（电力系统及其自动化专业论文）基于rtos的牵引供电系统变压器保护软件研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第| | 页 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dr a i l w a y , t r a c t i o ns u b s t a t i o nc h a n g i n gt h ed i r e c t i o n o fa u t o m a t i o na n df i g u r eg r a d u a l l y m a n ys u b s t a t i o nf u n c t i o n sw e r et r a n s f e r r e dt op r o c e s s l e v e lt oi m p l e m e n t ，a f t e ri e c 618 5 0s t a n d a r dp r o p o s e d h o wt od e s i g nan e wg e n e r a t i o no f t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e md i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c eh a sav e r yi m p o r t a n tr o l eo nt h e i m p r o v e m e n to ft h eo v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c e t r a c t i o nt r a n s f o r m e ri st h em o s ti m p o r t a n t e l e c t r i c a le q u i p m e n to ft r a c t i o ns u b s t a t i o n a l s ot r a c t i o nt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nd e v i c ei st h e f o u n d a t i o no fs a f ea n ds t a b l et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m 功ep a p e rs t u d yo nm a i n t e n a n c ee x t e n s i o na n dr e a l t i m et w oa s p e c t so ft h ee x i s t i n g d i g i t a lp r o t e c t i o n d e v i c e ss o f t w a r e ，a n du p g r a d es o f t w a r eo ft r a c t i o np o w e rs u p p l y t r a n s f o h t l e rp r o t e c t i o n r t o s ( r e a l t i m eo p e r a t o rs y s t e m ) i sag o o ds o l u t i o nt or e s p o n s e t i m e l y , e a s e ss y s t e mm a i n t e n a n c ea n ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp r o g r a mr e l i a b i l i t y t h es t u d yi sa b o u ts o f t w a r eo ft r a c t i o np o w e r s u p p l yt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nd e v i c e f i r s t l y , t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o np r i n c i p l ea n da l g o r i t h mo f t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m a r ei n t r o d u c e d i nc a s eo fs w i t c h i n ge q u i p m e n to ra d v e r s ei m p a c t s ，c u r r e n ta n dv o l t a g e s i g n a l so f t e nc o n t a i n sam a g n i t u d ed e c a y i n gd ca p e r i o d i cc o m p o n e n ti n a d d i t i o nt or i c h h a r m o n i c s ，c a u s e dt h em i s a c t i o no fp r o t e c t i o n am o