（信息与通信工程专业论文）vxworks在cpci高速数据采集系统中的应用研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 本文以分布式卫星s a r 仿真系统为背景，对v x w o r k s 在c p c i 高速数据采集系 统中的应用进行了系统的研究。这个系统为分布式卫星s a r 雷达信号模拟平台提 供支撑，用于分析目标回波和干扰信号的各种特性，给设计者提供星载s a r 的真 实模型和测试平台。 本文的工作主要包括以下三个方面： 针对自研的c p c i 数据采集板卡的驱动的实现，论文重点研究了在y x w o r k s 环 境下如何编写程序来实现p c i 设备的驱动，总结了p c i 设备驱动设计流程，并针 对具体芯片p c i 9 6 5 6 进行了程序设计，同时还结合v x w o r k s 的实时多任务环境对 驱动程序设计的相关注意事项进行了讨论。 针对系统功能扩展后多块功能板卡的情况，论文重点研究了v x w o r k s 的中断 处理机制，结合课题的硬件环境讨论了中断处理的硬件实现基础。然后对实时系 统的中断服务程序设计的结构进行了探讨，为具体的程序设计提出了可遵循的基 本框架。最后，根据课题的硬件平台，详细地讨论了多中断处理程序的具体实现， 将中断处理机制成功地应用在了数据的d m a 传输中。 针对工控机箱上的主控机与控制终端人机界面之间命令通道的实现，论文研 究了流套接字的工作流程，分析了基于流套接字的客户服务器网络编程模式，建 立起双缓冲队列的网络通信架构。然后，研究了双缓冲队列元素的动态管理和通 信协议的实现。最后在上述基础上研究了网络命令通道的实现。 本文的创新点主要是以下两个方面： 在中断处理方面，利用信号灯将传统中断服务程序分解为一个更短的中断服 务程序和一个中断服务任务，从而提高了系统的中断响应的实时性并同时增强了 中断处理的能力。 在网络通信方面，利用双缓冲队列将先进先出调度和优先级抢占调度进行了 有机的结合，从而在保证紧急任务实时响应的前提下进一步减少了系统的多任务 调度开销。 主题词：数据采集，v x w o r k s ，c p c i 总线，驱动设计，中断处理，网络通信 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ea p p l i c a t i o no fv x w o r k st oh i g hs p e e dc p c id a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mi si n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l ya g a i n s tt h eb a c k g r o u n do fs p a c eb o r n ed i s t r i b u t e d s a rr a d a rs i m u l a t i o ns y s t e m t 1 1 i ss y s t e mi su s e dt os u p p o r tt h es p a c e b o m ed i s t r i b u t e d s a rr a d a rs i g n a ls i m u l a t i o ns y s t e m w h i c hc a nb eu s e dt oa n a l y s i st h ev a r i o u s c h a r a c t e r i s t i c so f t h eo b j e c t se c h oo rt h ei n t e r f e r i n gs i g n a la n dt h u sc a ns u p p l ya na c t u a l m o d e la n dt e s tb e n c ho ft h es p a c e b o r e ns r af o rt h ed e s i g n e r t 1 1 ew o r ko ft h i st h e s i si n c l u d e st h r e ep a r t sa sf o l l o w s ： a i m i n ga tt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ed r i v e rf o rt h ei n d e p e n d e n t l ym a d ec p c id a t a a c q u i s i t i o nb o a r d ，t h et h e s i sf o c u s e so nh o w t op r o g r a mt oi m p l e m e n tt h ep c id e v i c e s d r i v e ru s i n gt h