（电力系统及其自动化专业论文）基于rtos的微机保护平台的研究.pdf

华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文摘要 摘要 随着电力系统自 动化技术的发展和微型机继电 保护装置的推广使用， 电力系统对微 型机继电保护装置的实时性和可扩展性的要求越来越高， 从而在微机保护中引入了嵌入 式实时操作系统 ( r t o s ) o 本文围 绕在微机保护中引入r t o s 这一题目 进行研究， 首先选择了当 今广泛应用的、 源码公开的 嵌入式实时 操作系统r c / o s - i i 作为目 标r t o s ， 并 详细分析了p c / o s - i i 的 机制;其次设计了以 s 3 c 4 5 1 0 b为核心的目 标硬件开发板，并在 s 3 c 4 5 1 0 b上移植了 p c / o s - i i ; 最后以 此为基础探讨了 基于 “ c / o s - i i 的 微型机继电 保护装置软件系统的 结构。 关键字:微机保护，嵌入式实时操作系统， r t o s ,叫/os-l1 abs tract wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f t h e a u t o m a t i c t e c h n o l o g y o f t h e p o w e r s y s t e m a n d t h e w i d e l y u s i n g o f t h e p r o t e c t i v e rel a y b as e d m i c r o p r o c e s s o r , t h e re q u i s i t i o n f o r r e a l - t i m e c h a r a c t e r a n d e x p a n s i b i l i t y o f t h e p r o t e c t i v e r e l a y o f t h e p o w e r s y s t e m i s h i g h e r a n d h i g h e r . t h u s r e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m ( r t o s ) h a s b e e n i n t r o d u c e d t o t h e p r o t e c t i v e r e l a y b a s e d m i c r o p r o c e s s o r . t h e s u b j e c t o f p r o t e c t i v e r e l a y b a s e d r e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m i s r e s e a r c h e d i n c o n t e x t . f i r s t l y , r c / o s - 1 1 i s s e l e c t e d a s g o a l r t o s a n d t h e m e c h a n i s m o f g c / o s - i i i s a n a l y s e d c a r e f u l l y . s e c o n d l y , t h e t a r g e t h a r d w a r e w h o s e k e r n e l c p u i s s 3 c 4 5 i o b i s d e s i g n e d a n d p c / o s - i i i s t r a n s p l a n t e d t o s 3 c 4 5 1 0 b . i n t h e e n d , t h e p r o t e c t i v e r e l a y b a s e d u c / o s - i i i s d e s i g n e d . l i u y u j u a n ( e l e c t r i c p o w e r s y s t e m a n d a u t o m a t i o n ) d i r e c t e d b y p r o f . y a n g q i x u n k e ywo r d s : p r o t e c t i v e r e l a y b a s e d mi c r o p r o c e s s o r , e m b e d d e d r t o s , r t o s , p c / o s - 1 1 二七目0口 f 3 ;4h 月 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 基于r t o s 的微机保护平台的 研究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。 