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

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 皇竺! 苎! ! 鼍! ! ! ! 竺! ! = = = ! ! ! ! ! ! 1 1 1 皇! ! ! ! ! = ! = = ! 竺! = ! ! ! ! ! ! = ! ! ! 竺! 詈! ! ! ! ! ! 暑 a b s tr a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m yi nr e c e n ty e a r s ，t h es c a l eo f h i g hs p e e dr a i l w a yb e c o m e sl a r g e ra n dl a r g e ri no u rc o u n t r y t r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e ma sas u b s y s t e mo ft h er a i l w a yo p e r a t i n gs y s t e ms h o u l db eah i g h l y r e l i a b l es y s t e m b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo fm a n m a d eo rn a t u r ef a c t o r s ，s o m e f a u l t sr e s u l t si nt h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo u to fa c t i o n ，w h i c ha l w a y s h a p p e n s t h e r e f o r e ，i ti sa ni m p o r t a n tt a s kt og u a r a n t e et h et r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e mr u n si ns a f er e l i a b i l i t y ，a n dt oi m p r o v et h er a p i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo fp r o t e c t s y s t e m t h em i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o ns y s t e mi sa na u t o m a t i o ns y s t e mt h a tc a n d e t e c tt h ef a u l ta n dd e v i a n ts t a t eo ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，a n ds e n do u tt h e a l a r mm e s s a g eo rd r i v et h eb r e a k e ra c t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h er a p i d i t ya n d r e l i a b i l i t yo fp r o t e c ts y s t e m ，t h er e s e a r c ho ft h es o f t w a r ed e s i g nb a s e do nf e e d e r p r o t e c t i o ns y s t e mu s i n gt h es t a t eo ft h ea r tm i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g yb e c o m e st h e m a i nw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y ，t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h et h r e et y p i c a lr e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m s ，v x w o r k si sc h o s e na st h es o f t w a r ep l a t f o r mo ft h es y s t e m a f t e r t h a tt h ec o m p o s i t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to ft h ev x w o r k s s y s t e mi sd e s c r i b e di nd e t a i l s e c o n d l y ，t h i sp a p e ru s e se m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e ma st