d i f i e da cs a m p l i n ga l g o r i t h mp r o p o s e d t oc o r r e c ts a m p l e dd a t a a p p l i c a t i o no ft h ec o r r e c t i o na l g o r i t h mc a nr e d u c et h et r a c t i o n p o w e rs u p p l yt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o ns o f t w a r em a l f u n c t i o np r o b a b i l i t ya n di m p r o v es o f t w a r e s t a b i l i t yp e r f o r m a n c e t h es i m u l a t i o nr e s u l t st e s t i f i e de f f e c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h m s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fv x w o r k s ，i of u n c t i o n s ，i n t e r n a lf u n c t i o n s ， t a s kc o h e s i o n ，t a s kp r i o r i t ya n do t h e rc o n s t r u c t i o np r i n c i p l e s ，t h et r a c t i o np o w e rs u p p l y t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nt a s k sd i v i s i o ns c h e m ed e s i g n e d s o f t w a r ew a sd e v e l o p e db a s e do nt h e d i v i s i o no ft a s k s as o f t w a r es i m u l a t i o ns y s t e ma n dv i r t u a lp l a t f o r mw e r eb u i l ta tl a s t f i n a l l y , t h er e l e v a n tp a r a m e t e r so ft r a n s f o r m e rp r o t e c t i o ns o f t w a r ea r es e t t e db a s e do n o n eo fh i g h - s p e e dr a i l w a yt r a c t i o ns u b s t a t i o n so ft h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m n l e s o f t w a r et e s tu n d e rt h en o r m a lc i r c u m s t a n c e s ，f a u l tc o n d i t i o na n dt h ei n t e r f e r e n c e t h e r e s u l t ss h o wt h a tt r a c t i o np o w e rs u p p l yt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o ns o f t w a r ei ss t a b l e k e yw o r d s - d i g i t a lp r o t e c t i o n ；e m b e d d e ds y s t e m ；t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ；r t o s ； v x w o r k s ；t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n 西南交通大学曲南爻逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在 年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 磊雁 指导老师签名： 日期：_ 、口f 弓7 日期 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本文主要研究对象就是牵引供电系统变压器保护装置的软件部分。根据v x w o r k s 实时操作系统的特点，结合牵引供电系统变压器保护原理以及保护任务，分析了牵引 供电系统变压器保护任务划分原则，根据任务划分原则设计了任务划分方案，并且开 发了牵引供电系统变压器保护软件。