据本人所知， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或 其他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 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名: - 水蜂一日期: z e e s . j . z 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有 权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件; 学校可以 采用影印、 缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文;学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以 学术交流为目 的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以 用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 几 习 二 葺 一导 师 签 冬 、 兰 日期: i r . l z 日期: 2 v e c . / . 2 3 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章 引言 1 . 1 微机保护发展现状 自 从2 0 世纪8 0 年代我国第一套微机线路保护投入运行到现在， 微型机 继电保护装置凭借其优越性能在国内得到了广泛的认可和使用。随着电力系 统自 动化技术的发展及微机保护装置的大量投入使用，电力系统对微机保护 的要求不断提高，并且由于电力系统本身的特殊性，它需要微机保护装置具 有强的实时性、高的可靠性、高扩展性、更强的网络通信能力及更友好强大 的人机交互界面 t ) 。 它们不仅对硬件要求高，而且对嵌入式软件的要求也不 断 增加，从而引 进了 嵌入式实时 操作系统( r e a l - t i m e o p e r a t in g s y s t e m ，即 r t o s ，这些操作系统可裁减的微内核结构、高效的多任务优先级管理、强 的可移植性和扩展性以及微秒级的中断管理等都更加有利于控制效率的提 高 并且更容易满足这些方面的需要l2 1 1 _ 2传统微机保护 传统微机保护的软件设计采用主循环加中断的线性结构， 可称之为前后台系 统，如图 1 - 1 所示。 中断服务程序 输入控制 输出控制 数据处理 退出 图1 - 1 :传统徽机保护程序机制 这种程序结构简单直观， 易于控制， 但缺乏灵活性。 随着电力系统自 动化的 发展 对微机保护功能要求也越来越多， 不仅要完成保护功能， 还要充分发挥微 处理器的智能作用， 完成通信、 人机对话、自 检等功能。 如果仍采用以前的线性 结构设计方法， 会导致软件复杂度上升， 开发及维护时间增加， 成本提高， 并可 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章 引言 1 . 1 微机保护发展现状 自 从2 0 世纪8 0 年代我国第一套微机线路保护投入运行到现在， 微型机 继电保护装置凭借其优越性能在国内得到了广泛的认可和使用。随着电力系 统自 动化技术的发展及微机保护装置的大量投入使用，电力系统对微机保护 的要求不断提高，并且由于电力系统本身的特殊性，它需要微机保护装置具 有强的实时性、高的可靠性、高扩展性、更强的网络通信能力及更友好强大 的人机交互界面 t ) 。 它们不仅对硬件要求高，而且对嵌入式软件的要求也不 断 增加，从而引 进了 嵌入式实时 操作系统( r e a l - t i m e o p e r a t in g s y s t e m ，即 r t o s ，这些操作系统可裁减的微内核结构、高效的多任务优先级管理、强 的可移植性和扩展性以及微秒级的中断管理等都更加有利于控制效率的提 高 并且更容易满足这些方面的需要l2 1 1 _ 2传统微机保护 传统微机保护的软件设计采用主循环加中断的线性结构， 可称之为前后台系 统，如图 1 - 1 所示。 中断服务程序 输入控制 输出控制 数据处理 退出 图1 - 1 :传统徽机保护程序机制 这种程序结构简单直观， 易于控制， 但缺乏灵活性。 随着电力系统自 动化的 发展 对微机保护功能要求也越来越多， 不仅要完成保护功能， 还要充分发挥微 处理器的智能作用， 完成通信、 人机对话、自 检等功能。 如果仍采用以前的线性 结构设计方法， 会导致软件复杂度上升， 开发及维护时间增加， 成本提高， 并可 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 能造成中断响应的不及时或任务的阻塞或死锁。 另外， 这种线性结构在处理信息的及时性上，比实际可以做到的要差， 最坏 j清况下的任务级响应时间取决于整个循环的执行时间。 因为循环的执行时间不是 常数， 程序经过某一特定部分的准确时间也是不能确定的。 进而， 如果程序修改 了， 循环的 时 序也会受到 影响 2 1 。 目 前 在现场 运行的 微机保护装置 大多 仅能 保证 保护主任务的实时性， 而对于其它一些辅助任务对实时性的要求则难以 保证， 而 且中断也导致各个任务循环的时间不能确定。例如，在复杂故障时，打印和m m 工 报文就不能保证实时性， 这尽管对整个系统没有太大的影响， 但是给运行人员带 来了很多的不便。 因此， 传统微机保护的线性结构设计方法己 不再适用于日 益复杂的电 力系统 对微机保护的要求。 1 . 3 基于 r t o s 的微机保护 1 . 3 . 