ev x w o r k s as u m m a r yo ft h ed e s i g n i n gf l o wf o rt h ep c id e v i c ed r i v e r h a sb e e nm a d e t h e nt h e r ei sap r o g r a mi m p l e m e n t a t i o na c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cc h i p p c i 9 6 5 6 ，n l ep o i n t sn e e d i n ga t t e n t i o nf o rt h ed r i v e rd e s i g n i n gi nt h ev x w o r k sm u l t i t a s k e n v i r o n m e n t sh a sb e e nd i s c u s s e d a i m i n ga tt h ec o n d i t i o no fm u l t i b o a r d sw h e nt h es y s t e mh a sb e e ne x p a n d e d ，t h e t h e s i sf o c u s e so nt h ei n t e r r u p th a n d l i n gm e c h a n i s mo fv x w o r k s ，a n dm a k e sad i s c u s s i o n o ft h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h ei n t e r r u p th a n d l i n gc o m b i n i n gt h eh a r d w a r e e n v i r o n m e n to f t h es u b j e c tr e s e a r c hp r o j e c t s t h e nt h e r ei sad i s c u s s i o no f t h ea r c h i t e c t u r e o ft h ei n t e r r u p ts e r v i c e r o u t i n ed e s i g n i n gf o rt h er e a l t i m es y s t e m ab a s i cs c h e m ew h i c h c a nb ef o l l o w e df o rt h ep r o g r a md e s i g n i n gh a sb e e ns u p p l i e d a tl a s t ，t h e r ei sas p e c i f i c d i s c u s s i o n o ft h ei m p l e m e n t a t i o no fm u l t i - i n t e r r u p t sh a n d l i n gp r o g r a m ，w h i c hi s s u c c e s s i v e l yu s e di nt h ed a t at r a n s f e r r i n gi nd m a m o d eo nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h e s u b je c t a i m i n ga tt h ei m p l e m e n t a t i o no f t h ec o m m a n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em a s t e r m a c h i n eo ni n d u s t r i a lc h a s s i sa n dt h ec o n t r o lt e r m i n a lo nt h ep c ，t h et h e s i sm a k e sas t u d y o f t h ew o r k f l o wo f t h es t r e a ms o c k e t ，a n da n a l y s e st h en e t w o r kp r o g r a mm e t h o db a s e do n t h ec l i e n t s e v e ro fs t r e a ms o c k e tm o d e an e t w o r kc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r eu s i n g d o u b l eb u f f e r i n gq u e u e sh a sb e e nb u i l d e d t h e nt h