（计算机软件与理论专业论文）星载sar实时成像系统主控软件的设计与实现.pdf

摘要 摘要 合成孔径雷达( s y n t h e t i c a p e r t u r e r a d a r ，s a r ) 是一种全天候收集地表信息，并 利用信号处理操作实现高分辨率成像的工具，它在自然灾害预测、军事情报侦察、地 形地貌测绘、资源考察等方面发挥着重要的作用。 星载s a r 实时成像系统的研制是在机载s a r 实时成像系统的基础上展开的，是 将s a r 实时成像技术向更高层次应用的延伸。本文主要涉及星载s a r 实时成像系统 主控软件的设计与实现。 本文给出了星载s a r 实时成像系统采用的一种嵌入式异构多处理器系统的结构 模型，分析了该结构模型中各模块的功能及模块之间的通信机制。针对星载s a r 实时 成像系统这一具体应用，详细分析了其主控软件的功能需求，并提出了相应的设计方 法。 本文基于上述功能需求分析。详细设计了星载s a r 实时成像系统主控模块的任 务。通过分析各个任务的实时性要求，提出相应的优先级分配策略。最终本文采用高 性能、可剪裁嵌入式实时操作系统v x w o r k s ，通过调用其功能强大的a p i 接口函数， 利用基于优先级的抢占式调度，实现星载s a r 实时成像系统的实时控制。 本文提出了一种基于t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s p 开发的处理模块与主控模块之间进行高 速数据传输的方法，该方法利用t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s p 芯片的m a s t e rt r a n s f e r 传输机制， 并结合传统d m a 传输中的s c a t t e r g a t h e r 思想，大大提高了d s p 与主控模块之间的数 据传输速度。 关键字：合成孔径雷达，实时系统，实时控制，实时操作系统，v x w o r k s d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no f h o s tc o n t r o ls o f t w a r ei ns p a c e b o r n es a r i m a g i n gs y s t e m a b s t r a c t w a n g l e i 忙o m p u t e r s o f t w a r ea n d t h e o r y ) d i r e c t e db y ：h a n c h e n g - d e ( p r o f e s s o r ) f e n gz h a o - h u a ( p r o f e s s o r 、 s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( s a r ) i s 8 1 1i m p o r t a n tt o o lf o rt h ec o l l e c t i o no fa l l w e a t h e r i m a g ed a t a f u r t h e r m o r e ，t h e s ed a t ac a nb em a d ea te x t r e m e l yh i g hr e s o l u t i o nb ys i g n a l p r o c e s s i n g i ti sw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so f d i s a s t e rf o r e c a s t i n g ，m i l i t a r y i n s p e c t i n g ，t e r r a i n m a p p i n g a n dr e s o u r c e si n v e s t i g a t i n g ，e t c t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fs p a c e b o m es a r i m a g i n gs y s t e mi sb a s e do nt h e e x p e r i e n c eo fd e v e l o p m e n to f a i r b o r n es a r i m a g i n gs y s t e m ，w h i c he x t e n d s t h ea p p l i c a t i o n o fs a r i m a g i n gt e c h n o l o g yt oah i g h e rl e v e l t h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l yr e l a t e dt ot