h es o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r mo ft h ef e e d e rp r o t e c t i o ns y s t e m t h ep a p e ra n a l y s e st h e f u n c t i o nw h i c hw i l lb ea c h i e v e d a t i e rt h a tr e a lt i m em u l t i t a s ki sd i v i d e d ， a c c o r d i n gt ot h es y s t e mi n t e r r u p ta n dt a s kp r i o r i t y a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o n r e s e a r c ho ft h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i o nr e l a ys y s t e m ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r da s o f t w a r ed e s i g nm e t h o db a s e do ne m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mv x w o r k s t h es y s t e mi n t e r r u p t sa n dr e a l - t i m et a s k sa r ed e s i g n e db a s e do nt h ed e t a i l e d a n a l y s i so ft h es y s t e mf u n c t i o n p r o c e s s e sa n dr e l a t i o n s h i p so ft a s k sa n di n t e r i o r c o m m u n i c a t i o na r ea l s oe x p o u n d e d f i n a l l y ，t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tt e x tc e r t i f i e st h a tt h et a s ks c h e d u l i n gp r o c e s s a n ds y s t e md e s i g ni sc o r r e c t v x w o r k sr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) u s e di n t r a c t i o nf e e d e rp r o t e c t i o nc a ne n h a n c et h em a i n t e n a n c ea n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m p r o g r a m ，a n di ti sa l s oa ne x t e n s i o no ft h ef e e d e rp r o t e c t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t m o d e l k e y w o r d s ：t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ：f e e d e rp r o t e c t i o n ：e m b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t i o ns y s t e m ( r t o s ) ；v x w o r k s 西南交通大学 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 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：蛐 日期：伽k 岁； 虢音药 日期汕矽u f 1 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： 1 通过对三种不同实时操作系统的性能分析比较，选取v x w o r k s 实时操 作系统作为系统软件平台，并对v x w o r k s 的组成、特点及其开发环境 进行了介绍。 2 对系统所实现功能进行分析，并按照所实现功能采用任务优先级及中 断资源分配机制进行多任务划分，主要划分为两个中断：定时采样中 断、保护中断；五个任务模块：采样任务、三段距离保护逻辑判断任 务以及电流速断、过电流保护等组成的其他保护逻辑判断任务、动作 出口跳闸任务以及人机交互任务，并同时设定了任务的优先级。 3 通过对传统微机保护方式和基于r t o s 的微机保护方式进行了比较， 运用多任务模块化设计思想对牵引馈线保护系统总体方案进行设计， 以达到任务宏观上并行运行的效果。完成系统2 路电压、电流信号数 据量采集和采样中断服务任务即采样数据滤波处理间的通信设计，系 统采用二进制信号量作为任务间及任务与中断服务程序间的通信机 制。 