1 r t o s 简介 一r t o s 基本概念 所谓实时系统，是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件 做出响应的计算机系统。“ 在确定的时间内” 是这个定义的核心，也就是说， 实时系统对响应时间有严格要求，这里的“ 严格要求” 并不是指系统的响应和 处理 速度非常快，而是指能 满足系 统的时间限 制3 1微机保护装置是一个实 时系统。 r t o s 即r e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m ，实时操作系统， 是实时系统中软 硬件资源的总指挥部，它以尽量合理、有效的方式组织和管理系统的软硬件 资 源，是嵌入式应用软件的基础和开发平台 1 1 一个好的实时操作系统需要具备以下功能: 多任务和可抢占的; 任务具有优先级; 操作系统具备支持可预测的任务同步机制; 支持多任务间的通信; 操作系统具备消除优先级转置的机制: 存储器优化管理; 操作系统的行为是可知的和可预测的 ( 在全负载的情形下，最坏反应 时间可知) ; 实时时钟服务; 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 能造成中断响应的不及时或任务的阻塞或死锁。 另外， 这种线性结构在处理信息的及时性上，比实际可以做到的要差， 最坏 j清况下的任务级响应时间取决于整个循环的执行时间。 因为循环的执行时间不是 常数， 程序经过某一特定部分的准确时间也是不能确定的。 进而， 如果程序修改 了， 循环的 时 序也会受到 影响 2 1 。 目 前 在现场 运行的 微机保护装置 大多 仅能 保证 保护主任务的实时性， 而对于其它一些辅助任务对实时性的要求则难以 保证， 而 且中断也导致各个任务循环的时间不能确定。例如，在复杂故障时，打印和m m 工 报文就不能保证实时性， 这尽管对整个系统没有太大的影响， 但是给运行人员带 来了很多的不便。 因此， 传统微机保护的线性结构设计方法己 不再适用于日 益复杂的电 力系统 对微机保护的要求。 1 . 3 基于 r t o s 的微机保护 1 . 3 . 1 r t o s 简介 一r t o s 基本概念 所谓实时系统，是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件 做出响应的计算机系统。“ 在确定的时间内” 是这个定义的核心，也就是说， 实时系统对响应时间有严格要求，这里的“ 严格要求” 并不是指系统的响应和 处理 速度非常快，而是指能 满足系 统的时间限 制3 1微机保护装置是一个实 时系统。 r t o s 即r e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m ，实时操作系统， 是实时系统中软 硬件资源的总指挥部，它以尽量合理、有效的方式组织和管理系统的软硬件 资 源，是嵌入式应用软件的基础和开发平台 1 1 一个好的实时操作系统需要具备以下功能: 多任务和可抢占的; 任务具有优先级; 操作系统具备支持可预测的任务同步机制; 支持多任务间的通信; 操作系统具备消除优先级转置的机制: 存储器优化管理; 操作系统的行为是可知的和可预测的 ( 在全负载的情形下，最坏反应 时间可知) ; 实时时钟服务; 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 能造成中断响应的不及时或任务的阻塞或死锁。 另外， 这种线性结构在处理信息的及时性上，比实际可以做到的要差， 最坏 j清况下的任务级响应时间取决于整个循环的执行时间。 因为循环的执行时间不是 常数， 程序经过某一特定部分的准确时间也是不能确定的。 进而， 如果程序修改 了， 循环的 时 序也会受到 影响 2 1 。 目 前 在现场 运行的 微机保护装置 大多 仅能 保证 保护主任务的实时性， 而对于其它一些辅助任务对实时性的要求则难以 保证， 而 且中断也导致各个任务循环的时间不能确定。例如，在复杂故障时，打印和m m 工 报文就不能保证实时性， 这尽管对整个系统没有太大的影响， 但是给运行人员带 来了很多的不便。 因此， 传统微机保护的线性结构设计方法己 不再适用于日 益复杂的电 力系统 对微机保护的要求。 1 . 3 基于 r t o s 的微机保护 1 . 3 . 1 r t o s 简介 一r t o s 基本概念 所谓实时系统，是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件 做出响应的计算机系统。“ 在确定的时间内” 是这个定义的核心，也就是说， 实时系统对响应时间有严格要求，这里的“ 严格要求” 并不是指系统的响应和 处理 速度非常快，而是指能 满足系 统的时间限 制3 1微机保护装置是一个实 时系统。 r t o s 即r e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m ，实时操作系统， 是实时系统中软 硬件资源的总指挥部，它以尽量合理、有效的方式组织和管理系统的软硬件 资 源，是嵌入式应用软件的基础和开发平台 1 1 一个好的实时操作系统需要具备以下功能: 多任务和可抢占的; 任务具有优先级; 操作系统具备支持可预测的任务同步机制; 支持多任务间的通信; 操作系统具备消除优先级转置的机制: 存储器优化管理; 操作系统的行为是可知的和可预测的 ( 在全负载的情形下，最坏反应 时间可知) ; 实时时钟服务; 华北电 力大学 ( 北京) 硕士学位论文 中断管理服务。 