h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh o s tc o n t r o ls o f t w a r ei ns p a c e b o m es a rr e a l - t i m ei m a g i n g s y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n as t r u c t u r e dm o d e lo fe m b e d d e dh e t e r o g e n e o u sm u l t i p r o c e s s o r s y s t e mu s e d i n s p a c e b o m es a ri m a g i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d ，a n dt h ef u n c t i o no f i n d i v i d u a ls u b s y s t e ma n dt h ec o m m u n i c a t i o ns c h e m eb e t w e e n s u b s y s t e m si nt h es t r u c t u r e d m o d e li sd i s c u s s e d w i t h r e g a r dt os p e c i f i c a p p l i c a t i o n o fs p a c e b o m es a rr e a l - t i m e i m a g i n gs y s t e m ，t h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to f i t sh o s tc o n t r o ls o f t w a r ei sa n a l y z e di n d e t a i l ， a n dt h e c o r r e s p o n d i n g m e t h o d o f d e s i g n i sp r o p o s e d b a s e do na n a l y s i so ff u n c t i o n a lr e q u i r e m e n td e s c r i b e da b o v e ，t h ed e t a i l e dd e s i g no f v a r i o u st a s k si ns p a c e b o r n es a rr e a l - t i m ei m a g i n gs y s t e mi sp r o v i d e di nt h i sd i s s e r t a t i o n b ya n a l y z i n gr e a l - t i m er e q u i r e m e n to fi n d i v i d u a lt a s k ，t h ec o r r e s p o n d i n gs t r a t e g yo ft h e i r p r i o r i t i e sa s s i g n m e n t i sp r o p o s e d f i n a l l y , t h er e a l t i m ec o n t r o lt os p a c e b o m es a r r e a l - t i m e i m a g i n gs y s t e m i sa c h i e v e d b ya p p l y i n gv x w o r k s ，ah i g h - p e r f o r m a n c ea n ds c a l a b l e e m b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ，i n v o k i n g t h e p o w e r f u la p ii n t e r f a c ef u n c t i o n s p r o v i d e db yv x w o r k s ，a n du t i l i z i n gt h ep r e e m p t i v e s c h e d u l i n gs t r a t e g yb a s e d o n p r i o r i t ya s a p a r to f v x w o r k s n i 星载s a r 实时成像系统主控软件的设计与实现 an e wm e t h o d o f h l 【g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e n t h eh o s tc o n t r o ls u b s y s t e ma n d t h ep r o c e s s i n