4 完成牵引供电系统馈线保护配置间的优化组合，并对一些馈线故障情 况进行试验分析。 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 已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，均己在 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：弛砑 日期：7 驴、土引 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 在牵引变电所自动化系统中，牵引馈线微机保护装置是其中的一个重要单 元，在牵引变电所自动化系统中起着重要的作用。牵引网的工作条件比电力网 复杂、恶劣得多，故障频繁，而高速铁路牵引供电系统的安全可靠运行是保证 列车安全运行的前提【1 】，如何保证其安全稳定运行，就成为了一个永恒的主题。 因此如何提高交流牵引网继电保护的快速性和可靠性，使牵引网在发生短路故 障时能快速、准确地切除故障，减少故障影响范围，并通过线路重合闸或投入 备用电源尽快恢复供电，保证电力机车的正常运行，对于我国的现代化建设有 重要意义。 高速电气化铁道中，牵引供电系统继电保护至关重要，当线路出现故障时， 保护能准确快速动作，不至于扩大事故范围，如果在某些情况下，保护拒动作 或误动作，将造成事故扩大，甚至出现线断的后果。所以对继电保护的性能应 当重视起来。具有选择性、速动性、可靠性、灵敏性的继电保护，是高速铁路 牵引供电系统安全供电的可靠保证【2 】。 随着我国国民经济的快速增长，电气化铁道获得了前所未有的发展，变电 站自动化系统的微机保护运行的实时性和可靠性也引起了越来越多的重视。近 年来我国的微机保护技术及装置应用水平都有了很大的提高，传统的微机保护 系统采用前后台软件设计方法，其成本低，但处理器速度较慢，运算能力较差， 软件开发、维护困难，生存周期短，网络通信功能不能满足实际要求，有限的 硬件资源更制约了软件的扩展和装置性能的提高，已经不再能满足微机保护可 靠性和实时性的性能指标要求。近半个世纪以来，随着计算机技术的发展，实 时操作系统在工业过程控制、航空航天、交通管理、作战指挥控制系统以及科 学实验等领域中得到迅猛发展。面对牵引供电系统对微机保护可靠性、实时性 要求的不断提高，引入了嵌入式实时操作系统( r t o s ) 作为保护系统软件平台， 这种操作系统具有可裁剪的微内核结构、高效的多任务优先级管理、基于任务 优先级抢占式调度算法以及强大的网络通信功能，更容易满足微机保护对实时 性、可靠性以及可扩展性的要求【23 1 。基于嵌入式实时操作系统( r t o s ) 的软 件开发既可以加快产品的开发速度，又可以提高系统软件的开发效率和可靠性。 因此，本文采用嵌入式v x w o r k s 实时操作系统作为牵引馈线保护系统的软件平 台，改变传统微机保护程序结构，使用了系统中断机制以及多任务优先级方式 实现保护宏观上并行运行功能。v x w o r k s 具有高性能的操作系统w i n d 内核， 主要特点包括抢占式任务调度、任务通信多样化，同时中断延迟小、任务切换 时间短、网络流量大，与其他嵌入式实时操作系统相比具有一定的优势，这些 对于提高微机保护装置的实时性和可靠性都有积极的意义，适合牵引供电系统 微机保护的应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 国外研究情况 1 系统软件平台一一嵌入式实时操作系统 从2 0 世纪8 0 年代起，国际上就有一些i t 组织、公司，开始进行商用嵌入 式系统和专用操作系统的研发1 4 。其中涌现了一些著名的嵌入式系统：m i c r o s o f t w i n d o w sc e 是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任 务的操作系统，它的模块设计使得它能够对从掌上电脑用户到专业的工业控制 器的用户的电子设备进行定制；u c o s i i 比较小巧，移植容易，网上资源很多， 核心可以做得很小，但不是免费的，并且驱动需要自己编写，协议栈、图形驱 动都要另外加 5 1 ；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，它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛应用在通信、军事、 航空航天等高精技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通信、军事演习、导 弹制导和飞机导航等；p s o s 属于w i n dr i v e r 公司的产品，这个系统是一个 模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供一个完全多 任务环境，在定制的或是商业化的硬件上提供高性能和高可靠性，可以让开发 者根据操作系统的功能和内存需求定制成每一个应用所需的系统。开发者可以 利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统；q n x 是一个实时的、可扩充的操作系统，它提供了一个很小的微内核以及一些可选 的配合进程。