从实时系统的应用特点来看，实时操作系统可分为两种:一般实时操作 系统和嵌入式实时操作系统。一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位 机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、调试、运用 一致的环境;嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统，而 且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的，嵌入式实时操作系统具有 规模小、可固化使用、实时性强等特点。 由于很多嵌入式系统都有实时要求，在很多情况下 r t o s 所指的实时操 作系统就是嵌入式实时操作系统，本文中的r t o s 嵌入到微机保护装置中， 因此本文中所指实时操作系统具体来讲就是嵌入式实时操作系统。嵌入式实 时操作系统具有确定性、响应性、用户控制、可靠性和软失败操作的特点。 其中的确定性和响应性共同构成了对于外部时间的响应时间。 二.引入 r t o s对嵌入式系统的影响 目 前大多数嵌入式系统开发还是在处理器上直接进行，没有 r t o s ，但 仍要有一个主控程序负责调度各个任务。r t o s可以简单地认为是一个功能 强大的主控程序，它嵌入在目 标代码中，系统复位后首先执行，它负责在硬 件基础之上，为应用软件建立一个功能强大的运行环境，用户的其他应用程 序都建立在r t o s 之上，从这个意义上讲，操作系统的作用是为用户提供了 一台等价的扩展计算机， 可以认为是一个虚拟机， 它比底层硬件更容易编程。 不仅如此，r t o s还是一个标准的内核，它将 c p u时间、中断、i / o 、定时 器等资源都包装起来， 留给用户一个标准的a p i ， 并根据各个任务的优先级， 合理地在不同任务之间分配c p u时间， 从这个意义来讲， 操作系统的作用是 资源管理器。 r t o s的引入，解决了嵌入式软件开发标准化的难题。随着嵌入式系统 中软件比重不断上升、应用程序越来越大，对开发人员、应用程序接口、程 序档案的管理成为一个大的问 题。引入r t o s 相当于引入了一种新的管理模 式， 对于嵌入式系统的软件开发是一个较大的提高。 基于r t o s开发的软件， 具有较高的可移植性，实现9 0 %以上的设备独立，一些成熟的通用程序可以 作为专家库函数产品进入市场。 1 . 3 . 2 基于r t o s 的微机保护的优点 由 于r t o s 采用多任务机制，多个应用程序可以 视为并行运行的 的模块，由r t o s 进行管理。使用r t o s 的微机保护程序机制如图1 - 2 、相对独立 所示， 华北电 力大学 ( 北京) 硕士学位论文 中断管理服务。 从实时系统的应用特点来看，实时操作系统可分为两种:一般实时操作 系统和嵌入式实时操作系统。一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位 机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、调试、运用 一致的环境;嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统，而 且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的，嵌入式实时操作系统具有 规模小、可固化使用、实时性强等特点。 由于很多嵌入式系统都有实时要求，在很多情况下 r t o s 所指的实时操 作系统就是嵌入式实时操作系统，本文中的r t o s 嵌入到微机保护装置中， 因此本文中所指实时操作系统具体来讲就是嵌入式实时操作系统。嵌入式实 时操作系统具有确定性、响应性、用户控制、可靠性和软失败操作的特点。 其中的确定性和响应性共同构成了对于外部时间的响应时间。 二.引入 r t o s对嵌入式系统的影响 目 前大多数嵌入式系统开发还是在处理器上直接进行，没有 r t o s ，但 仍要有一个主控程序负责调度各个任务。r t o s可以简单地认为是一个功能 强大的主控程序，它嵌入在目 标代码中，系统复位后首先执行，它负责在硬 件基础之上，为应用软件建立一个功能强大的运行环境，用户的其他应用程 序都建立在r t o s 之上，从这个意义上讲，操作系统的作用是为用户提供了 一台等价的扩展计算机， 可以认为是一个虚拟机， 它比底层硬件更容易编程。 不仅如此，r t o s还是一个标准的内核，它将 c p u时间、中断、i / o 、定时 器等资源都包装起来， 留给用户一个标准的a p i ， 并根据各个任务的优先级， 合理地在不同任务之间分配c p u时间， 从这个意义来讲， 操作系统的作用是 资源管理器。 r t o s的引入，解决了嵌入式软件开发标准化的难题。随着嵌入式系统 中软件比重不断上升、应用程序越来越大，对开发人员、应用程序接口、程 序档案的管理成为一个大的问 题。引入r t o s 相当于引入了一种新的管理模 式， 对于嵌入式系统的软件开发是一个较大的提高。 基于r t o s开发的软件， 具有较高的可移植性，实现9 0 %以上的设备独立，一些成熟的通用程序可以 作为专家库函数产品进入市场。 1 . 3 . 