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：厶l 四当 1 日期：矶、口j ；i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景及其意义 2 0 0 9 年，随着武广、郑西高速铁路相继投入运营，我国步入了高铁时代，对牵弓| 供电系统安全稳定性有了更高的要求，因此如何进一步提高牵引供电系统微机保护装 置的整体性能已经刻不容缓。牵引变压器是牵引变电所中最重要的电气设备，牵引变 压器保护装置的性能关系着整个牵引供电系统能否安全稳定的运行，应用嵌入式实时 操作系统可以有效解决现有微机保护装置存在的软件维护扩展功能和软件的实时性两 方面问题。 1 1 1 微机保护软件的维护扩展功能 微机保护装置的各种功能都是由相应的软件来实现，如果需要增加新的功能，就 需要修改相应的软件。在牵引供电系统中，各个牵引变电所对牵引变压器保护的要求 不尽相同，保护程序修改是不可避免的。保护设备供应商为了满足用户的需求，需要 有专门的维护人员。由于汇编语言的缺点以及原先的保护软件设计思想的缺陷，造成 长期需要专门的开发人员进行软件维护。这就带来以下问题： ( 1 ) 软件维护占用开发人员的大量时间； ( 2 ) 根据不同的要求出现不同的程序版本； ( 3 ) 关于用户修改合理要求不能及时处理； ( 4 ) 软件测试工作量庞大，维护过程中容易引入了潜在的错误。 根据软件工程理论，与软件维护有关的多数问题都归因于软件设计及软件开发方 面的缺陷。微机保护软件维护出现困难就是因为传统软件设计方法的缺陷，为了满足 微机保护的软件的易扩展、易维护的要求，就必须要有先进的操作系统。 1 1 2 微机保护软件的实时性能 微机保护软件是一个要求很高的实时软件。实时程序设计从概念上说与一般的程 序设计( 数值计算、数据处理) 具有根本的不同之处。实时程序执行的正确性不仅与程 序逻辑计算结果有关，而且与程序被执行的先后次序和时间限制的关系也十分密切。 目前，微机保护产品大多采用以汇编语言为主的前后台系统设计，即主循环加中 断的软件结构，这种软件设计方法虽然代码精炼，可以保证关键任务的及时执行，但 是难以保证所有任务对实时性的要求，而且中断也导致各个任务循环的时间不能确定。 传统的线性程序在遇到强干扰时，程序在任何一处断线都会引起死机，只能依靠硬件 看门狗复位，重新启动系统。如果是采用r t o s 管理的系统，这种干扰只是引起若干进 程中的一个被破坏，可以用另外的进程对其进行修复。r t o s 不仅可以将应用程序分解 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 成若干独立的任务，而且可以另外启动一个监控进程，监视各程序运行状况，遇到异 常情况时采取一些措施，可以自动将有问题的进程终止掉，再调用另一个进程将任务 修复，从而大大提高了系统的可靠性。 实时操作系统( r e a l t i m eo p e r a t o rs y s t e m ) 能很好地解决中断及时响应、程序可靠 性、编程量与非线性编程的问题。在r t o s 支持的系统中，每个任务均有个优先级， r t o s 根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。在微机保 护中采用r t o s 来设计软件可以很好地解决以上的问题。实时操作系统的使用，能够 简化嵌入式系统的应用开发，有效地确保稳定性和可靠性，便于维护和二次开发心1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 微机保护发展概况 我国从7 0 年代末开始了微机保护的研究，华中理工大学、东南大学等高校和南京 电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。1 9 8 4 年原华北 电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用。在设备 保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机一 变压器组保护也相继于1 9 8 9 、1 9 9 4 年通过鉴定并投入运行。电力系统对微机保护的要 求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空 间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护、控制装置和调度联网以共 享全系统数据、信息和网络资源的能力等。1 9 9 2 年天津大学提出了保护、控制、测量、 通信一体化问题，并研制了以t m s 3 2 0 c 2 5 数字信号处理器( d s p ) 为基础的一个保护、控 制、测量、数据通信一体化装置，该模式得到了广泛的应用，主导了国内微机保护装 置发展的方向。 1 2 2 微机保护研究现状 当前电力系统中，对变电站自动化的要求越来越高，为方便变电站中各种i e d 的 管理以及设备间的互联，就需要一种通用的通信方式来实现。国际电工委员会负责制 定的i e c 6 1 8 5 0 是一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化，使其形成一个规 范的输出，实现系统的无缝连接。