3 c o m 公司的p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，它有 开放的操作系统应用程序接口( a p i ) ，开发商可以根据需要自行开发所需要 的应用程序；m i c r o w a v e 的o s 9 是为微处理器的关键实时任务而设计的操作 系统，广泛应用于高科技产品中，包括消费电子产品、工业自动化、无线通讯 产品、医疗仪器、数字电视及多媒体设备。它提供了很好的安全性和容错性。 与其他的嵌入式系统相比，它的灵活性和可升级性非常突出；l y n xr e a l t i m e s y s t e m s 的l y n x o s 是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统。 2 微机保护方面 随着计算机技术的发展，国外从2 0 世纪7 0 年代就掀起了微机保护的研究 研究热潮，但限于当时计算机硬件的制造水平及价格过高，当时还不具备商业 性的生产这类保护装置的条件【6 7 】。从7 0 年代末，8 0 年代初国外就开始进行保 护和控制综合自动化、新技术的开发和实验研究工作。目前，德国西门子公司、 a e g 公司、日本日立公司、美国通用电气公司、西屋电气公司等许多国际著名 大型电气公司都开发和生产了变电所综合自动化系统，并取得了较为成熟的运 行经验【7 】。在国际上，日本高速电气化铁路发展很快，用于切换的馈线距离保 护继电器，其保护区可随馈线供电状况不同而自动调整数值大小。为防止负荷 中高次谐波及励磁涌流对保护的影响，开发了高可靠性的交流电气化铁路馈线 微机保护装置。德国西门子公司开发的牵引自动化系统已在我国的哈大线上运 行，其用于馈线保护的7 s a 519 模块设有远距离保护、阻抗保护、过电流速断 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 保护、过电流后备保护、热过负荷保护、自动重合闸、故障测距、故障记录等 保护模块【8 】。a b b 公司的r e 0 517 * 2 4 是专用于铁路的多功能终端，其距离保 护、电流电压保护及通讯均采用模块化编程，可用组态软件自由配置。英国的 交流电气化铁路馈线保护也具有很好的保护功能1 9 。 1 2 2 国内研究情况 1 实时操作系统发展 2 1 世纪以来，计算机技术发展的一个重要方面就是嵌入式计算机系统的迅 速发展。产生于5 0 年代的第一个操作系统完成的任务仅仅是载入程序，并 在其运行结束后清除内存，到了大型机的时代，操作系统的主要任务完成了控 制系统的负载以及监控程序的运行。嵌入式计算机的应用领域已经从传统的控 制功能发展到网络、通信等各个方面，嵌入式计算机的核心也从简单的单片机 发展到专用的嵌入式计算机芯片，系统软件业从简单的监控系统发展到实时多 任务操作系统。我国嵌入式系统发展的明显特点是：嵌入式系统的发展正从嵌 入式系统技术走向嵌入式产业，“3 c ”融合和i t 技术大融合加速嵌入式系统 产业化进程，嵌入式系统是中国厂商从“中国制造 向“中国创造”转变的最 佳契机【1 叭。在过去的几年中，国家研究机构和企业，已经在开发自有知识产权 的r t o s 或在开放源码的l i n u x 基础上发展自己的嵌人式l i n u x 版本。嵌入式 系统中的灵魂就是实时操作系统，目前国内常用的嵌入式实时操作系统有： q n x 、v r t x 、v x w o r k s 、u c o s i i 以及p s o s 等。电力系统二次设备中测控和 微机保护装置是典型的嵌入式应用，为了更好的满足设备的实时性要求，提高 保护的稳定性能，在电力系统的测控、微机保护等自动化装置中采用嵌入式实 时多任务操作系统已经成为业界的共识。目前越来越多的高校、微机保护装置 厂家都开始了基于实时操作系统的微机保护装置的研究，并取得了一定的成果。 2 牵引馈线保护研究 我国电气化铁路较国外有很大不同，牵引供电系统馈线保护的研究也有其 独特的特点。自上世纪九十年代以来，主要致力于微机型继电保护的研究与推 广应用，提出了自适应距离保护的概念，利用负荷电流中的综合谐波成分来提 高保护的灵敏度。近年来，随着我国电气化铁道的迅猛发展，电气化铁道微机 保护装置的研制开发工作在许多公司、研究所开展起来，并将嵌入式实时操作系 统引入到保护装置中h o 。 馈线保护装置一般设有自适应三段距离保护、电流速断保护、自适应电流 增量保护、过电流保护、一次自动重合闸、接触网发热保护和故障测距等功能 【1 1 1 。距离保护采用具有谐波抑制的四边形保护特性的阻抗保护，通过综合谐波 抑制来躲开正常负荷和再生负荷的叠加负荷以及重负荷，有效的避免了负荷情 况下保护装置误动作情况，提高了保护的可靠性和故障选择能力。也有采用透 镜形特性、扇形特性等动作特性的继电器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 本文主要研究内容 本文选择基于r t o s 的牵引供电系统馈线保护软件设计作为研究方向，借 鉴以往微机保护装置的研发经验，在基于牵引变电站自动化系统平台的设计思 想和总体结构上，针对牵引馈线保护的特点和需求，即更好的提高系统的可靠 性和实时性，采用v x w o r k s 嵌入式实时操作系统作为保护软件系统开发平台， 运用多任务优先级的模块化程序设计思想对牵引供电系统中的馈线保护展开研 究。主要完成了以下方面的工作： 1 通过对三种不同实时操作系统的性能分析比较，选取v x w o r k s 实时操作 系统作为系统软件平台，并对v x w o r k s 的组成、特点及其开发环境进行了介绍。 