gs u b s y s t e m ，w h i c hi sc o m p o s e do ff o u rt m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s p sf r o mt i ，i s p r o v i d e d t h i sm e t h o di m p r o v e sg r e a t l yt h es p e e do f d a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h eh o s t c o n t r o ls u b s y s t e ma n dt h e s ed s p s ，b yu f i l i z m gt h em a s t e rt r a n s f e rf u n c t i o nc o n t a i n e di n t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s p , i nc o n j u n c t i o nw i t lt h ei d e ao fs c a t t e r g a t h e ri nt h ec o n v e n t i o n a l t r a n s m i s s i o nb yd m a k e yw o r d s ：s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( s a r ) ，r e a l - t i m es y s t e m ，r e a l - t i m ec o n t r o l ， r e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ，v x w o r k s 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。就我所知，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或撰写过的研究成果。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了谓意。 作者签名：土善 日期： 土口口缸7 ，2， 关于论文使用授权的说明 中国科学院计算技术研究所有权处理、保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅；并可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其它复制手段保存该论文。 作者签名：王蔷导师签名：尘和巷 努日期：) 4 7 ，上 塑二童! 堕 一 1 1 合成孔径雷达概述 第一章引言 合成孔径雷达( s y n t h e t i c a p e r t u r er a d a r ，s a p , ) 是一种高分辨率的微波成像雷达， 它突破了雷达物理实现上的限制通过信号处理的方法合成出一个等效的大尺寸天线 阵列，使得获得测绘地域的高分辨率图像成为可能1 ) - 4 。合成孔径雷达具有全天候、远 距离、不受大气传播和气候影响、穿透力强等优点，在国防、地质、自然资源勘探与 监测、地形测绘、制图学、海洋研究、农林生态监控、污染和灾害估计等领域都有重 要应用。 合成孔径雷达被安装在飞机或卫星上。雷达将微波脉冲发射向地球表面，地面目 标将部分散射回波反射回雷达天线。将这些回波能量记录下来，经过处理，就能够产 生出清晰的表达地表特征的雷达图像。该雷达图像是二维图像，沿雷达运动的方向被 称为方位向( a z i m u t h ) ，在这个方向上的高分辨率通过提高雷达的角分辨率即利用合 成孔径原理来获得：与方位向垂直的方向称为距离向( r a n g e ) ，在此方向上的高分辨 率依赖提高雷达的斜距向分辨率来获得。 世界上技术先进的国家都在大力发展s a r 技术【3 】。美国在2 0 世纪5 0 年代就开始 了s a r 遥感成像技术的研究，1 9 7 8 年6 月2 8 日美国发射了载有s a r 的“海洋卫星”， 入轨1 0 天后星载s a r 系统首次启用，这标志着s a r 已成功地进入太空对地观测新时 代，也标志着星载s a r 系统由实验研究向应用研究的重大转变。进入2 0 世纪9 0 年代， 欧洲、日本、加拿大、俄罗斯等国均发射成功s a r 卫星。 由于合成孔径雷达在国防军事上的重要意义，国外的先进技术很难引进，因此研 制我国独立自主的s a r 高分辨率实时成像系统具有非常重要的意义。近2 0 年来，通 过科研人员的努力，我国s a r 技术的研究也取得了重大进展阿一1 。1 9 7 9 年中国科学院 电子学研究所成功地研制出s a r 样机，并获得我国第一幅合成孔径雷达图像。