此标准参考和吸收了已有的许多相关标准，其中主要 有：i e c 8 7 0 5 1 0 1 远动通信协议标准；i e c 8 7 0 5 1 0 3 继电保护信息接口标准； u c a 2 o ( u t i l i t yc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e 2 0 ) ( 由美国电科院制定的变电站和馈线设备 通信协议体系) ；i s o i e c 9 5 0 6 制造商信息规范m m s ( m a n u f a c t u r i n gm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 【3 o 变电站通信体系i e c 6 1 8 5 0 将变电站通信体系分为3 层：变电站层、间隔层、过程 层。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范 ( m m s ) 、传输控制协议网际协议( t c p i p ) 以太网或光纤网。在间隔层和过程层之间的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 网络采用单点向多点的单向传输以太网。变电站内的智能屯子设备( i e d ，测控单元和 继电保护) 均采用统一的协议，通过网络进行信息交换h 3 。 国内外众多厂家也纷纷加入了基于i e c 6 1 8 5 0 标准的新一代微机保护装置的研究， 国内，南瑞、许继、四方等厂家生产的新一代微机保护产品也相继投入运营。国外知 名的保护厂家以a b b 公司为例，r e l i o n 系列产品，该系列产品是完全基于i e c 6 1 8 5 0 标准设计的新一代电力系统微机保护测控装置；变压器保护测控装置r e t 6 1 5 同其他 r e l i o n 系列的成员一样根据m c 6 1 8 5 0 规约在全新平台上研发和设计的，这使产品从根 本上支持智能设备互操作和水平通信特性，为变压器提供全面保护、控制、监视和测 量方案。r e t 6 1 5 装置的主要特点： ( 1 ) 基于i e c 6 1 8 5 0 通信实现智能设备间互操作，提供良好系统扩展性，无需硬接线； ( 2 ) 输入输出板卡模块化设计，接点数量扩展性强； ( 3 ) 超高速的三通道弧光保护为现场操作人员和设备的安全提供可靠保障； ( 4 ) 增强版的故障录波功能：高采样频率、更长录波记录； ( 5 ) 独有机壳设计支持多种屏柜安装方法；可插拔式单元有效提高设备安装、常规 检测和维护的效率； ( 6 ) 继电器设置、信号调试和故障录波处理均使用统一工具，省时高效。 1 2 3 软件平台发展现状 将嵌入式操作系统应用到微机保护软件中是在推广新一代基于i e c 6 1 8 5 0 标准的微 机保护装置过程中的一个必然趋势。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点： 如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的 驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、标准设备驱动程序以及工具集等。 与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软 件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点晦1 。 i e e e 的实时u n i x 分委会认为，实时操作系统应具备以下几点3 ： ( 1 ) 异步时间响应。实时系统为能在系统要求的时间内响应异步的外部事件，要求 有异步i o 和中断处理能力。i 0 响应时间常受内存访问、磁盘访问和处理机总线速度 所限制。 ( 2 ) 切换时间和中断延迟时间确定。 ( 3 ) 优先级中断和调度。必须允许用户定义中断优先级和被调度的任务优先级，并 指定如何服务中断。 ( 4 ) 抢占式调度。为保证响应时间，实时操作系统必须允许高优先级任务一旦准备 好运行，马上抢占低优先级任务的执行。 ( 5 ) 内存锁定。必须具有将程序或部分程序锁定在内存的能力，锁定在内存的程序 减少了为获取该程序而访问盘的时间，从而保证了快速的响应时间。 ( 6 ) 连续文件。应提供存取盘上数据的优化方法，使得存取数据时查找时间最少。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 通常要求把数据存储在连续文件上。 ( 7 ) 同步。提供同步和协调共享数据使用和事件执行的手段。 总的来说，实时操作系统是事件驱动的，能对来自外界的作用和信号在限定的时间 范围内作出响应。它强调的实时性、可靠性和灵活性，与实时应用软件相结合成为有 机的整体，起着核心作用，由它来管理和协调各项工作，为应用软件提供良好的运行 软件环境及开发环境。从实时系统的应用特点来看，实时操作系统可以分为两种：一 般实时操作系统和嵌入式实时操作系统。 一般实时操作系统与嵌入式实时操作系统都是具有实时性的操作系统，它们的主要 区别在于应用场合和开发过程。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，即开发环境与运行环境是不一致的。嵌入式实时操作系统具有规模小( 一 般在几十k b 内) 、可固化使用、实时性强( 在毫秒或者微秒数量级上) 的特点m 。 实时嵌入式操作系统负责实时嵌入式系统的所有软硬件资源的分配、调度工作、控 制和协调并发活动，如任务调度、内存管理、同步机制、异常和中断处理、任务间通 信等，具有一般操作系统的基本功能：同时它也必须体现其实时处理和嵌入式系统特 征。