2 对系统所实现功能进行分析，并按照所实现功能采用任务优先级及中断 资源分配机制进行多任务划分，主要划分为两个中断：定时采样中断、保护中 断；五个任务模块：采样任务、自适应三段距离保护逻辑判断任务、电流速断 保护和过电流保护等组成的保护逻辑判断任务、动作出口跳闸任务以及人机交 互任务，并同时设定了任务的优先级。 3 通过对传统微机保护方式和基于r t o s 的微机保护方式进行了比较，运 用多任务模块化设计思想对牵引馈线保护系统总体方案进行研究，以达到任务 宏观上并行运行的效果。完成系统2 路电压、电流信号数据量采集和采样中断 服务任务即采样数据滤波处理间的通信设计，系统采用二进制信号量作为任务 间及任务与中断服务程序间的通信机制。 4 完成牵引供电系统馈线保护配置间的优化组合，并在虚拟环境下对一些 馈线故障情况进行试验分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章v x w o rks 嵌入式实时操作系统 2 1 嵌入式实时操作系统 2 1 1 嵌入式实时操作系统概述 在计算机技术和信息技术高速发展的今天，计算机和计算机技术大量应用 在我们的日常生活中。现代计算机早已超出早期计算机的概念，广泛应用的嵌 入式计算机( e m b e d d e dc o m p u t e r ) 便是其中一种d 2 。嵌入式计算机或者嵌入 式系统，很难给其写出确切定义，多指深藏于工业系统、武器系统或一些机电 仪表设备、消费电子类产品内部，完成一种或多种特定功能的计算机系统，是 软硬件的紧密结合，具有代码小，高度自动化，响应速度快等特点。特别适合 于要求实时和多任务的应用体系。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪， 围绕应用系统的功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系 统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及特定的用 户应用程序等四个部分组成d 3 。用于实现其他设备的控制( c o n t r 0 1 ) 、监视 ( m o n i t o r ) 或管理( m a n a g e m e n t ) 等功能。简单来说，嵌入式系统就是一个有 特定功能或用途的计算机软硬件的集合体，般分为软件和硬件两部分。嵌入 式系统的软件分为操作系统和应用软件两个部分。 嵌入式系统的操作系统一般为实时多任务操作系统，其主要强调任务执行 和切换时间的确定性，以适应工业应用的需要d 4 。嵌入式实时操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 是嵌入式应用软件的基础和开发平台。目前大 多数嵌入式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 可以简单认为是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 一个功能更为强大的运行环境，用户的其他应用程序都建立在r t o s 之上，从 这个意义上而言，操作系统的作用是为用户提供一台等价的扩展计算机，它可 以认为是虚拟机，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，将c p u 时间、中断、i o 、定时器等资源包装起来，留给用户个标 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， 从这个意义而言，操作系统的作用是资源管理器【l 5 1 6 】。一般来说，r t o s 内核 表现为微内核( m i c r ok e r n e l ) 结构 1 6 l 。所谓“微内核”是将核心功能( 如进 程管理、任务通信、中断处理、进程调度) 放在内核中，而将那些不是必需的 功能和服务( 如文件系统、存储管理、网络通信、设备管理等) 作为内核之上 可配置的部分。这样，整个操作系统就是由提供一些基本服务机制的微内核加 上一些服务进程构成，系统的各个系统调用和服务都是由内核发消息到不同的 服务进程，服务进程执行相应的操作，然后以消息的方式返回到内核。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 i m l_i 2 1 2 嵌入式实时操作系统分类 实时系统最主要的特点就是实时性，即系统的正确性不仅仅依赖于计算的 逻辑结果的正确性，还取决于输出结果时间的及时性。从这个角度看，实时系 统是“一个能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和对外部环境做出响应 的系统”。实时操作系统的特点是，如果逻辑和时序出现偏差，将会引起严重 后果，按对实时性能要求的程度分为2 种类型的实时系统：软实时系统和硬实 时系统。在软实时系统中，系统的宗旨是使各个任务尽快地运行，而不要求限 定某一任务在多长时间内完成；在硬实时系统中，各任务不仅须执行无误，而 且要做到准时。大多数实时系统是二者的结合【l7 1 。实时系统的应用涵盖广泛的 领域，而多数实时系统又是嵌入式的。 