2 基于r t o s 的微机保护的优点 由 于r t o s 采用多任务机制，多个应用程序可以 视为并行运行的 的模块，由r t o s 进行管理。使用r t o s 的微机保护程序机制如图1 - 2 、相对独立 所示， 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 图1 - 2 使用r t o s 的微机保护程序机制 一方面，在微机保护中采用r t o s 管理软件可以 提高开发效率，缩短开发周 期。一个复杂的应用程序， 可以分解成多个任务。 只要任务的划分合理， 每个任 务模块的调试、修改几乎不影响其他模块。r t o s的使用使得实时应用程序的设 计和扩展变得容易， 不需要做大的改动就可以 增加新的功能。 通过将应用程序分 割成若干独立的任务， r t o s使得应用程序的设计过程变得简化。开发人员就不 需要对整个软件有过多的了解， 只需了解自 己涉及到的模块， 这样就使复杂的系 统简化，加快了开发速度，也方便了调试人员 对软件的维护和升级。 另一方面， 微机保护的软件是一个对实时性要求很高的实时软件，而 r t o s 正是实时程序设计的平台，基于r t o s 软件平台的微机保护可以 保证系统对实时 性的要求。r t o s使得所有时间要求苛刻的事件都得到了尽可能快捷、有效的处 理。 通过有效的系统服务，r t o s 使得资源得到更好的利用。 另外， 采用r t o s 管理的系统在遇到强千扰时， 只会引起若千任务中的一个 被破坏， 可以用另外的任务对其进行修复。 不仅可以将应用程序分解成若干独立 的任务， 而且可以启动一个监控任务， 监视各任务的运行状况。 更容易实现对微 机保护软件的自 检，从而大大提高了系统的可靠性。 1 . 4 在微机保护中引入 r t o s需注意的问题 为使r t o s 满足微机保护应用的要求，需要注意以 下几点: ( 1 )选择一种合适的r t o s 用于微机保护的r t o s 应具有卓越的实时性、良 好的易用性和开放性以及足 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 图1 - 2 使用r t o s 的微机保护程序机制 一方面，在微机保护中采用r t o s 管理软件可以 提高开发效率，缩短开发周 期。一个复杂的应用程序， 可以分解成多个任务。 只要任务的划分合理， 每个任 务模块的调试、修改几乎不影响其他模块。r t o s的使用使得实时应用程序的设 计和扩展变得容易， 不需要做大的改动就可以 增加新的功能。 通过将应用程序分 割成若干独立的任务， r t o s使得应用程序的设计过程变得简化。开发人员就不 需要对整个软件有过多的了解， 只需了解自 己涉及到的模块， 这样就使复杂的系 统简化，加快了开发速度，也方便了调试人员 对软件的维护和升级。 另一方面， 微机保护的软件是一个对实时性要求很高的实时软件，而 r t o s 正是实时程序设计的平台，基于r t o s 软件平台的微机保护可以 保证系统对实时 性的要求。r t o s使得所有时间要求苛刻的事件都得到了尽可能快捷、有效的处 理。 通过有效的系统服务，r t o s 使得资源得到更好的利用。 另外， 采用r t o s 管理的系统在遇到强千扰时， 只会引起若千任务中的一个 被破坏， 可以用另外的任务对其进行修复。 不仅可以将应用程序分解成若干独立 的任务， 而且可以启动一个监控任务， 监视各任务的运行状况。 更容易实现对微 机保护软件的自 检，从而大大提高了系统的可靠性。 1 . 4 在微机保护中引入 r t o s需注意的问题 为使r t o s 满足微机保护应用的要求，需要注意以 下几点: ( 1 )选择一种合适的r t o s 用于微机保护的r t o s 应具有卓越的实时性、良 好的易用性和开放性以及足 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 够的安全性。p c / o s - i i是著名的、源码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设 计的，可用于各类8 位、1 6 位、3 2 位单片机或d s p ，具有良好的可开发性。 ( 2 )合理的硬件设计 在微机保护中使用 r t o s ，将会对系统有一些额外的需求。根据用户在应用 中使用函数的多少，一般内核增加的额外r o m 用量在3 k 到 i o k 之间。 r a m 的额 外开销取决于应用中任务的多少、中断嵌套层数等。在运行中r t o s 的 任务调度 占 用2 % - - - 5 % 的c p u 负荷。 因此， 对微处理器和存储器的 要求高于传统微机保护。 ( 3 )将r t o s 运行中占用的系统资源降到最低 一些商用r t o s 为了满足各种用户的需求，开发了非常强大的功能，许多功 能在微机保护中并不需要， 用于微机保护时应该进行重新定制或作适当开发， 使 r t o s 占用很小的空间且满足实际系统的要求。 ( 4 )合理设计中断，保证 r t o s 的正常运行 中断会打断r t o s的正常运行，使其暂时失去控制权。为了保证系统的流畅 运行， 不但要尽量减少中断的使用， 而且在中断处理程序中要尽量做最少的工作， 尽快把控制权交给 o s ,微机保护的采样中断大约 i m s左右进行一次，需要对采 样中断中进行的工作作出很好的分配，避免对o s 调度的影响。 ( 5 )任务的划分 r t o s 中任务的划分至关重要。