e r ei sas t u d yo ft h ed y n a m i c m a n a g e m e n to ft h ee l e m e n t si nt h ed o u b l eb u f f e r i n gq u e u e sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o no f t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 a tl a s t ，t h en e t w o r kc o m m a n dc o m m u n i c a t i o nh a sb e e n i m p l e m e n t e do nt h eb a s i so ft h ew o r ka b o v e n l ei n n o v a t i o np o i n t so ft h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d et w op a r t sa sf o f l o w s ： a sf o rt h ei n t e r r u p td e s i g n ，t h et r a d i t i o n a li s ra r ed i v i d e di n t oas h o r t e ri s ra n da n i n t e r r u p ts e r v i c et a s kt h r o u g ht h es e m a p h o r e s ot h er e s p o n s eo f t h ei n t e r r u p tb e c o m e s m u c hs h o r t e ra n dt h ef u n c t i o no ft h ei n t e r r u p th a n d l i n gb e c o m e sm o r ea b u n d a n t a sf o rt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，t h ef i f os c h e d u l i n ga n dt h ep r i o r i t y b a s e d p r e e m p t i v es c h e d u l i n ga r ec o m b i n e dr e a s o n a b l yu s i n gt h ed o u b l eb u f f e r i n gq u e u e s s o 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 t h es y s t e mc o s t sc a l lb ec u to f fa n dt h ee m e r g e n tt a s kc a l ls t i l lb er e s p o n d e di nt i m e k e yw o r d s d a t aa c q u i s i t i o n ，v x w o r k s 。c p c ! b u s ，d r i v e rd e s i g n ，i n t e r r u p t h a n d l i n g ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1 几种常用的嵌入式操作系统a p i 丰富程度比较5 表4 1 设置中断的函数列表5 0 表5 1 流套接字通信步骤与电话系统对照6 3 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 嵌入式采集系统的基本结构4 图l - 2 操作系统解释图示4 图1 3 数据采集系统实物图。6 图1 4 文章论述结构及章节安排7 图2 1 实时操作系统v x w o r k s 的内核9 图2 2v x w o r k s 的交叉开发环境l o 图2 3 任务执行状态的典型有限状态机11 图2 4 基于优先级的抢占式调度1 2 图2 s 三个任务抢占式调度的w i n d v i e w 截图13 图2 6 使用时间片实现的轮转调度1 3 图2 7 三个任务进行轮转调度的w i n d v i e w 截图1 4 图2 8 基于优先级的抢占调度与轮转调度相结合的方法j 1 4 图2 9 共享内存机制15 图2 1 0 二进制信号量状态转换图1 6 图2 1l 互斥信号量状态转换图1 6 图2 1 2 消息队列的状态图1 8 图2 1 3 中断系统的硬件结构示意图1 9 图3 1 数据采集系统的体系结构2 l 图3 2c p c i 总线规范的示意图2 2 图3 3v x w o r k s 下的设备2 4 图3 4 设备描述符结构2 4 图3 5v x w o r k s 设备驱动程序在系统中的层次。