2 2 系统软件平台( r t o s ) 的选取 目前有很多种实时操作系统( r t o s ) 如v x w o r k s 、g c o s - i i 、e c o s 等， 本节主要从系统存储管理、中断管理、任务管理以及任务间、任务同中断间的 同步与通信机制等方面对以上三种操作系统进行性能分析比较，以此来确定本 文的软件平台。 2 2 1r t o s 评价指标 r t o s 是操作系统研究的一个重要分支，它与一般商用多任务o s 如u n i x 、 w i n d o w s 等有共同的一面，也有不同的一面。对于商用多任务o s ，其目的是 方便用户管理计算机资源，追求系统资源最大利用率和公平对待所有的系统请 求，一般称之为通用操作系统( g o s ) ，而r t o s 追求的是实时性、可确定性、 可靠性。评价一个实时操作系统一般可以从任务调度、内存管理、任务通信、 内存开销、任务切换时间、最大中断禁止时间等几个方面来衡量 18 1 。 1 任务调度机制 r t o s 的实时性和多任务能力在很大程度上取决于它的任务调度机制。从 调度策略上来讲，分优先级调度策略和时间片轮转调度策略；从调度方式上来 讲，分可抢占、不可抢占以及选择可抢占调度方式；从时间片来看，分固定和 可变时间片轮转。单纯从基于优先级的抢占式调度方式而言，存在多种优先级 计算算法。 2 任务切换时间 当由于某种原因使一个任务退出运行时，r t o s 保存它的运行现场信息、 插入相应队列、并根据一定的调度算法重新选择一个任务使之投入运行，这一 过程所需要称之为任务切换时间。 3 最大中断禁止时间 当r t o s 运行在核态或执行某些系统调用的时候，是不会因为外部中断的 到来而中断执行的。只有当r t o s 重新回到用户状态时才响i 立外部中断请求， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 这一过程所需的最大时间就是最大中断禁止时间。 4 最小内存开销 r t o s 的设计过程中，最小内存开销是一个较重要的指标，这是因为实时 系统，特别是包括消费类电子产品在内的嵌入式系统中，由于基于降低成本的 考虑，其内存的配置一般都不大，而在这有限的空间内不仅要装载实时操作系 统，还要装载用户程序。因此，在r t o s 的设计中，其占用内存大小是一个很 重要的指标，这是r t o s 设计与其他操作系统设计的明显区别之一。 上述几项中，最大中断时间和任务切换时间是评价一个r t o s 实时性最重 要的两个技术指标。 2 2 2 实时操作系统的介绍 1 v x w o r k s 实时操作系统 该操作系统是美国风河系统公司于19 8 3 年设计开发的一种3 2 位嵌入式实 时操作系统( r t o s ) ，它以良好的可靠性和卓越的实时性广泛地应用在通信、 军事及航空航天等领域中【l9 1 。v x w o r k s 是专门为实时嵌入式系统设计开发的操 作系统软件，为程序员提供了高效的实时任务调度、中断管理、实时的系统资 源以及实时的任务通信。它具小巧的内核、广泛的硬件支持和第三方软件开发 商支持等优点，作为杰出的实时多任务操作系统，能进行高效的多任务调度， 支持中断驱动的优先级抢占式调度和时间片轮转调度，并具有确定的、快速的 上下文切换能力，确定的、微秒级的中断延迟时间，先进的网络支持强大的文 件系统及i o 管理。从应用角度而言，v x w o r k s 操作系统在各种c p u 硬件平台 上可以提供统一的接口和一致的运行特性，应用程序无需做过多的改动就可以 运行在各种c p u 上，而且是t o r n a d o 嵌入式集成开发环境的关键组成部分。它 以良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实 时操作系统领域的应用将越来越多。 2 1 a c o s i i 实时操作系统 p c o s i i 是一个源代码公开、可移植、可固化可裁剪、占先式的实时多任 务操作系统，是用c 语言编写的一个结构小巧、抢占式的多任务实时内核。 “c o s i i 可以管理6 4 个任务，并提供了任务管理、任务调度、时间管理、内 存管理和任务间的同步与通信等基本功能，但没有提供输入输出管理、文件系 统、网络之类的其他服务。内核具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良 和可扩展性强的特点【2 0 1 。 3 e c o s 实时操作系统 e c o s ( e m b e d d e dc o n f i g u r a b l eo p e r a t i n gs y s t e m ) 即嵌入式可配置操作系统， 它同样也是一个源代码开放的可配置、可移植的嵌入式实时操作系统。其最大 的特点是配置灵活、系统采用模块化设计，核心部分由不同的组件构成，包括 内核、c 语言库以及底层运行包等。每个组件可提供大量的配置选项，使用e c o s 提供的配置工具可以很方便的进行系统配置，并通过不同的配置使得e c o s 能够 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 满足不同的嵌入式的应用要求【2 0 】。 2 2 3 实时操作系统的性畿分析 文中主要从系统存储管理、中断管理、任务管理以及任务间、任务与中断 间的同步与通信机制等方面对以上三种操作系统进行性能分析比较【4 2 0 1 。 1 存储管理 实时操作系统存储管理主要包括有：内存分配原则、存储保护以及内存分 配方式。内存分配原则包括快速性、可靠性和高效性。