与通用操作系统相比，实时嵌入式操作系统具有如下一些特点： ( 1 ) 实时性。大多数嵌入式系统工作在实时性要求很高的环境中，对外部事件的响 应，包括数据的获取、处理和数据的输出都必须在d e a d l i n e 规定时间内完成。这就要 求实时嵌入式操作系统必须将实时性作为一个重要指标。 ( 2 ) 小型化、可裁剪性。嵌入式系统所能提供的资源有限，所以实时嵌入式操作系 统必须做的小巧，以满足嵌入式系统的硬件限制，同时必须能够根据应用的要求进行 裁剪，以去除多余的部分，或者简化相应的模块。 ( 3 ) 强稳定性。与桌面系统不同，大多数嵌入式系统一旦开始运行就不需要人过多 的干预。在这种条件下，要求作为系统资源总管的操作系统具有较高的稳定性。 ( 4 ) 固化代码。在嵌入式系统中，操作系统与应用软件代码通常被固化在嵌入式系 统的r o m 中。目前辅助存储器( 如磁盘) 在嵌入式系统中很少使用，因此实时嵌入式操 作系统的文件管理功能应该能够很容易裁剪，取而代之的是各种内存文件系统。 ( 5 ) 弱交互性。除消费类电子设备以外，大多数嵌入式系统的工作过程不需要人的 干预。因此多数实时嵌入式操作系统所提供给用户操作的接口相对简单，主要通过系 统调用命令向用户程序提供服务。 ( 6 ) 专业性强。每一种实时嵌入式操作系统通常面向特定类型或几种相近类型应用。 某些操作系统会根据不同的应用对象采用不同的模块搭配。有些操作系统甚至是自行 研制的内部产品。 值得注意的是，随着各种各样的实时嵌入式操作系统的出现，人们有必要对实时嵌 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 入式系统提供的接口进行约定，从而为嵌入式应用软件的设计者提供统一的服务接口， 例如p o s l x ( 可移植操作系统接口) 有可移植性和平台无关性。 目前实时嵌入式操作系统主要包括：w i n d o w sc e ，w i n d o w s n t ，e m b e d d e d4 0 ， l y n xv x w b r k ，n e c l e u s ，q u a n u m a ns o f t w a r es y s t e m 公司的q n x ，3 c o m 公司的p a l m o s ，m i c r o w a r e 公司的d a v i d 和o s 9 ，i s i ( i n t e b i a t e ds y s t e m s l n c ) 公司的o s e k w o r k s 和p s o s y s t e m 等隋3 。其中，v x w o r k s 是w i n dr i v e rs y s t e m 公司开发研制的一种高性能 的嵌入式实时操作系统。它包括了操作系统本身和其集成开发环境。v x w o r k 以其优良 的可靠性、开放性、实时性和易用性赢得了大量的客户。v x w o r k s 是目前嵌入式系统 领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。它支持多种处理器，如x 8 6 ，i 9 6 0 ，s u n s p a r e ，m o t o r o l a m c 6 8 x x x ，m i p sr x 0 0 0 ，p o w e rp c 等等旧1 。大多数的v x w o r k sa p i 是专有的，采用g n u 的编译和调试器。 1 3 本课题的研究内容 本文主要研究对象就是牵引供电系统变压器保护装置的软件部分。根据v x w o r k s 实时操作系统的特点，结合牵引供电系统变压器保护原理以及保护任务，分析了牵引 供电系统变压器保护任务划分原则，根据任务划分原则设计了任务划分方案，并开发 了牵引供电系统变压器保护的系统软件。本课题的主要工作： ( 1 ) 分析了牵引供电系统变压器保护装置系统组成结构，阐述了保护软件系统平台 v x w o r k s 的基本原理及其特点。 ( 2 ) 阐述牵引供电系统变压器保护基本原理，选择了变压器保护配置方案以及相关 保护的整定原则以及保护算法。针对牵引供电系统在发生设备投切或者当系统受到冲 击时，电流、电压信号中除含有丰富的谐波分量外，常常还包含有幅值较大的衰减直 流分量引起保护误动的问题，提出了一种改进的交流采样数据修正算法对采样的电压 电流数据进行修正，并通过仿真验证了算法的有效性。 ( 3 ) 根据时间原则、异步原则、优先性原则、清晰度和可维护性原则作，对牵引供 电系统变压器保护任务进行划分，选择最佳方案。 ( 4 ) 研究牵引供电系统变压器保护软件的设计方案，根据已有的任务划分开发各部 分软件模块，最后建立了一套系统的模拟调试工具，通过正常情况下、故障状态以及 带干扰情况下牵引供电系统变压器保护软件的性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章牵引变压器保护软件系统分析 2 1 软件功能概述 牵引供电系统变压器保护软件主要适用于牵引供电系统1 1 0 k v 及以上电压等级的 各种接线的牵引变压器。该软件适用于牵引变电所综合自动化系统，也可用于常规的 牵引变电所。 基于i e c 6 1 8 5 0 新一代的保护装置中硬件划分为保护装置和外围硬件两个部分。