而近年 来，在国家自然科学基金的支持下，由中科院计算所、电子所、软件所、地理所联合 研制成功的分辨率为1 米面向地学处理的高分辨率机载s a r 实时成像系统，已经达到 了国内领先国际先进的水平。到目前为止，星载s a r 实时成像系统的研制也在进行中。 s a r 实时成像系统是采用数字信号处理的方法对合成孔径雷达收集的图像数据 进行处理从而获得清晰的反映地表特征的图像的数据处理设备。s a r 实时成像系统 是一个数据处理量大、处理速度要求高、实时性要求严的系统，不仅要求有很高的数 据处理能力，而且对图像数据的处理还有严格的时间限制。同时，为了保证系统的可 靠性和正确性，还需要对实时成像系统进行实时的检测和监控，对各种状况做出相应 星载s a r 实时成像系统主控软件的设计q 实现 的处理。此外，由于s a r 实时成像系统是安装在飞机或卫星上的一套嵌入式系统，它 还要实时地响应来自地面站的控制，所有这些都使得我们考虑在s a r 实时成像系统中 设计主控子系统，来完成对整个s a r 实时成像系统的控制及其与外界通信接口的控 制，这也是本文所涉及的主要内容。 星载s a r 实时成像系统的研制是在机载s a r 实时成像系统研制的基础上进行豹， 因此，接下来我们首先介绍机载s a r 实时成像系统的一些相关情况。 1 。2 研究背景 1 2 1 机载s a r 实时成像系统及其主控模块 机载s a r 实时成像系统是中科院计算所完成的国家基金重大项目的研究成果【4 ，6 】， 它采用了目前世界上最先进的d s p 硬件和软件技术，整机的架构吸收了通用总线结构 的优点，具有良好的硬件软件兼容性，克服了传统雷达处理机设计中，专机专用，硬 件和软件缺乏通用性和继承性的缺点。图1 1 是面向地学分析的高分辨率机载s a r 实 时成像系统的结构框图嘲。 图1 1 机载s a r 实时成像系统的结构框图 从硬件结构上讲，该系统主要由以下几个模块构成： 1 输入模块 2 距离向处理模块 3 转置模块( c 1 m ) 4 方位向处理模块 5 逆转置模块( i c t m ) 6 主控及图像数据显示模块 第一章引言 由图1 1d e w 以看出，系统运行在c p c i 和c a b 两条总线上。c p c i 总线已经形成 了工业标准，既继承了p c i 总线数据传输率高、可扩展性强的优点，同时又具有结构 紧凑，突出嵌入式应用的特点。c a b 总线是c o r e c o 公司白行开发的一种总线标准。 总线的协议是基于f i f o 的互连和数据交换。因此c a b 总线的协议相当简洁，既没有 p c i 总线那样复杂的寻址过程，同时数据交换速率很高。( 单向峰值传输速率约 2 0 0 m b s ) 。 该系统的设计框架是按照合成孔径雷达r d 成像算法的顺序组织的【6 】。整个系统 的工作原理是，经过数字正交解调的数字信号，首先进入输入模块。同时原始数据流 中还包含了飞机的导航数据。原始数据流经过距离向缓冲后，输入模块把原始数据和 导航数据加以分离，并对分离后的原始数据进行一系列的自适应预处理。处理后的数 据与导航数据以及预处理得到的一些参数重新合成后，从c a b 总线。实时地发往下 级距离向处理模块。距离向处理模块主要实现对预滤波后的数据流在距离向的脉冲压 缩功能。脉冲压缩后的数据主要通过c a b 总线发往c t m 模块。该模块完成从距离向 到方位向的数据转置功能。转置后的数据流，通过c a b 总线发往方位向处理模块。 完成数字信号的方位向压缩，并得到复图像。最后，复图像数据从逆转置存储模块 i c t m ，通过c p c i 总线送往主控模块。 主控模块 臣互巫口e 豆困臣巫固 臣固臣画臣圃 图1 2 机载s a r 实时成像系统的组成结构 主控模块是实时系统的控制核心，不仅提供良好的人机界面来完成信息的交互和 对各模块的控制，具有实时显示和实时存储功能，并执行地学处理的一些功能。主控 星载s a r 实时成像系统主控软件的设计4 j 实现 模块包括与各外设的接i = 1 通讯( 与显示板的接口、与外存储器的接口) 和利用c p c i 总线与各处理模块的接口。主控模块完成的实时处理工作包括：在正常工作前的自检， 参数及程序的加载，完成实时调度和监控，运行人机界面，完成地学处理算法，实时 显示和存储。其总体结构如图1 2 所示。 主控模块实际上是一套完整的嵌入式计算机系统。c p u 采用i n t e l 的p e n t i u mi i i 8 5 0 处理器，内存容量5 1 2 m b ，并可扩展。该嵌入式计算机系统运行的操作系统平台 有多种选择方案。对于机载s a r 实时成像系统的当前应用，运行的是w m d o w sn t w o r k s t a t i o n 和l i n u x 操作系统。主控模块可以将接收到的复图像数据求模变成实图像 数据，发往显示卡加以实时滚动显示。并将复图像数据送往高速硬盘等外围设备，加 以实时记录。主控模块除了接收成像结果数据外，它更多的是完成对系统中各模块的 任务调度参数传递和分工协调等工作。 