其中快速性要求内存分 配过程要尽可能快，所以一般采用简单、快速的分配算法；可靠性指的是内存 分配的请求必须得到满足；系统强调高效性的要求，不仅仅是对系统成本的要 求，而且由于系统本身可配置饿内存容量也是很有限的，所以要尽可能的避免 浪费。存储保护通常在操作系统的内存中既有系统程序也有用户程序，为了避 免两者间的相互干扰，保证两者都能正常运行，需要对内存中的程序和数据进 行保护。内存分配方式可以分为静态分配和动态分配。 v x w o r k s 对内存的使用采用f l a tm o d e ，可被静态或动态链接。v x w o r k s 虚拟内存为带有m m u 的目标板提供了虚拟内存机制，共享内存提供了共享信 号量，消息队列和在不同处理器之间的共享内存区域，采用最先算法分配内存。 p c o s i i 把连续的大块内存按照分区来进行管理即每个分区中都包含整数个大 小相同的内存块。用户动态分配内存时只需选择一个适当的分区，按块来分配 内存，释放时将该块放回到初始时所属的分区，这样可以消除因多次内存动态 分配和释放所引起的碎片问题。e c o s 采用一种基于内存池的动态内存分配机 制。操作系统内存管理的比较如表2 1 所示。 表2 1 实时操作系统内存管理比较 2 内核调度 r t o s 内核的核心是调度器，决定了操作系统的实时性能。它通常包括任 务优先级的设置、多任务调度机制和时间确定性等部分。当系统包含多个线程 或者多个任务时，必须使用内核调度来决定当前线程或任务的执行。内核对任 务的运行进行控制，并为任务提供一种同步机制。 v x w o r k s 的核心是w i n d ，它支持多任务并可分配2 5 6 个任务优先级，支持 使用中断驱动、基于任务优先级的调度方式和时间片轮转调度，它缩短了上下 文转换的时间开销和中断的时延，实时性最好。g c o s i i 内核是针对实时系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的要求设计实现的，可以管理确个任务，只支持基于固定优先级抢占式调度， 调度方法比较简单可以满足较高的实时性要求。e c o s 提供了两种基于优先级的 调度，即位图调度器和多级队列调度器，允许用户在进行配置时选择其中一个 调度器适应性好。操作系统内核调度机制比较如表2 2 所示。 表2 。2 操作系统内核调度机制比较 3 任务间、任务与中断间的同步与通信机制 r t o s 的功能一般要通过若干任务和中断服务程序共同完成，任务与任务 之间、任务与中断服务程序之间必须协调动作，互相配合，这就牵涉到任务间 的同步与通信问题。嵌入式实时操作系统通常是通过信号量、事件标志和异步 信号来实现任务同步；通过消息队列、邮箱、管道和共享内存来提供通信服务 的。文中主要从操作系统的同步通信机制以及任务优先级反转等方面来进行比 较如表2 3 所示。 表2 3 操作系统的同步通信机制比较 三种操作系统都具有灵活的任务同步与通信机制，都可以通过信号量、消 息队列来实现同步与通信，但是v x w o r k s 不支持邮箱和事件标志；v x w o r k s 和 t c o s i i 都采取措施来避免任务优先级反转，而e c o s 的位图调度器不支持。 4 中断管理 中断管理是实时操作系统中一个很重要的部分，系统经常通过中断与外部 事件交互。文中主要对操作系统是否支持中断嵌套、中断延时、中断处理机制 等。 v x w o r k s 操作系统中断管理采用中断处理程序运行在特定的上下文中，中 断处理不会涉及任何任务上下文的交换，从而可以获得尽可能快的中断响应时 间。同时v x w o r k s 的中断处理程序只能在最短的时间内通告中断的发生，而将 其他的非实时处理尽量放在中断服务程序中完成，缩短了中断延时。i t c o s i i 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 的中断处理比较简单，一个中断向量上只能挂一个中断服务子程序( i s r ) ，而 且用户应用程序必须都在i s r 中完成，i s r 需要做的事情越多，中断延迟也就 越长。 t c o s i i 内核所能支持的最大嵌套深度为2 5 5 。e c o s 中断管理采用分层 式中断处理机制，将中断处理分为传统的中断服务程序和滞后的中断服务程序 ( d s r ) ，这种中断机制可以在中断允许时运行d s r ，因此在处理较低优先级 中断时允许高优先级的中断和处理。 5 任务切换时间与中断延迟时间 任务切换时间与中断延迟时间是评估实时操作系统性能的两个重要指标。 任务切换时间可以反映出实时操作系统执行任务的速度，而中断延迟时间可以 反映出实时操作系统对外界变化的反应速度。这三种操作系统的任务切换时间 与中断延迟时间的比较如表2 4 所示。 表2 4 操作系统的任务切换时间与中断延迟时间的比较 通过以上性能的分析比较，考虑到保护系统的可靠性、设计的工作量、系 统的可扩展性和易维护性、可处理任务数以及嵌入式系统开发环境，因此选用 v x w o r k s 作为本文的软件开发平台。 2 3v x w ork s 实时操作系统 2 3 1 v x w o r k s 操作系统的组成 v x w o r k s 操作系统包括了进程管理、存储管理、设备管理、文件系统管理、 网络协议及系统应用等几个部分【2 1 2 223 1 。v x w o r k s 只占用了很小的存储空间， 并可高度裁剪，保证了系统能以较高的效率运行。