWorks的一些技術(shù)特征，充分反映了實(shí)時(shí)性與嵌入式的密切相關(guān)性。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
VG4軟件開發(fā)主要分為操作系統(tǒng)的配置生成和應(yīng)用程序的開發(fā)兩部分。操作系統(tǒng)的生成主要是對(duì)BSP的配置和對(duì)VxWorks組件進(jìn)行裁剪。在應(yīng)用程序的開發(fā)中，為了滿足實(shí)時(shí)性要求，應(yīng)對(duì)任務(wù)進(jìn)行合理劃分，使程序達(dá)到多任務(wù)并行操作。
任務(wù)劃分需要遵循以下原則：
(1)功能內(nèi)聚性。對(duì)于功能聯(lián)系比較緊密的各工作可以用一個(gè)任務(wù)來(lái)運(yùn)行。如果用多個(gè)任務(wù)進(jìn)行相互之間的消息通信，將會(huì)影響系統(tǒng)效率。
(2)時(shí)間緊迫性。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求比較高的任務(wù)，以高優(yōu)先級(jí)運(yùn)行，以保證事件的實(shí)時(shí)響應(yīng)。
(3)周期執(zhí)行原則。對(duì)于一個(gè)需要周期性執(zhí)行的工作，應(yīng)作為一個(gè)獨(dú)立的模塊完成。
3.1 操作系統(tǒng)的配置
在嵌入式操作系統(tǒng)上進(jìn)行開發(fā)要滿足實(shí)時(shí)性和資源有限性的要求，因此與通用操作系統(tǒng)存在差異。在生成操作系統(tǒng)時(shí)剪裁不需要的組件，添加需要的組件，使系統(tǒng)盡量精簡(jiǎn)。操作系統(tǒng)及其應(yīng)用程序主要運(yùn)行在內(nèi)存中，操作系統(tǒng)太大會(huì)占用很多的內(nèi)存空間。應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)要對(duì)每個(gè)任務(wù)分配合適的內(nèi)存。為了滿足實(shí)時(shí)性，內(nèi)存分配要盡可能快，因此不采用通用操作系統(tǒng)中復(fù)雜而完善的內(nèi)存分配策略，而采用簡(jiǎn)單、快速的內(nèi)存分配方案。如果系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性和可靠性的要求極高，不能容忍一點(diǎn)延時(shí)或者一次分配失敗，最好采用靜態(tài)分配方案，也就是在程序編譯時(shí)所需要的內(nèi)存都已經(jīng)分配好了。例如，火星探測(cè)器上的嵌入式系統(tǒng)就必須采用靜態(tài)分配方案。
雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，所以本系統(tǒng)盡量采用靜態(tài)分配方案。但是VG4內(nèi)存有限，在一些子任務(wù)中也采用動(dòng)態(tài)分配方案。這里VxWorks采用First Fit的內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配方式，當(dāng)系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)分配內(nèi)存時(shí)，可以保證在很短的時(shí)間內(nèi)分配。但是采用這種方式容易產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片，而VxWorks沒有清除碎片的功能，因此對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存要非常小心。
根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際情況，接口板傳給VG4的信處檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)量基本不變，對(duì)于這批數(shù)據(jù)可以以另一種方式存儲(chǔ)。通過(guò)修改BSP的配置，從RAM中分配一塊用戶保留的存儲(chǔ)區(qū)域。這塊存儲(chǔ)區(qū)是用戶專用的，不會(huì)被系統(tǒng)覆蓋。用戶可以通過(guò)絕對(duì)地址對(duì)其進(jìn)行讀寫。具體方法是設(shè)置RAM布局中User reserved區(qū)域，系統(tǒng)默認(rèn)為0，設(shè)置這塊RAM使之滿足原始數(shù)據(jù)的大小。
3.2 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)
應(yīng)用程序運(yùn)行在VxWorks操作系統(tǒng)上，其功能包括對(duì)系統(tǒng)初始化、根據(jù)輸入命令對(duì)各模塊進(jìn)行控制及實(shí)時(shí)顯示信號(hào)處理結(jié)果。存在著如下幾類數(shù)據(jù)通信：VG4向定時(shí)接口板傳送控制參數(shù)，讀取定時(shí)接口板中存儲(chǔ)的信處檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，響應(yīng)外部中斷，顯示目標(biāo)信息以及獲得外部輸入的控制信息?？紤]到C語(yǔ)言的平臺(tái)無(wú)關(guān)性和代碼簡(jiǎn)介高效性，應(yīng)用程序采用C語(yǔ)言編寫。