2 5 图3 6v x w o r k s 设备驱动程序表。2 6 图3 7 实际系统中所看到的设备驱动程序表2 6 图3 8v x w o r k s 系统驱动程序的安装，2 7 图3 9v x w o r k s 的t 0 系统、文件系统及块设备驱动程序之间的关系2 8 图3 1 0p c i 设备配置空间的组织结构2 9 图3 11 配置空间的头标区2 9 图3 1 2 命令寄存器的格式3 l 图3 1 3p c i 9 6 5 6 在系统中的位置3 3 图3 1 4 局部总线的地址映射3 4 图3 1 5p c i 9 6 5 6 设备驱动的设计流程3 6 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 1 6 输入幅度控制在1 5 v 条件下采集到的信号波形4 1 图3 1 7 输入幅度控制在1 2 v 条件下采集到的信号波形4 1 图4 1 主控单板机c k 5 的中断处理硬件实现电路4 5 图4 2 两种中断处理模式4 6 图4 3 中断处理示意图4 7 图4 4 中断处理的基本原理4 8 图4 5v x w o r k s 的中断处理基本步骤5 0 图4 6 中断源结构示意图5 3 图4 7m v 6 4 4 6 0 中断响应的两个步骤5 4 图4 8d m a 数据传输操作5 6 图4 9d m a 结合中断处理传输方式的程序设计流程图5 6 图4 1 0 多中断源处理程序设计流程图5 8 图4 1 1w i n d v i e w 观察到的中断处理时序图5 9 图5 1v x w o r k s 的网络系统结构图6 2 图5 2 客户服务器网络编程模式流程6 4 图5 3 双缓冲队列网络通信的整体架构6 5 图5 4 链表结构图6 6 图5 5 通信中数据的基本格式6 8 图5 6v x w o r k s 端命令通道实现的整体结构图6 9 图5 7 侦听套接字成功与通信端口绑定6 9 图5 8 成功产生通信套接字后完成网络初始化7 0 图5 9 通信套接字的建立流程7 0 图5 1 0v x w o r k s 端各功能任务使用信号量进行同步7 1 图5 1 1 控制终端软件的返回信息7 2 图5 1 2 超级终端的返回信息7 2 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： y 墨坠! 垒墨查鱼里g ! 直速数量墨篡丞统圭鲍座题盈窒 一一 学位论文作者签名： 丝丝至 日期：口牙年，月绎日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：一：煮堕壬一 作者指导教师签名：一，够i 锣丛 日期：d 寥年，月睁日 日期： 喏年f f 月峄日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 t i 课题背景及研究意义 “数据采集 是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后， 再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程【l 】【2 】。相应的系统称为数据采集系 统。 计算机技术的发展和普及提升了数据采集系统的技术水平。在生产过程中， 应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、 降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态 信息，是研究瞬间物理过程的有力工具【j j 。 在雷达、气象、地震预报、航空航天、通信等领域里，信号的采集有着极为 重要的作用。它可以为各类设备的试制提供实验数据，构建各类仿真、半实物仿 真、实物系统。这些领域里信号的主要特点是：实时性强，数据速率高，数据量大， 处理复杂，运算量大【4 】【5 】。而要进行高速的数据信号处理，现在都采用数字化的方 法，将模拟信号转化为数字信号，然后利用先进的数字技术，用现在成熟的数字 信号处理方法处理信号。近年来数字技术的飞速发展，特别是近一二十年来的数 字器件给数字化实现提供了可能：高速计算机、超大规模集成电路、高性能d s p 和f p g a 等等。另一个原因是数字化信息存储方便，特别是在可靠、大容量的存储 体已不再是价格高昂的奢侈品后。信息一旦能够存储，给信号处理的研究保存了 原始数据，极大地缩短了研究周期，减少了研究费用【2 】。因此，数据采集的研究一 直是工程实践中一项倍受人关注的领域。 7 数据采集系统有两类：一种是实时保存数据，实时进行数据信号处理，这主 要用于实际的大容量、高速的信号处理现场，希望实时得到处理结果，从而作出 相应的措施。在合成孔径雷达( s a r ) 的成像中，开发的最终目的是实时对目标成 像，并将结果送达军事指挥部f 飞作出相应的应对方案。