由于r t o s 对任务进行了划分， 系统动态地切 换任务， 总是运行优先级最高的任务， 保证了系统对实时性的要求。 然而， 任务 划分过细会使系统调度频繁， 造成资源的浪费。 任务划分的原则是考虑系统实时 性和软件效率的前提下尽量减少任务间的藕合， 使功能明晰。 微机保护中的任务 包括: 保护、自检、自动监测、 试验等， 其中， 保护功能是微机保护的首要功能。 1 . 5 本文的主要工作 本课题的主要内容是将当今广泛应用的、源码公开的实时操作系统 p c / o s - i i 移植到以s 3 c 4 5 1 0 b为核心的目 标硬件系统上，并以此为基础进行 微型机继电保护装置软件系统的开发 ( 本文仅讨论了线路距离保护) 。 ja c / o s - i i 的 采用为 微型机继电 保护装置 提供了 统一的软件开发平台， 保障了 系统的实时性，并增强了系统的可扩展性，满足了系统智能化的要求。操作 系统本身的可靠性、灵活性、稳定性、高实时性和强大的通信功能也能直接 影响到应用它的电力自动化设备，它的应用提高了嵌入式电力设备的性能。 因 此 l c / o s - i i 应用于微机保护 装置顺应了 嵌入式电 力系统设备自 动化的 需求，推动了变电站综合 自动化的发展。 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 够的安全性。p c / o s - i i是著名的、源码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设 计的，可用于各类8 位、1 6 位、3 2 位单片机或d s p ，具有良好的可开发性。 ( 2 )合理的硬件设计 在微机保护中使用 r t o s ，将会对系统有一些额外的需求。根据用户在应用 中使用函数的多少，一般内核增加的额外r o m 用量在3 k 到 i o k 之间。 r a m 的额 外开销取决于应用中任务的多少、中断嵌套层数等。在运行中r t o s 的 任务调度 占 用2 % - - - 5 % 的c p u 负荷。 因此， 对微处理器和存储器的 要求高于传统微机保护。 ( 3 )将r t o s 运行中占用的系统资源降到最低 一些商用r t o s 为了满足各种用户的需求，开发了非常强大的功能，许多功 能在微机保护中并不需要， 用于微机保护时应该进行重新定制或作适当开发， 使 r t o s 占用很小的空间且满足实际系统的要求。 ( 4 )合理设计中断，保证 r t o s 的正常运行 中断会打断r t o s的正常运行，使其暂时失去控制权。为了保证系统的流畅 运行， 不但要尽量减少中断的使用， 而且在中断处理程序中要尽量做最少的工作， 尽快把控制权交给 o s ,微机保护的采样中断大约 i m s左右进行一次，需要对采 样中断中进行的工作作出很好的分配，避免对o s 调度的影响。 ( 5 )任务的划分 r t o s 中任务的划分至关重要。由于r t o s 对任务进行了划分， 系统动态地切 换任务， 总是运行优先级最高的任务， 保证了系统对实时性的要求。 然而， 任务 划分过细会使系统调度频繁， 造成资源的浪费。 任务划分的原则是考虑系统实时 性和软件效率的前提下尽量减少任务间的藕合， 使功能明晰。 微机保护中的任务 包括: 保护、自检、自动监测、 试验等， 其中， 保护功能是微机保护的首要功能。 1 . 5 本文的主要工作 本课题的主要内容是将当今广泛应用的、源码公开的实时操作系统 p c / o s - i i 移植到以s 3 c 4 5 1 0 b为核心的目 标硬件系统上，并以此为基础进行 微型机继电保护装置软件系统的开发 ( 本文仅讨论了线路距离保护) 。 ja c / o s - i i 的 采用为 微型机继电 保护装置 提供了 统一的软件开发平台， 保障了 系统的实时性，并增强了系统的可扩展性，满足了系统智能化的要求。操作 系统本身的可靠性、灵活性、稳定性、高实时性和强大的通信功能也能直接 影响到应用它的电力自动化设备，它的应用提高了嵌入式电力设备的性能。 因 此 l c / o s - i i 应用于微机保护 装置顺应了 嵌入式电 力系统设备自 动化的 需求，推动了变电站综合 自动化的发展。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章 实时操作系统g c / o s 一 日 2 . 1衅/ o s 一 日实时操作系 统简介 l c / o s - i i 是由美国j e a n j . l a b r o s s e 先生编写的， 是著名的、 源码公开的 实时内核，是专为嵌入式应用系统设计的，可用于各类 8 位、1 6 位、3 2 位 单片机或d s p 。从u c / o s 算起，该内核已 有 1 0 余年的应用史，在诸多领域 得到了 广 泛应用。 j a c / o s - 1 1 最主要的 特点 就是 源码公开的自 由 软件。 这一点 对于用户来说可谓利弊参半:一方面，源码公开，使得它可以用于一些对安 全性要求极为苛刻的系统;另一方面，它缺乏必要的支持，没有强大的软件 包，用户通常要自己编写驱动程序，特别是当用户使用不太常用的单片机， 还必须自己编写移植程序 z 7 2 . 1 . 1衅/ o s - 1 1 的特点 1 ) 有源代码: l c / o s - i i 的 全部源代码公开，并且，设计者提供了 详尽 的原理和整体构架的注释。 