机载s a r 实时成像系统主控模块要完成的主要工作有： 各个模块的自检：向系统中各个模块发出自检命令，并获得各个模块的自检 结果； 参数及程序的加载：向各个模块上载图像处理程序和必要的参数信息； 系统监控：在系统运行期间，对各个模块进行实时监控，获取和处理各个模 块的各种状态信息； 任务的实时调度：主控模块负责系统中各个模块任务的实时调度，根据各个 任务的时限和系统的当前状态，确定运行的任务； 图像数据的实时接收：从实时成像系统实时接收图像数据，并交由实时存储 和实时图像显示任务处理。 图像数据的实时存储：在磁盘介质上实时存储从实时成像系统收到的图像数 据。 图像的实时显示：对从实时成像系统收到的图像数据进行处理，并实时显示 图像。 雷达惯导信息传递：接收并传递雷达惯导数据，实现实时成像系统对各种雷 达体制即插即用，不需要在飞行过程中，由于飞行姿态、速度、高度等变化， 而需要人工输入参数。 g p s 定标信息处理：实时显示雷达载机所在的g p s 坐标信息，并显示载机的 飞行方向。 地学信息处理：主控模块负责为地学模块准备必需的数据，调度地学处理任 务的执行。 机载s a r 实时成像系统对主控模块的实时性要求不高，我们采用w i n d o w sn t 和 l i n u x 操作系统完全满足了系统的设计要求，经与雷达研究所的两次联机实际飞行试 验，达到了系统的设计指标。 4 1 2 2 星载环境对s a r 实时成像系统的新要求 我们下一步的目标是研制我国独立自主的星载s a r 实时成像系统，由于星载环境 与机载环境存在很大不同，因此与机载s a r 实时成像系统相比，星载s a r 实时成像 系统在以下几个方面有很大的不同： 运行环境不同，所以系统控制的方式不同。机载系统可以通过系统操作员在 线控制系统的开启、配置和关闭，并且可以在飞机上排除可能出现的小故障。 星载系统则不同，人们不可能直接通过键盘或电源开关控制系统的运行，而 必须通过远程控制计算机来控制实时成像系统的运行。 对实时处理的速度要求更高。星载s a r 实时成像系统处理的数据量更大，数 据传输速率更高。机载系统中，我们处理的数据帧大小为8 k x 2 k x 4 = 6 4 m 字 节( 定点处理) ，脉冲重复频率p r f 为1 2 0 0 左右，而且信号预处理器还可以 对信号进行一定的降采样。在星载系统中，要处理的数据帧大小为1 6 k x l 6 k x 8 = 2 g 字节( 浮点处理) ，脉冲重复频率达到2 0 0 0 以上，而且在信号预处理过 程中不进行降采样处理，所以实时处理的能力要求更高。 处理算法的不同。由于空间环境的影响，星载雷达的大斜视机铡，以及对距 离迁移矫正和运动补偿的更高要求，星载s a r 实时成像系统不再使用机载系 统中采用的r d ( r a n g e d o p p l e r ) 【8 】算法，而是使用c s ( c h i r p _ s c a l i n 到, 1 8 1 算法， 带二次距离压缩的r d 算法，或者k 算法。这些算法的使用，对实时成像 系统的系统结构提出了新的要求。 对主控模块功能的要求不同。在机载环境中，由于操作员实时地理察和控制 成像系统的运行要求系统能够实时显示出地面的图像，所以机载系统需要 有图像实时显示功能。星载系统不要求图像的实时显示。另外，在机载环境 中，实时成像处理的结果数据可以实时存储在普通的硬盘中，而在星载环境 中，我们不可能将数据实时存储到大容量的硬盘中，而是输出到星上的大容 量固态存储设备中。星载环境还要求具有成像软件的远程更新功能，在软件 升级或变更成像算法时，通过地面系统远程更新软件。 系统控制要求更复杂。机载系统的运行是人为控制的，带有很大的随意性。 而在星载环境下，系统的运行要根据远程控制计算机的指令来进行。实时成 像系统可能定时开启，也可能在收到远程控制计算机的命令后开启。在运行 过程中，系统还可能进入休眠或节能模式，以节省星上的能源。 系统可靠性要求更高。星载系统一旦跟随卫星发射上天，它所遇到的一切异 常情况都无法通过人工干预的方式来立刻解决，而且在星载的环境中本身就 存在有比机载环境更多的异常事件，因此星载s a r 实时成像系统要求有比机 载时更高的可靠性、更强的实时调度与控制以及良好的故障恢复机制。 所有这些情况，都为星载s a r 实时成像系统各个模块的硬件软件设计提出了更高 的要求。对于主控模块来讲，原有机载环境下基于w i n d o w sn t 和l i n u x 的实时控制 已经难以满足星载环境的要求，而且由于星载环境下对设备重量、功耗、体积等方面 的严格限制。也迫使我们必须寻找一种占用存储空间更小但实时性能更强的解决方法， 并基于该方法设计出功能更强大、实时性更高、可靠性更强的主控模块，来满足这些 新的要求。 t 3 本文的主要贡献及创新 本文在星载s a r 实时成像系统这个具体实时系统设计的环境中，涉及在该系统中 主控模块上运行的主控软件的设计与实现。本文豹主要贡献如下： 1 一种嵌入式异构多处理器系统中的主控软件的设计 本文给出了星载s a r 实时成像系统采用的一种嵌入式异构多处理器系统的结构 模型，分析了该结构模型中各模块的功能及模块之间的通信机制。