导弹拦截系统也是这种 情况，从发现导弹目标开始，就必须对预警系统得到的数据实时处理来跟踪目标， 计算和预测目标的航迹，从而引导拦截导弹进行拦截。这种情况下不仅需要高速 的采集设备，而且需要高速的d s p 阵列。另一类则不要求实时的信号处理。主要 着眼点是保存现场数据。离线后进行信号处理，或者将数据提供给软件程序进行 分析；或者将数据重放，将数字信号反馈给数字信号处理机。前者给数字信号处 理方法研究提供了实际数据；后者给数字信号处理机调试提供了类似现场的实验 调试环境。 本文所研究的是一种针对雷达信号数据采集的高性能数据采集系统。这个系 第1 页 。国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 统为分布式卫星s a r 雷达信号模拟平台提供支撑，它为分布式卫星s a r 雷达提供 一个测试和验证平台。该系统具有采样速度高，存储容量大，存储方式多样，应 用场合广泛等特点，充分满足了雷达系统研制过程中各类实验数据的采集与分析 的需求。 1 2 课题国内外研究现状 在现代雷达装备研制和技术研究中，普遍需要现场采集大量的雷达信号数据， 用于分析目标回波和干扰信号的各种特性，为雷达信号和数据处理技术研究提供 仿真验证和性能评估的依据。因此，近几年来，雷达信号数据的高速采集记录设 备研制和相关技术研究都取得了巨大的进展，使高速数据采集系统技术的研究达 到了很高的水平。相关的科研院所、公司都在沿着不同的技术路线进行着深入的 探索和研究，一些专业高速数据采集设备研制和生产公司如v e m t r o 、c o n d u a n t 、 a m a z o n 等都有高性能的产品出现，并且在数据率、传输路径和存储记录方式上都 取得了较大的突破【l 】。如v e m t r o 公司推出的v o r t e x 系列产品，利用v x s 、f p d p 、 v m e 、c o m p a c t p c i 、p c i p c i x 、p m c x m c 、f c 、f p d p f p d p i i 等开放的标准，推出 了一系列不同体系架构的数据采集记录产品，数据的持续记录和回放速度能够达 到几个g b s t 川。 近年来，随着国防和民用雷达系统对高速数据采集设备的大量需求，国内许 多科研院所对高速数据采集系统的研究越来越重视，高速数据采集技术研究突飞 猛进，高速高精度a d 、l v d s 接口、f c 接口、f p d p 接口、r a i d 磁盘阵列技术的采 用，都极大地提升了国产雷达数据采集系统的性能。目前国内的雷达数据高速采 集系统主要采用了u s b 接口或p c i 总线数据传输，s c s i 、a t a 或s a t a 磁盘阵列存 储等技术方案，采集速率可达到1 2 0 - - - , 1 6 0 m b s 7 1 。 综合国内外雷达数据高速采集系统所采用的技术实现方案，主要可分为以下 几种【1 】【4 】【5 】： l 、a d 转换和数据采集前端与数据记录存储单元之间采用数据采集专用的高 速数据传输接口( 如f p d p 或f c 等接口) 和专门设计的磁盘阵列控制卡负责对磁 盘阵列的存取控制。数据采集前端获取的雷达数据通过高速数据传输接口送给磁 盘阵列读写控制卡直接高速写入磁盘阵列，计算机工作站仅通过p c i 总线对高速 数据传输接口和磁盘阵列读写控制卡进行参数设置和状态监控。这种技术方案比 较成熟，采集记录数据率高( 如v m e t r o 的v o r t e x 产品最高已经可达几个g b s ) 。 但这种方案设备量较大，而且其中的核心部件如高速数据传输接口和磁盘阵列读 写控制卡等依赖进口，不仅价格极其昂贵，还往往存在着禁运的问题。 2 、a d 转换和数据采集前端与数据记录存储单元一体化设计，利用直接读写 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 硬盘技术实现对雷达数据的高速采集和大容量存储。这种方案不需要p c 机或工控 机，因此设备量少，成本低，同时可以实现与专用磁盘阵列控制卡相同的高速读 写速率，具有极高的性价比。但采用该技术方案必须深入了解新型硬盘的直接高 速读写操作控制方法，技术难度较大。采用这种技术方案的雷达数据采集系统不 多，主要有中科院电子所研制的基于s c s i 接口硬盘的雷达数据采集系统，它的连 续记录数据率可达1 6 0 m b s ；中船重工集团7 2 4 所研制的基于a t a 和s a t a 接口硬 盘的雷达数据采集系统，它的速率可达2 0 0 m b s 以上。 3 、a d 转换器和数据采集前端置于c p c i 工控机箱内，利用p c i 总线专用接口 芯片，通过c p c i 背板传输数据，并利用目前工控机中广泛应用的r a i d o 高速磁盘 阵列技术实现大容量高速数据的记录和回放。