v x w o r k s 体系结构框图如图 2 1 所示。 r 猫五甬薪瓣一j i o 系统v x w o r k s 库 t c p i p +十 弋之件系统 w i n d 内核一一 1， ， 依赖于硬件的软件 s c s i 驱动f 板级支持包( b s p ) l 网络驱动i i ，i硬件，10 s c s i 控制器 串口控制器 f 时钟 以太网控制器 一j 图2 1v x w o r k s 体系结构框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 l t 曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼璺曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼量曼曼曼舅曼曼曼舅舅曼曼曼曼曼曼曼曼 v x w o r k s 由以下几个主要部分组成： 1 高性能的实时操作系统核心一w i n d v x w o r k s 的核心，一般称作w i n d ，包括多任务调度( 采用基于优先级的抢 占方式) ，任务间的同步和进程间通信机制以及中断处理、看门狗和内存管理机 制。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。这些任务基于进程间通信机制 同步、协调其行为。 w i n d 使用中断驱动和基于优先级的调度方式。它缩短了上下文转换的时间 开销和中断的时延。在v x w o r k s 中，任何例程都可以被启动为一个单独的任 务，拥有它自己的上下文和堆栈。还有一些其他的任务机制可以使任务挂起、 继续、删除、延时或改变优先级。 w i n d 提供信号量作为任务间同步和互斥的机制。在w i n d 中有几种类型的 信号量，它们分别针对不同的应用需求：二迸制信号量、计数信号量、互斥信 号量和p o s i x 信号量。所有的这些信号量是快速和高效的，它们除了被应用在 开发设计过程中外，还被广泛地应用在v x w o r k s 高层应用系统中。对于进程间 通信，w i n d 也提供了诸如消息队列、管道、套接字和信号等机制。 2 i o 系统 v x w o r k s 提供了一个快速灵活的与a n s ic 兼容的i o 系统，包括u n i x 标 准的缓冲i o 和p o s i x 标准的异步i o 。v x w o r k s 包括以下驱动程序：网络驱 动、管道驱动、r a m 盘驱动、s c s i 驱动、键盘驱动、显示驱动、磁盘驱动和 并口驱动。 3 文件系统 v x w o r k s 提供的快速文件系统适合于实时系统应用。它包括几种支持使用 块设备( 如磁盘) 的本地文件系统。这些设备都使用一个标准的接口，从而使 得文件系统能够灵活地在设备驱动程序上移植。v x w o r k si o 体系结构甚至还 支持在一个单独的v x w o r k s 系统上同时并存几个不同的文件系统。另一方面， 普通数据文件，外部设备都统一作为文件处理。它们在用户面前有相同的语法 定义，使用相同的保护机制。 4 板级支持包b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 所谓b s p 通常是针对具体的硬件平台，用户所编写的启动代码和部分设备 驱动程序的集合。它所实现的功能包括初始化、驱动部分设备。最基本的b s p 仅需要支持处理机复位、初始化、驱动串口和必要的时钟处理。在v x w o r k s 系 统中，对b s p 的简单描述为介于底层硬件环境和v x w o r k s 之间提供了一个软 件接口，它包括硬件初始化、中断的产生和处理、硬件时钟和计时器管理、局 域和总线内存地址映射、内存分配等。每个板级支持包包括一个r o m 启动( b o o t r o m ) 或其他启动机制。 5 网络设施 v x w o r k s 的网络设施提供了对其他网络和t c p i p 网络系统的“透明”访问， 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ! - - 一i 一一i ； _ 一 ；- - 量曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 包括与b s d 套接字兼容的编程接口，远程过程调用( r p c ) ，s n m p ( 可选项) ， 远程文件访问( 包括客户端和服务端的n f s 机制以及使用r s h 、f t p 或t f t p 的非n f s 机制) 以及b o o t p 和a r p 代理。无论是松耦合的串行线路、标准的 以太网连接还是紧耦合的利用共享内存的背板总线，所有的v x w o r k s 网络机制 都遵循标准的i n t e r n e t 协议。 6 目标代理( t a r g e ta g e n t ) 目标代理遵循w b d ( w i n dd e b u g ) 协议，允许目标机与主机上的t o r n a d o 开发工具相连。在目标代理的默认设置中，目标代理是以v x w o r k s 的一个任务 - - t w d b t a s k 的形式运行的。 t o r n a d o 目标服务器( t a r g e ts e r v e r ) 向目标代理发送调试请求。调试请求 通常决定目标代理对系统中其他任务的控制和处理。默认状态下，目标服务器