系統(tǒng)劃分為6個(gè)任務(wù)：(1)系統(tǒng)監(jiān)控：?jiǎn)?dòng)和監(jiān)控其他任務(wù)。(2)數(shù)據(jù)傳輸：響應(yīng)VME中斷，與定時(shí)接口板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。(3)數(shù)據(jù)處理：對(duì)信處檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，扣除虛假目標(biāo)并轉(zhuǎn)換格式以方便顯示。(4)終端顯示：顯示檢測(cè)目標(biāo)結(jié)果和系統(tǒng)狀態(tài)信息到屏幕。(5)指令控制：響應(yīng)控制開關(guān)的命令和獲取慣導(dǎo)數(shù)據(jù)。(6)錯(cuò)誤處理：對(duì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的任務(wù)做出響應(yīng)的處理，并在終端顯示。
中斷服務(wù)程序響應(yīng)定時(shí)VME7號(hào)中斷，程序如下：
if(intConnect( (VOIDFUNCPTR*)0xf0，intHdlr，0)==ERROR)
{ puts(″intInit：Error in connecting to the ISR″)；
return(ERROR)；}
if(sysIntEnable(7)==ERROR)/*響應(yīng)7號(hào)VME中斷*/
{ puts(″intInit：Error in Enable ISR 7″)；
return(ERROR)；}
圖4顯示了各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。從中可以看到中斷服務(wù)程序的優(yōu)先級(jí)最高，因?yàn)閷?shí)時(shí)系統(tǒng)要及時(shí)響應(yīng)外部中斷信號(hào)。
指令控制任務(wù)首先獲取外部開關(guān)命令和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，以消息的形式發(fā)送給數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。當(dāng)中斷來(lái)臨時(shí)，中斷服務(wù)程序馬上釋放同步信號(hào)量syncSemId。數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)一直等待這個(gè)信號(hào)量，當(dāng)獲取到這個(gè)信號(hào)量時(shí)，立即把從指令控制任務(wù)收到的消息轉(zhuǎn)換成模式字寫到接口板的雙口RAM中，接著讀取信處檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理子任務(wù)獲取同步信號(hào)量syncSemId2后對(duì)收到的信處檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這一任務(wù)最耗時(shí)。終端顯示任務(wù)以消息的形式接收上一任務(wù)的處理結(jié)果，并顯示處理結(jié)果及系統(tǒng)目前的運(yùn)行狀態(tài)信息。信號(hào)量廣泛應(yīng)用于同步和對(duì)臨界資源的保護(hù)，信號(hào)量的建立如下：
if((syncSemId=semBCreate(SEM_Q_FIFO，SEM_EMPTY))==NULL) /*建立同步信號(hào)量*/
{ puts(″nintInit：semBCreate failed″)；
return(ERROR)；}
if((inputGuardSemId=semMCreate(SEM_Q_PRIORITY|SEM_
INVERSION_SAFE|SEM_DELETE_SAFE))==NULL)
/*建立互斥信號(hào)量*/
{ puts(″nintInit：semMCreate failed″)；
return(ERROR)；}
系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)包括初始化各任務(wù)及實(shí)時(shí)監(jiān)控各任務(wù)運(yùn)行是否正常。當(dāng)檢測(cè)到某任務(wù)運(yùn)行不正常時(shí)，啟動(dòng)錯(cuò)誤處理任務(wù)。錯(cuò)誤處理任務(wù)根據(jù)情況給予相應(yīng)處理，并在終端顯示。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)重啟。
本文設(shè)計(jì)的信號(hào)處理機(jī)主要應(yīng)用于直升機(jī)火控系統(tǒng)，現(xiàn)已經(jīng)過(guò)驗(yàn)收，各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。隨著設(shè)計(jì)的改進(jìn)，系統(tǒng)功能將進(jìn)一步完善，結(jié)構(gòu)會(huì)更加通用模塊化，從而實(shí)現(xiàn)不改變整個(gè)硬件系統(tǒng)平臺(tái)，只對(duì)程序進(jìn)行相應(yīng)的修改，便可應(yīng)用于其他領(lǐng)域的信號(hào)處理系統(tǒng)中。
參考文獻(xiàn)
1 趙樹杰，史 林.數(shù)字信號(hào)處理.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1997
2 WindRiver.VxWorks Programmer′s Guide 5.5.2002
3 WindRiver.VxWorks API Reference.2002
4 WindRiver.Tornado User′s Guide(Windows Version).2002
5 蘇 濤，蔡建隆，何學(xué)輝.DSP接口電路設(shè)計(jì)與編程.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003
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