这种技术方案具有较好的通用性， 设备量不大，可以达到较高的数据采集存储速率( 在采用6 6 m h z 6 4 b i t sp c i 总线 控制器时，实测可达到3 5 0 m b s 的连续采集存储速度) ，性价比较高。 本文主要研究在以v x w o r k s 为软件开发平台的环境下，基于第3 种技术方案 的高速雷达数据采集系统的关键技术实现途径和系统设计方法。目前基于这种方 案实现的数据采集系统大多采用w i n d o w s 作为软件开发平台，如重庆大学研制的 基于p c i 总线的数据采集系统是在w i n d o w s9 x 下进行设备驱动和应用程序开发的 1 8 j ，西安电子科大研制的实时视频采集系统是在w i n d o w s9 8 下进行软件设计的i 舛。 虽然基于唧i n d o w s 的软件开发平台具有开发工具多样，技术支持成熟等特点，但 是由于w i n d o w s 是非实时操作系统，因此这样的软件在对实时性和可靠性有苛刻 要求的环境下是不能胜任工作的。v x w o r k s 作为优秀的商用实时操作系统，在实时 性和可靠性方面相对w i n d o w s 有着绝对的优势，但是由于y x w o r k s 的开发工具和 技术支持都没有w i n d o w s 成熟，目前采用v x w o r k s 开发的数据采集系统的软件并 不多见，主要有西北工业大学开发的p c 1 0 4 架构的数据采集系统l o 】，中国科学研 究院电子学研究所开发的基于r a c e + + 的机载i n s a r 实时数据采集系统等】，但是 基于c p c i 总线架构的半实物仿真应用在国内尚无先例，因此对v x w o r k s 在c p c i 高速数据采集系统中的应用研究有着很强的实际意义。 1 3 课题选用的数据采集技术 1 3 1 软件控制平台的选择 对于嵌入式采集系统来说，可以在普遍意义上将硬件划分为嵌入式小系统和 外围硬件两个部分。其中嵌入式小系统主要包括嵌入式c p u 、嵌入式软件运行需要 的r o m 和r a m 、固化嵌入式软件的f l a s h 或n v r a m 、串口和网口等，它主要负责对 数据采集系统进行配置和控制，以及数据传输和存储的管理。外围器件主要负责 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 数据的采集，包括模数转换a d c 、数字信号处理d s p 、可编程逻辑器件p l d f p g a 、 各种总线的接口芯片、各种通信途径的接口芯片以及高速存储介质等哪”，如图l l 所示。 采集系统的最终目标是实现模拟信号源的信号的采集和存储：使用a d c 将模 拟信号转换为数字信号，通过d s p 的快速处理，由p l d f p g a 产生适当的控制时序， 使数据通过接口芯片传到c p u 小系统。嵌八式c p u 可以将数据通过网口等通信方 式传送给人机控制界面，也可以直接将其写入硬盘或其他器件”j 。 采集系统的硬件结构要求控制硬件的软件有三个方面功能：内存管理、多任 务管理、外围资源管理。这三项功能提供给应用程序设计者许多好处，特别是在 开发较复杂的应用程序时会省去许多麻烦，而能够提供这三项功能的软件就是操 作系统( o s ，o p e r a t i n g $ y s t e m ) 。操作系统就是补平硬件差异的接口，程序设 汁人员可以通过其统一提供出来的系统接口柬写应用程序，无须考虑不同硬件所 图l2 操作系统解释目示 但是要让不同的硬件组合成的装置都能利用嵌入式操作系统提供一个统一的 接口给上层应用程序，是一个非常庞大的工程，因此许多厂商会觉得买现成的操 作系统进行开发是一个更加经济合理的选择，于是就有了商用嵌入式操作系统的 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 出现。自从1 9 8 1 年出现了世界上第一个商业嵌入式实时操作系统( v r t x ) 以来， 嵌入式操作系统已有2 0 多年的发展历程【1 3 】【1 4 1 。2 0 世纪8 0 年代的产品还仅支持1 6 位微处理器，只有内核，以销售二进制代码为主；当时的产品( 如v r t x 和p s o s 等) 主要用于军事和电信设备。进入2 0 世纪9 0 年代，现代操作系统的设计思想， 如微内核设计技术和模块化的设计思想已开始渗入其中。特别是因特网日渐风行， 用户都要求有网络( 即支持浏览器) 和图形功能，能方便地使用大量现有的软件 代码，能支持标准的a p i ( 如p o s i x 和w i n 3 2 等) ，并希望其开发环境与大家熟悉 的u n i x 和w i n d o w s 一致。在这个时期出现了几十种产品，比较有代表性的包括 v x w o r k s 、q n x 、n u c l e u s 、和w i nc e 等烈。表1 1 对几种常用的嵌入式操作系统的 a p i 丰富程度做了一个比较。 