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實時操作系統VxWorks在跟蹤雷達系統中的應用
摘要：實現跟蹤雷達系統中各子系統之間的實時通訊，重點是信號處理子系統中信號處理板和網絡間的實時通訊。在實時操作系統VxWorks平臺下，編寫PCI設備的驅動程序和網絡通訊程序，以完成通訊功能。VxWorks的高可靠性和強實時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絡之間的實時通訊。關鍵詞：VxWorks跟蹤雷達PCI網絡通訊
跟蹤雷達在跟蹤高速目標時，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時性要求較高，而且對相應軟件系統的實時性要求也較高。用實時操作系統VxWorks作為跟蹤雷達系統中的操作系統，可以滿足軟件對實時性需求。
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以太網接口相互通訊。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，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。
1VxWorks簡介
目前市場上比較著名的實時操作系統有：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核、可裁剪的高性能強實時操作系統，在實時操作系統市場上處于領導地位。它在航空、廣播、運輸、醫療、自動化生產和科學研究等領域中有著廣泛的應用，尤其是在國防和軍事上一些高精尖技術及實時性要求極高的領域中，體現出了其優越的性能。在1997年4月發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核結構，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核源文件來配置內核。VxWorks能進行高效的多任務調度，它支持中斷驅動的優先級搶占式調度和時間片輪轉調度，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間。這些使得內核具有非常強的實時性。
（2）VxWorks應用程序開發
除了性能出眾的操作系統外，WRS公司還提供了優秀的實時操作系統開發工具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工具；VxWorks實時操作系統；一整套主機-目標間的通訊選項，例如以太網、串行線路、在電路仿真（ICE）和ROM仿真等。
圖2是Tornado開發系統組成框圖，左邊的框代表Tornado集成開發環境，它運行在開發主機上，可以基于WIN9x、WINNT、DIGITALUNIX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類型有MC680x0、PowerPc、SPARC、SPARClite、i960、x86、R3000、R4000、R4650等。目標機上運行VxWorks實時操作系統，其上層運行用戶應用程序。
Tornado集成了用于VxWorks應用程序開發和調試的各種工具。開發者在主機系統里，利用這個集成環境組織、編寫、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調完成，流程如圖3所示。
2VxWorks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COMPACTPCI計算機，它的CPU為PII233MMX。該信號處理子系統的主要任務是通過網絡接收來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，將其通過網絡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：一是驅動程序，負責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信號處理板；二是網絡通訊程序，負責與主控機握手、接收數據報文和發送數據報文。它的組成如圖4所示，當信號處理板產生數據后，發出一次中斷，中斷服務程序觸發發送進程讀取信號處理板上的數據，然后發送給網絡。網絡通訊程序主要由五個并發的進程組成：poopClient、BDPReceive、intProc20ms、intProcG
ate和messageHandle。PoopClient進行負責和主控子系統握手，獲取主控機在線信息，以及傳送本子系統在線信息。BDPReceive進程接收網絡數據，然后送給messageHandle進程，經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據，然后發送到網絡中去。
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sysHwInit()里，調用pciConfigLibInit()來選擇PCI設備的配置機制Mechanism#1或Mechanism#2,接著調用pciConfigLibInit()對PCI設備中斷進行初始化，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配置都以它們為基礎。隨著系統初始化的繼續，在另一個硬件初始化函數sysHwInit2()里，調用了sysPciAutoConfig()，這個函數對PCI設備做了進一步的初始化。首先，它逐個查找PCI設備，先查找0號總線上的所有設備，一旦查到PCI-PCI橋設所有設備為止。查找過程中，這個函數對一些在總線上慢顯現的設備作了一些特殊的等待處理。這會減慢系統啟動的速度，若需要，用戶可以通過修改內核源程序來避免等待。當確定了所有的設備后，函數再次查找一遍設備。這次，它創建一個PCI設備列表，把所有的設備都存到列表中。然后，函數根據這個列表，對每個設備做一些配置。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。用戶了解這些配置后，就可以在應用程序里對自己的PCI設備進行訪問了。
操作系統啟動后，開始執行usrAppInit()。這個函數的內容由用戶自己編寫，它完成用戶所需的功能。在本系統中，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容，進而通過pciIntConnect（）來掛中斷。pciIntConnect()函數考慮了PCI設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。當有中斷產生時，中斷服務子程序立即響應，它給相應的處理進程發送信號，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。
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);
……
}
……
}
網絡通訊程序使用SOCKET機制，因為通訊只涉及到一個小局域網，所以傳輸層采取UDP協議。程序中創建了一組消息隊理，接收進程不停地接收SOCKET傳來的數據和命令，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，若向網上傳送數據，則需要先發出中斷，中斷服務程序通知處理進程，把數據通過網絡傳給其它子系統。
這樣，信號處理板和網絡之間就能夠順利地通訊了。主控計算機可以通過網絡實時地向信號處理板發送各種命令和數據，同時信號處理板也可將數據通過網絡實時地傳送給其它子程序。
信號處理子系統的程序開發是基于BSP的cpv5000，它為PCI設備提供非常好的支持，使得開發者對PCI設備訪問變得非常輕松，VxWorks的網絡功能也很健全，網絡通訊易于實現。另外，VxWorks的多任務性及豐富的進程通訊機制為實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現，VxWorks穩定可靠，實時性完全滿足項目的需要。
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