2 ) 可移植性: g c / o s - i i 的源码绝大部分采用移植性很强的a n s i c写成， 与处理器相关的部分采用汇编语言写成。汇编语言部分己经压到最低限度， 以使w c / o s - i i 便于移植到其他微处理器上。 3 )可固化: l c / o s - i i 可以嵌入到产品中作为产品的一部分。 4 ) 可裁剪:靠条件编译实现pl c / o s - i i 的 可裁剪性， 在具体应用中可以 只使用w c 1 0 s - i i 中应用程序需要的系统服务。 5 ) 可剥夺性:p c / o s - i i 是完全可剥夺型内 核， 及g c / o s - i i 总是运行就 绪条件下优先级最高的任务。 6 )多 任务:v l c / o s - i i 可以 管理6 4 个任务。 7 ) 可确定性;绝大多数 l c / o s - i i的函数调用和服务的执行时间具有可 确定性。 8 )任务栈:每个任务都有自己单独的栈。 9 ) 稳定 性与可靠性: lc / o s - i i 的 每一种功能、 每一个函 数及每一行代 码都经过了考验与测试，能用于安全性极为苛刻的系统，目 前 l c / o s - i i 己 经广泛用于航空领域。 华北电 力大学 ( 北京) 硕士学位论文 2 . 1 . 2 w c / o s - 1 1 的功能 幼 任务管理:管理任务的状态，睡眠态、就绪态、运行态、等待状态 ( 等待某一事件发生)及中断服务态。 2 )同步管理;可以利用信号量使任务与中断服务 ( 或另一任务)同步。 3 )任务间通信:任务间或中断服务与任务间的信息传递，称为任务间 通信。任务间通信有三种机制:信号量、 4 ) 出响应。 5 ) 中断管理:需要初始化中断句柄 消息邮箱和消息队列。 ，编写中断服务程序对外部中断做 允许中断嵌套，中断嵌套层数可达2 5 5 层。 内存管理: 6 )时间管理; 分配和释放内存，并避免出现内存碎片。 管理与时间有关的信息，包括系统时间，任务延时和恢 复延时的任务。 2 . 2 a c / o s 一 日内核结构 w c / o s - 1 1 是一个开放式的实时内核， 它没有软件支持包、 文件系统、 1 / o 系统及网络系统等。图2 - 1 所示为 l c / o s - 1 1 实时内核的文件结构及与硬件的 关系。 华北电 力大学 ( 北京) 硕士学位论文 2 . 1 . 2 w c / o s - 1 1 的功能 幼 任务管理:管理任务的状态，睡眠态、就绪态、运行态、等待状态 ( 等待某一事件发生)及中断服务态。 2 )同步管理;可以利用信号量使任务与中断服务 ( 或另一任务)同步。 3 )任务间通信:任务间或中断服务与任务间的信息传递，称为任务间 通信。任务间通信有三种机制:信号量、 4 ) 出响应。 5 ) 中断管理:需要初始化中断句柄 消息邮箱和消息队列。 ，编写中断服务程序对外部中断做 允许中断嵌套，中断嵌套层数可达2 5 5 层。 内存管理: 6 )时间管理; 分配和释放内存，并避免出现内存碎片。 管理与时间有关的信息，包括系统时间，任务延时和恢 复延时的任务。 2 . 2 a c / o s 一 日内核结构 w c / o s - 1 1 是一个开放式的实时内核， 它没有软件支持包、 文件系统、 1 / o 系统及网络系统等。图2 - 1 所示为 l c / o s - 1 1 实时内核的文件结构及与硬件的 关系。 华北电力大学 北京)硕士学位论文 p c / os - i i ( 与处理器无关的代码) p c / o s - i i 配置 ( 与应用相关) os c o r e . c os f l ag. c os mbo x. c os me m . c os mut e x. c o s - q .c os s e m. c os t as k. c os t i me.c os c f g.h i nc l udes . h u rns u rns i i .旦 1 1 . h p c / os - i i ( 与处理器相关的代码) os c p u.h os c p u a. as m os c p u c. c _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 邀赞 硬件 c p u 定时器 图2 - 1 : g c / o s - i i 的文件结构 2 . 2 . 1 任务 任务通常是一个无限的循环。实时应用程序的设计过程，包括如何把问 题分割成多个任务，每个任务都是整个应用的某一部分，每个任务被赋予一 定的优先级，有它自己的一套c p u寄存器和自己的栈空间。 2 , 2 . 2 任务状态 l c / o s - i i 有五种任务状态: 睡眠态 ( d o r m a n t ) 、 就绪态 ( r e a d y ) 、运行 态 ( r u n n i n g ) 、等待状态 ( w a i t i n g ) 和中断服务态 ( i s r ) 。休眠态相当于该 任务驻留在内存中，但并不被多任务内核所调度。就绪意味着该任务已经准 备好，可以运行了，但由于该任务的优先级比正在运行的任务的优先级低， 还暂时不能运行。 运行态的任务是指该任务掌握了c p u的控制权， 正在运行 中。