针对星载s a r 实时 成像系统这一具体应用，本文对其主控模块的功能需求进行了详细的分析和设计，并 提出了主控模块上运行的主控软件的设计方法，该主控模块的功能包括初始化与自捡， 程序上载，系统启动、暂停、关闭和重启，系统监测，状态报告，异常处理，系统更 新等。本文给出的该嵌入式异构多处理器系统模型同样可用于其他数据处理系统的实 现，并且本文的主控软件设计方法也同样可用于其他实时系统的主控软件设计中。 2 实时控制系统中v x w o r k s 的实现技术 本文基于主控软件的上述功能需求分析，对星载s a p , 实时成像系统的主控软件进 行了详细的任务划分与设计。通过分析各个任务的实时性要求。为各个任务分配适当 的优先级，并利用基于优先级的抢占式调度方法调度执行各个任务，以实现星载s a p , 实时成像系统主控模块的既定功能。本文最终采用高性能、可剪裁的嵌入式实时操作 系统v x w o r k s ，通过调用v x w o r k s 实时操作系统提供的各种a p i 接口函数，给出了星 载s a r 实时成像系统主控软件的部分实现。 3 一种主控模块与处理模块之间的高速数据传输方法 本文分析了基于t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 芯片设计的专用d s p 处理模块的结构， 针对该处理模块与主控模块之间的大数据量传输需求与现有低传输速度之间的矛盾， 提出了一种在处理模块与主控模块之间进行高速数据传输的方法，该方法利用 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s p 芯片的m a s t e rt r a n s f e r 传输机制，并结合传统d m a 传输中的 s c a t t e r g a t h e r 思想，大大提高了d s p 与主控模块之间的数据传输速度。 基于上述设计思想而开发的星载s a r 实时成像系统主控软件在中国科学院计算 技术研究所系统结构室d s p 组联合开发的星载s a r 实时成像原型系统中进行了充分 的实验，该原型系统中的主控模块是一套完整的嵌入式工控计算机，c p u 采用i n t e l 的p c n t i u mm 8 5 0 处理器，内存容量5 1 2 m b ；处理模块是基于四片德州仪器( t i ) 公 6 第一章哼占 司的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 芯片丌发的d s p 处理板。上述设计方法的j _ l 三确性和有效性在该原 型系统中得到了充分的验证。 本文的工作得到了x x x 委托预研项目“星载合成孔径雷达实时成像处理技术的 研究以及自然科学基金项目“s a r 实时成像专用处理器体系结构和s o c 设计方法研 究”( 项目编号6 0 3 0 3 0 1 7 ) 的资助。 4 4 论文的组织结构 第一章引言。介绍本文的研究背景和相关知识。 第二章实时系统中的实时控制。介绍现有的几种实时控制方法和几种主流商业实 时操作系统，通过分析与比较，给出选择v x w o r k s 作为主控模块上运行的操作系统的 依据。 第三章星载s a r 实时成像系统主控软件的设计。分析星载s a r 实时成像系统的 结构，以及主控模块的位置和作用，提出星载s a r 实时成像系统主控软件的设计方法。 第四章主控软件基于v x w o r k s 的实现。详细论述星载s a r 实时成像系统主控软 件的任务设计，并给出基于v x w o r k s 的具体实现和调度。 第五章主控模块与处理模块之间的高速数据传输方法。针对基于四片t i 公司的 高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 设计的处理模块，提出一种在该处理模块与主控模块 之间进行高速数据传输的方法。 第六章总结与进一步的工作。总结本文，展望下一步的工作。 璺三里壅堕墨竺塑壅盟丝型 一一一 第二章实时系统中的实时控制 星载s a r 实时成像系统是实时嵌入式系统在高性能实对计算中的一种典型应用， 而星载s a r 实时成像系统主控软件的功能就是实现对这一实时系统的实时控制。因 此，在本章中，我们首先介绍实时系统与实时控制的一些基本概念。然后，通过对几 种实时控制方法的比较与分析，以及对目前几种主流商业实时操作系统的比较与分析， 针对星载s a r 实时成像系统的具体应用，决定选用v x w o r k s 作为主控模块上运行的 实时操作系统。在本章最后，对v x w o r k s 实时操作系统与实时性相关的部分做了比较 详细的介绍。 2 1 实时系统概述 实时系统起源于二十世纪中叶，最初与军事上的需求紧密相关。随着计算机技术 的发展，计算机应用范围的扩展，实时系统也逐渐在民用领域得到广泛应用，例如： 机械制造业、铁路及机场调度、航空航天、核电站及化工过程监控、计算机多媒体信 息处理以及具有q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 需求的网络应用等。