如 图2 1 所示，外围器件主要负责数据的采集，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e p l d f p g a 、各种总线接口芯片、各种通信途径的接口芯片等。合并 单元的最终目标是实现对电子式电流、电压互感器中的模拟信号的采集和存储，并将 多路模拟信号转换为一路数字信号，通过以太网将数据发送到保护装置。嵌入式c p u 可以将保护报警、跳闸故障信息数据通过网口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引。 f f 千f 二进制输入 i 二进制输入 图2 1 系统结构配置图 保护装置硬件是牵引供电系统变压器保护软件运行的基础，主要包括嵌入式c p u 、 嵌入式软件运行需要的r o m 、r a m 、固化嵌入式软件和存放硬件参数的f l a s h 或 n v r a m 、串口和网口，主要负责对数据采集的配置和控制，以及数据的传输和存储。 软件接收来自合并单元发送的8 路电压、电流采样数据，将数据经过滤波处理、保护 判据，反馈当前状态信息7 1 引。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 软件系统平台概述 本软件系统平台采用v x w o r k s 操作系统，该系统是美国w i n dr i v e r 公司推出的一 种嵌入式强实时操作系统，自2 0 世纪8 0 年代问世以来，以其不断推出的升级版本、 高性能内核以及友好的用户开发环境，v x w o r k s 操作系统的可裁剪性、高可靠性、强 实时性、兼容性好等特点使其在嵌入式实时操作系统领域逐渐占据一席之地，在国内 外拥有较多的用户n 。 v x w o r k s 具备一个高效的可裁剪的微内核结构如图2 2 所示，支持实时系统的一 系列特征：高效的多任务管理、微秒级的中断处理任务抢占式调度和循环调度、快速 的、确定性的上下文切换、灵活的任务间通讯。 图2 - 2v x w o r k s 可扩展内核 微内核设计使v x w o r k s 缩减了系统开销并加速了对外部事件的反应。内核的运行 非常快速和确定，例如，在6 8 k 处理器上上下文切换仅需要3 8 微秒n 引。 2 3v x w o r k s 内核实现 v x w o r k s 内核( w i n d ) 的基本功能可以分为几大类：任务管理、事件和异步信号服 务、信号量服务、消息队列服务、内存管理、中断服务程序、时钟管理和定时器服务、 出错处理n 引。 2 3 1 任务管理与任务结构 任务是代码运行的一个映象，从系统的角度看，任务是竞争系统资源的最小运行 单元。任务可以使用或等待c p u ，i o 设备及内存空间等系统资源，并独立于其它任务， 与它们一起并发运行。v x w o r k s 内核使任务能快速共享系统的绝大部分资源，同时有 独立的上下文来控制个别线程的执行。 多任务设计能随时打断正在执行着的任务，对内部和外部发生的事件在确定的时 间里作出响应。v x w o r k s 实时内核w i n d 提供了基本的多任务环境。从表面上来看，多 个任务正在同时执行，实际上，系统内核根据某一调度策略让它们交替运行。系统调 度器使用任务控制块( t c b ) 的数据结构来管理任务调度功能。任务控制块用来描述一 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 个任务，每一任务都与一个t c b 关联。t c b 包括了任务的当前状态、优先级、要等待 的事件或资源、任务程序码的起始地址、初始堆栈指针等信息。调度器在任务最初被 激活时以及从休眠态重新被激活时，要用到这些信息。 此外，t c b 还被用来存放任务的“上下文”( c o n t e x t ) 。任务的上下文就是当一个 执行中的任务被停止时，所要保存的所有信息。在任务被重新执行时，必须要恢复上 下文。通常，上下文就是计算机当前的状态，也即各个寄存器的内容，如同在发生中 断所要保存的内容一样。当发生任务切换时，当前运行的任务的上下文被存入t c b ， 将要被执行的任务的上下文从它的t c b 中取出，放入各个寄存器，于是转而执行这个 任务，执行的起点是前次它在运行时被中止的位置。 v x w o r k s 中内存地址空间不是任务上下文的一部分。与w i n d o w s 不同，v x w o r k s 操作系统的内存是线性的，所有的代码运行在同一地址空间。这就是说没有内存保护， 没有访问限制，随时都可能因为错误的访问而出现问题n 引。 2 3 2 任务状态和状态迁移 实时系统的一个任务可有多种状态，其中最基本的状态有四种4 1 ： 1 ) 就绪态：任务只等待系统分配c p u 资源； 2 ) 悬置态：任务需等待某些不可利用的资源而被阻塞； 3 ) 休眠态：如果系统不需要某一个任务工作，则这个任务处于休眠状态； 4 ) 延迟态：任务被延迟时所处状态。 当系统函数对某一任务进行操作时，任务从一种状态迁移到另一状态。处于任一 状态的任务都可被删除。任务状态转换如图2 2 所示。 图2 2v x w o r k s 任务状态转移图 2 3 - 3 任务调度策略 多任务调度须采用一种调度算法来分配c p u 给就绪态任务。w i n d 内核采用基于 优先级的抢占式调度法作为它的缺省策略，同时它也提供了轮转调度法。 