挂起状态也可以叫做等待事件态 w a i t i n g，指该任务在等待，等待某 华北电力大学 北京)硕士学位论文 p c / os - i i ( 与处理器无关的代码) p c / o s - i i 配置 ( 与应用相关) os c o r e . c os f l ag. c os mbo x. c os me m . c os mut e x. c o s - q .c os s e m. c os t as k. c os t i me.c os c f g.h i nc l udes . h u rns u rns i i .旦 1 1 . h p c / os - i i ( 与处理器相关的代码) os c p u.h os c p u a. as m os c p u c. c _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 邀赞 硬件 c p u 定时器 图2 - 1 : g c / o s - i i 的文件结构 2 . 2 . 1 任务 任务通常是一个无限的循环。实时应用程序的设计过程，包括如何把问 题分割成多个任务，每个任务都是整个应用的某一部分，每个任务被赋予一 定的优先级，有它自己的一套c p u寄存器和自己的栈空间。 2 , 2 . 2 任务状态 l c / o s - i i 有五种任务状态: 睡眠态 ( d o r m a n t ) 、 就绪态 ( r e a d y ) 、运行 态 ( r u n n i n g ) 、等待状态 ( w a i t i n g ) 和中断服务态 ( i s r ) 。休眠态相当于该 任务驻留在内存中，但并不被多任务内核所调度。就绪意味着该任务已经准 备好，可以运行了，但由于该任务的优先级比正在运行的任务的优先级低， 还暂时不能运行。 运行态的任务是指该任务掌握了c p u的控制权， 正在运行 中。挂起状态也可以叫做等待事件态 w a i t i n g，指该任务在等待，等待某 华北电力大学 北京)硕士学位论文 p c / os - i i ( 与处理器无关的代码) p c / o s - i i 配置 ( 与应用相关) os c o r e . c os f l ag. c os mbo x. c os me m . c os mut e x. c o s - q .c os s e m. c os t as k. c os t i me.c os c f g.h i nc l udes . h u rns u rns i i .旦 1 1 . h p c / os - i i ( 与处理器相关的代码) os c p u.h os c p u a. as m os c p u c. c _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 邀赞 硬件 c p u 定时器 图2 - 1 : g c / o s - i i 的文件结构 2 . 2 . 1 任务 任务通常是一个无限的循环。实时应用程序的设计过程，包括如何把问 题分割成多个任务，每个任务都是整个应用的某一部分，每个任务被赋予一 定的优先级，有它自己的一套c p u寄存器和自己的栈空间。 2 , 2 . 2 任务状态 l c / o s - i i 有五种任务状态: 睡眠态 ( d o r m a n t ) 、 就绪态 ( r e a d y ) 、运行 态 ( r u n n i n g ) 、等待状态 ( w a i t i n g ) 和中断服务态 ( i s r ) 。休眠态相当于该 任务驻留在内存中，但并不被多任务内核所调度。就绪意味着该任务已经准 备好，可以运行了，但由于该任务的优先级比正在运行的任务的优先级低， 还暂时不能运行。 运行态的任务是指该任务掌握了c p u的控制权， 正在运行 中。挂起状态也可以叫做等待事件态 w a i t i n g，指该任务在等待，等待某 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 一事件的发生， ( 例如等待某外设的i / o操作， 等待某共享资源由暂不能使用 变成能使用状态，等待定时脉冲的到来或等待超时信号的到来以结束目 前的 等待，等等) 。最后，发生中断时，c p u提供相应的中断服务，原来正在运 行的 任务暂不能运行， 就进入了 被中断状态。 图2 - 2 所示p c / o s - i i 中 一些函 数提供的服务，这些函数使任务从一种状态变到另一种状态。 图2 - 2 :任务的状态 2 . 2 . 3 任务调度 p c / o s - i i 总是运行进入就绪态任务中优先级最高的任务。 任务级调度由 函数o s _ s c h e d ) 完成，中断级调度由函数o s i n t e x t o 完成。任务的切换包括 以下两步:将被挂起任务的处理器寄存器推入堆栈;然后将较高优先级任务 的寄存器值从栈中恢复到寄存器中。 换句话说， 4 c / o s - i i 运行就绪态的任务 所要做的一切， 只是恢复所有的c p u寄存器并运行中断返回指令。 为了做任 务切换， 运行o s _ t a s k _ 5 w( ) ， 人为模仿了一次中断。多数微处理器由软中 断指令或者指令陷阱t r a p来实现上述操作。 2 . 2 . 4 任务级的任务切换，o s t a s k s w( ) 任务的c o n t e x t ，其实就是c p u中的全部寄存器内容，c o n t e x t - s w i t c h 就 是任务切换。 任务切换代码须恢复该任务在c p u使用权被剥夺时保存下来的 全部寄存器的值，以便让这个任务能继续运行。o s _ t a