表1 1 几种常用的嵌入式操作系统a p i 丰富程度比较 v x w o r k s p s o s y s t e mq n x 任务管理 9 4 7 5 5 0 时钟和计时器 7 8 4 7 8 5 内存管理 7 7 7 3 2 7 中断处理 3 8 2 5 7 5 同步和异常 6 0 3 1 2 5 通信和消息传递： 4 0 3 6 3 1 总和 6 3 4 4 4 0 从上表可以明显看出v x w o r k s 提供的系统接口要比其他操作系统丰富，因此 选择它来做为嵌入式采集系统的软件控制平台，可以大大提高开发的效率。另一 方面，v x w o r k s 以其微秒级的上下文切换和中断延迟时间给用户提供了业界最强的 实时性能【1 4 】f l 。因此如果系统有苛刻的实时性要求，v x w o r k s 更是开发人员的最 佳选择。基于上述因素的考虑，我们的高速数据采集系统选择了v x w o r k s 做为软 件控制平台。 1 3 2 数据传输标准的选择 目前高速数据传输的方式日益丰富，总的来说可以大致分为传统和新兴的两 类数据传输方式。传统的结构分为总线型和电路交换型，总线型有p c i 、v m e 等， 电路交换型有r a c e w a y 和r a c e + + 等，由于在过去十余年内甚至在当前它们都是主 流的数据传输手段，因此目前它们的兼容性是最好的。近年来国际上各种组织和 公司纷纷推出了适应更高要求的数据传输标准，如a m d 公司的h y p e r t r a n s p o r t 、 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 i n t e l 公司的i n f i n i b a n d 、p c is i g 的p c ie x p r e s s 等。这些新标准的数据传输带 宽都大大提升但在兼容性方面还有待进一步完善”“。 对于一个具有回放功能的高速采集系统来说，必须在系统的输入输出单元和 处理单元之间建立起高速的数据通道。通常系统对带宽要求最高的数据通道的 是与a d 和d a 的接口。目前a d 和d a 芯片的数据率都很高，远远超出了常用 数据传输标准的带宽，所以选择一种合理的数据传输手段也是提高整个系统性能 的瓶颈所在。另一方面，由于本系统是一个模拟雷达回波的半实物仿真平台，所 以对系统的数据传输时延大小有严格要求。 针对我们的数据采集系统的实际需求和目前各种数据传输标准的特点，我们 选择了c o m p a c t p c i ( c p c i ) 总线这一传统的标准。首先，e p c i 工作在6 6 m h z 6 4 b i t 时理论传输带宽峰值可以达到5 2 8 m b s 。另一方面根据对国内外相关产品的胡研情 况，已经可以肯定c p c i 实际的纯数据持续传输速度可以达到3 5 0 m b s 以上，这已 经可以满足目前指标，即持续传输速度不小于2 0 0 m b s 的要求，而且还有进一步 升级系统性能的宅间。其次，c p c i 作为传统主流的数据传输手段，它对目前各种 新兴的数据传输标准的兼容性非常好。这就意味着将来可以在c p c i 架构的系统上 采用新的数据传输标准来对系统性能进行革命性地提升，而c p c t 则只为整个系统 提供初始化指令和电源，不再作为数掘传输手断【1 1 1 1 6 。 在课题中，软件控制甲台v x w o r k s 是在主控单板机c k 5 上运行，e p c i 总线平 台由工控机箱s c x 7 8 4 t e 0 8 0 0 0 提供，主控单板机和数据采集板都插在机箱的c p c i 插槽上，磁盘阵列通过主控机上的p m c 光纤转换板p c 2 3 1 2 接八系统。整个系统的 实物图如图13 所示。 图i3 数据采集系统实物图 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 4 本文主要工作 本论文紧密围绕“分布式卫星s a r 雷达信号模拟平台 科研项目，以解决实 际问题为核心，坚持理论与实践相结合的原则，总体考虑了系统的实时性和可靠 性要求，针对基于y x w o r k s 的环境下的高速数据采集系统的软件开发工作进行了 深入的研究讨论。 文章内容以在v x w o r k s 环境下对数据采集系统的软件开发顺序来进行组织。 首先论证了课题应该采用的数据采集技术，确定了高速数据采集系统的体系结构。 然后，针对自研的c p c i 数据采集板卡进行驱动设计，使自研板卡能够被工控机箱 内的主控单板机识别并进行控制。在完成单块功能板卡的驱动设计后，进一步对 系统功能扩展后多块功能板卡的情况进行研究，完成了基于c p c i 背板的多中断处 理设计，以实现主控单板机对多块功能板卡之间数据交换的管理。最后，利用 v x w o r k s 的网络功能模块，对工控机箱上的主控机与p c 机的人机界面的命令通道 的实现进行了研究，建立起了工控机上的v x w o r k s 与p c 机上的w i n d o w s 之间的客 户n 务端模式的网络命令通道。