基于优先级的抢占式调度，它具有很多优点。这种调度方法为每个任务指定不同 的优先级。没有处于悬置或休眠态的最高优先级任务将一直运行下去。当更高优先级 的任务由就绪态进入运行时，系统内核立即保存当前任务的上下文，切换到更高优先 级的任务3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 w i n d 内核划分优先级为2 5 6 级( 0 - 2 5 5 ) 。优先级0 为最高优先级，优先级2 5 5 为 最低。当任务被创建时，系统根据给定值分配任务优先级。然而，优先级也可以是动 态的，它们能在系统运行时被用户使用系统调用t a s k p f i o r i t y s e t ( ) 来加以改变，但不能 在运行时被操作系统所改变副。 k 图2 3 基于优先级抢占式调度 轮转调度法分配给处于就绪态的每个同优先级的任务一个相同的执行时间片。时 间片的长度可由系统调用k e m e l t i m e s l i c e 0 通过输入参数值来指定。很明显，每个任 务都有一运行时间计数器，任务运行时每一时间滴答加l 。一个任务用完时间片之后， 就进行任务切换，停止执行当前运行的任务，将它放入队列尾部，对运行时间计数器 置零，并开始执行就绪队列中的下一个任务。当运行任务被更高优先级的任务抢占时， 此任务的运行时间计数器被保存，直到该任务下次运行时n5 1 。 f 牛表示抢占i 表示完成 + 堡lt a s k 4 i 曩i幽 ： 1。t。a。s。k。l。i。t。a。s。k2。1。1。t1。a。1sk1。13。i。t。1a。s。k。l。itask2task3j 图2 - 4 基于时间片的r o u n d r o b i n 调度 2 3 4 抢占禁止 w i n d 内核可通过调用t a s k l o c k 0 和t a s k u n l o c k 0 来使调度器起作失效。当一个任 务调用t a s k l o c k0 使调度器失效，任务运行时没有基于优先级的抢占发生。然而，如 果任务被阻塞或是悬置时，调度器从就绪队列中取出最高优先级的任务运行。当设置 抢占禁止的任务解除阻塞，再次开始运行时，抢占又被禁止。这种抢占禁止防止任务 的切换，但对中断处理不起作用6 1 。 2 - 3 5 异常处理 程序代码和数据的出错，如非法命令、 常处理包，一般是将引起异常的任务休眠， 总线或地址错误、被零除等。v x w o r k s 异 保存任务在异常出错处的状态值。内核和 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 其它任务继续执行。用户可借助t o r n a d o 开发工具，查看当前任务状态，从而确定被休 眠的任务n 6 。 2 3 6 任务实现 v x w o r k s 内核的任务管理提供了动态创建、删除和控制任务的功能，具体实现通 过调用具体系统函数实现n 。 ( 1 ) 仓l j 建和激活任务 函数t a s k s p a w n ( ) 仓l j 建新任务的上下文，它所进行的工作包括分配堆栈和建立用于 调用带有特定参数的任务环境。新任务在制定函数的入口处开始执行任务。t a s k s p a w n ( ) 函数包括分配、初始化和激活等初级操作。初始化和激活功能由t a s k l n i t o 函数和 t a s k a c t i v a t e o 函数完成。 ( 2 ) 任务堆栈 如果不去分析此系统配置，很难知道有多少堆栈空间可以分配。为了避免堆栈溢 出和破坏任务堆栈，最初分配堆栈空间时分配的空间应比预先估计要大一些。 ( 3 ) 任务名和i d 号 发起一个任务后，可以制定一个任意长度的a s c i i 字符串为任务名。v x w o r k s 操 作系统返回一个长度为4 字节并指向任务数据结构的任务d 号，大多数v x w o r k s 操 作系统程序使用任务i d 号来定位任务，其中约定任务d 号为0 值时表示任务调用。 任务名不应该与全局变量函数名和变量名冲突。为了避免冲突，v x w o r k s 操作系统使 用了任务命名规则：所有从目标机启动的任务以字母t 开头，而从主机启动的任务以字 母u 开头。 ( 4 ) 任务删除 从系统中能够动态的删除任务。v x w o r k s 操作系统包含列于表2 1 中用于删除任务 以及保护任务免于被删除。任务创建时，如果指定的入口程序返回，任务将隐含调用 e x i t ( ) 函数：当调用t a s k d e l e t e o 函数时，一个任务能够删除自身或另一个任务。 某个任务被删除时，不会通知其他任何任务。函数m s k s a f e o 和t a s k u n s a f e o 用于 防止任务被意外删除，函数m s k s a f e o 用于保护任务防止被其他任务删除。当任务在临 界区域执行，或者使用某种关键资源时，有必要进行这种保护。 表2 1 用于删除和保护任务的函数 函数功能 e x i t ( )终止任务调用，释放内存( 仅对于任务堆栈和控制模块) t a s k d e l e t e0终止指定任务，释放内存( 仅对于任务堆栈和控制模块) t a s k s a f e0 保护调用任务免于删除 t a s k u n s a f e0解除任务删除保护 ( 5 ) 任务控制 表2 2 中的函数对任务的执行提供了直接控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 表2 2 任务控制函数 函数功能 t a s k s u s p e n d0挂起任务 t a s k r e s u m e ( )恢复任务执行 t a s k r e s t a r t ( )重新启动任务 t a s k d e l a y0延迟任务，延迟单位为”t i c k ” m a n o s l e e p0延迟任务，延迟单位为”n s ” 2 3 7 通信机制 v x w o r k s 具有强大的的网络功能。标准的v x w o r k s 采用了与4 4b s dt c p i p 兼容 的实时网络协议栈，使得网络开发变得易于进行和方便移植。由于采取了诸如在t c p 层的数据拷贝、使用h a s h 表、缓冲管理方法等优化措施，使得它在各类应用中都有非 常好的性能。通过丰富的网络协议和组件，v x w o r k s 提供了绝大多数的网络服务功能。 网络己成为v x w o r k s 系统与其他系统间连接的主要途径。v x w o r k s 网络通信使用的传 输媒介包括串行线路( 使用s l i p , c s i p 和p p p ) 、标准的以太网连接以及紧藕合的利用共 享内存的背板总线。传输媒介的上层通过t c p 佃与u d p i p 协议进行数据通信。网络 通信是v x w o r k s 系统主机与目标机调试的主要连接，v x w o r k s 也提供f t p ，t e l n e t 等 各种网络服务u 引。 ( 1 ) 网络驱动 v x w o r k s 支持两种形式的网络驱动：一种是b s d 驱动，支持通用的b s d 4 4 网络、 a p i 结构等，和大多数b s d 网络的驱动类似；另一种是e n d 网络驱动，是v x w o r k s 都有的，叫做增强型的网络模型。它主要特点就是加了一个m u x 模块，管理所有的 e n d 设备，使得协议与硬件无关，并且通过m u x 支持数据包轮询发送和接收，这对 w d b 的系统级调试是关键的。因为w d b 工作在系统级模式时要关闭中断，这时通过 网口的通信只能靠轮询。基本上也只有w d b 需要轮询支持，上层协议不需要。e n d 驱动在底层也要转换成b s d 的形式。 1 1 加载b s d 驱动 v x w o r k s 系统执行的第一个任务( “t a r g e t l c o n f i g a l l u s r c o n f i g c 文件中的u s r r o o t 函数) 调用“t a r g e t s r c c o n f i g u s r n e t w o r k c ”文件中的u s r n e t l n i t 函数，通过数组表 u s r n e t l f l b l 初始化相应的b s d 网卡驱动。 b s d 驱动只需在b s p 配置文件c o r t f i g h 中将网络( i n c l u d en e t w o r k ) ，b s d 网 卡宏定义( i n c l u d ex x x ) 和一些i o 参数( 一般不需要) 加入或改动，则文件u s r n e t w o r k c 中代码就会进行相应的初始化操作。 2 1 加载e n d 驱动 e n d 驱动的启动过程为：u s r r o o t 函数调用“t a r g e t s r c c o n f i g u s r n e t w o r k c 文件 中u s r n e t l n i t 函数。u s r n e t l n i t 中通过e n d 设备配置表e n d d e v t b l 添加m u xe n d 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 2 ) s o c k e t 程序设计 网络编程有两种接口：u n i xb s d 的套接字和u n i xs y e t e mv 的t l i 。v x w o r k s 实 现了与b s d4 4t c p i p 兼容的编程接口。 在t c p i p 网络应用中，通信的两个任务间主要模式是客户机朋艮务机模式，即客户 先向服务器提出服务请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。 面向连接的协议( 如t c p ) j 艮务器端首先调用s o c k e t 函数建立流式套接字，然后用 b i n d 将此套接字和本地地址绑定；调用l i s t e n 准备接受客户端的连接；然后调用a c c e p t 接收连接，当接收到客户端的请求后，则连接建立，a c c e p t 返回新的套接字，就可以在 这新套接字上读写数据；原来的套接字则可以继续通过a c c e p t 调用等待另一个连接n 9 1 。 客户端也首先调用s o c k e t 建立流式套接字，然后调用c o n n e c t 向远地主机发起连接 请求，连接建立后就可以在此套接字上进行数据读写了。上述调用过程如图2 5 所示。 服务器 客户端 s o c k e t 建立流式套接字，返同套接字号 s o c k e t 建立流 式套接字，返 b i n d ( ) ，套接字s 绑定本地地址 回套接字号s l i s t e n ( ) ，通知t c p