本文整体框架和及章节安排如上页的图1 4 所示。 图1 4 文章论述结构及章：声安排 在第一章，首先概述课题的研究背景及高速数据采集系统研究的重要意义， 进而总结了高速数据采集技术的国内外研究和应用现状，然后论证了课题所选用 的数据采集技术，最后介绍了论文的工作和章节安排。 第二章重点讨论实时系统的编程方法。首先分析了v x w o r k s 的交叉开发环境， 总结了任务的各种状态及其相互间的转换机制；然后对v x w o r k s 的运行环境的核 心多任务调度、任务间同步和通信以及中断管理机制进行了探讨，为后续的 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 程序设计提供了理论支撑。 第三章重点研究了v x w o r k s 环境下p c i 设备驱动程序设计问题。首先对 v x w o r k s 环境下设备驱动程序设计的一般方法进行了研究，总结了设备驱动程序设 计的基本流程，分析了其在v x w o r k s 系统中的层次。然后针对p c i 设备驱动设计 的需要，研究了p c i 规范中与实现驱动设计密切相关的部分，明确了驱动函数所 要实现的功能以及怎样通过设置p c i 规范中定义的寄存器来实现。最后在前面的 工作基础上，研究了在y x w o r k s 环境下如何编写程序来实现p c i 设备驱动，总结 了p c i 设备驱动程序的设计流程，并针对具体芯片p c i 9 6 5 6 进行了程序设计，同 时还结合v x w o r k s 的实时多任务环境对驱动程序设计的相关注意事项进行了讨论。 第四章重点研究了基于c p c i 背板的多中断处理程序设计问题。首先研究了 v x w o r k s 的中断处理机制，结合课题的硬件环境讨论了中断处理的硬件实现基础。 然后对实时系统的中断服务程序设计的结构进行了探讨，为具体的程序设计提出 了可遵循的基本框架，并指出了实时系统的中断服务程序的实时性约束。最后， 根据课题的硬件平台，详细地讨论了多中断处理程序的具体实现，应用中断处理 机制成功地完成了数据的d m a 传输功能。 第五章重点讨论了y x w o r k 环境下网络通信设计问题。首先研究了流套接字的 工作流程，分析了基于流套接字的客户n 务器网络编程模式，建立起双缓冲队列 的网络通信架构。然后，研究了双缓冲队列元素的动态管理和通信协议的实现。 最后在上述基础上研究了网络命令通道的实现。 结束语对论文整体的研究内容进行了总结，同时对进一步提升系统性能的研 究方向提出了一些思路。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章实时系统编程方法 2 1 引言 本章首先介绍了实时系统的基本概念和实时操作系统v x w o r k s 的开发环境， 然后重点介绍了v x w o r k s 操作系统的核心叫i n d 内核，并结合星载s a r 半实物 仿真平台的数据采集系统软件开发中用到的重要编程机制，重点介绍了多任务调 度机制，任务问通信机制以及中断管理机制。这是理解整个实时操作系统的基础， 也是在v x w o r k s 环境下进行应用软件开发的基础。 2 2 实时系统简介 任何对外界的激励能够及时响应的系统就是实时系统，它具有二一定的时间限 制。实时系统广泛地应用于以下行业：安防系统、电话系统、自动机车控制、信 号处理系统、雷达系统、卫星系统等。典型的实时系统有：巡航导弹软件系统、 智能驾驶舱显示系统、航线预定系统、银行自动取款机系统等l l ”。 实时系统的功能主要包括：多任务调度( 采用优先级抢占方式) ，任务间的 同步和进程间通信机制，中断管理机制等。实时系统的首要任务是提供一个多任 务环境，允许实时应用程序以一套独立任务的方式构筑，每个任务拥有独立的执 行线程和它自己的一套系统资源，并使得这些任务的行为同步、协调。实时系统另 一个重要内容是硬件中断处理，用来实时处理来自内部( 处理器部分) 或外部( 处 理器之外的硬件) 产生的事件。实时操作系统v x w o r k s 的内核如图2 1 所示。 ， + 部中断 由临眠落l 中断分派一 加l广： _ 调度机 器中断 f 时间服务和事件管理 ， 统命令 聪瘟f 制捧磊穰i l i 艉笺、 j ，服r11及 建线径、脞“比暂 j 1 实时操作系统v x w o r k s 的内核 第 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 v x w o r k s 的一个典型特征是软件开发方法，称为交叉平台开发，对于系统软件 和应用软件的开发都是如此。在这种开发方法中，嵌入式系统的软件在一个平台 上开发，而在另一个平台上运行。整个开发平台由硬件( 特定类型处理器的宿主 机和目标机) 、操作系统和用于开发的软件开发工具组成，如图22 所示。宿主 机系统是用来开发嵌八式软件的系统。目标机系统是被开发的嵌入式系统。宿主 机和目标机之