它已经成为人类社会生 活中所不可缺少的部分，“实时”正在成为一种无所不在的计算。 实时指对随机发生的外部事件做出及时的响应并对其进行处理，因此实时就是要 在规定的时限内能够传递正确的结果，迟到的结果就是错误【9 l 。 对于很多计算机系统来说，只要计算结果在逻辑上是正确的，就可以满足正确性 要求。而对于实时系统来说，正确执行指令的逻辑顺序和得到逻辑运算结果仅仅是问 题的一个方面【l o j 。关于实时系统的概念，人们给出了多种描述，以下是两种代表性的。 对于任何一个系统，若它对外部事件的及时响应是至关重要的。那么该系统 是一个实时系统i l “。 在实时系统中。计算任务的正确性不仅仅依赖于计算结果逻辑上的正确性， 而且还依赖于计算结果产生的时间【9 ，l 2 1 。 实时系统并非指“快速”的系统，实时系统有限定的响应时间，从而使系统具有 可预测性例。通常，实时系统对特定输入做出反应的速度需要足以控制发出实时信号 的对象：或者，系统能够及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的 处理，并控制所有的实时设备和实时计算任务协调一致的运行【。典型的应用系统有： 雷达系统中的数据信息处理、飞行器控制系统、空中交通控制系统、m p e g 视频数据 压缩，解压缩等【1 4 ，i 5 1 。这类系统的共同特点是需要在规定的时限内完成任务。 9 任务是指完成某一特定功能的软件实体，它是实时控制中调度的一个基本单位； 任务在其生命期中的某一次执行称为该任务的一个作业；具有实时性能需求的任务称 为实时任务，反之则称为非实时任务【l 。 另外，实际中具有实时性能需求的应用程序往往是由一组相关的实时任务组成， 本文使用术语“实时应用”( r e a l - t i m e a p p l i c a t i o n ) 来表示。 当作业已分配到除处理机以外的所有必要资源的时候，它能够被系统调度执行， 此时的状态称为就绪态。一个作业由其他状态转变为就绪态的那个时刻称为它的到达 时间( a r r i v et i m e ) 。作业自它的到达时刻起到它被完成时刻止的时间段长度称为它 的响应时间( r e s p o n s et i m e ) 。若作业的响应时间有一个最大值限制，那么这个最大 值称为它的相对截止期( r e l a t i v ed e a d l i n e ) 。若一个作业被要求在某个时刻之前完成， 那么那个时刻称为它的绝对截止期( a b s o l u t ed e a d l i n e ) i l “。 实时任务有多种分类方式，以下为常用的两种分类方式： 根据任务的作业到达时刻规律的不同，可分为周期任务( p e r i o d i ct a s k ) 、间发任 务( s p o r a d i ct a s k ) 和非周期任务( a p e r i o d i ct a s k ) 。对于周期任务，其相邻两次作业 到达时刻之间的间隔是一个固定的常数( 即周期) 。间发任务是指相邻两次作业到达时 刻之间的间隔不固定，但有一个下限值。非周期任务的作业到达时刻没有规律。 按照对实时性能要求的程度，实时任务还可以分为硬实时( h a r dr e a l - t i m e ) 和软 实时( s o f tr e a l t i m e ) 两类l l 。硬实时任务要求可确定性强，具有明确的时间约束， 在某个限定时刻之前不能完成任务将导致整个应用失败；软实时任务也对时闯敏感， 偶尔发生的不能满足严格实时要求的情况是允许的，但不是欢迎的。 为了保障实时系统的时间约束( 包括任务的开始执行时间、完成时间、截止期等) 得到满足，从系统结构上看，可分为两个层面上的问题 1 7 j s 。 1 具体操作层面 主要考虑的是实时任务执行中的每个具体操作所用时间和可预测性。例如：处理 机对每条指令的执行时间、内存访问时间、上下文切换时间等。这一层面上的问题主 要与实时系统具体实现的细节和硬件设计相关，例如实时操作系统的内存管理模块、 进程切换代码、中断处理机制的实现、应用层实时程序的设计、以及处理机的结构等。 2 系统调度层面 通常体现在实时操作系统的调度器依据各个实时应用程序对时间要求的紧迫程度 等因素对多个实时应用程序的执行时机和次序的统筹安排。在多任务并发运行的系统 中调度器在何时选择某个任务运行，直接关系到这个任务能否在截止期之前完成计 算。若给定一个包含多个实时任务的集合，那么对于这一组任务来说，它们按照什么 样的次序被调度执行，直接关系到这组任务的时间约束能否被满足。这一层面的问题 涉及实时系统调度理论、操作系统的相关理论和计算机科学领域其他一些方面。 兰三空塞堕墨竺主竺茎堕丝型一一一 实时调度方法的分类可以有多种方法引：根据正在运行的任务是否可以被别的更 紧迫和更重要的任务抢占，可以分为抢占式调度和非抢占式调度1 9 1 。根据调度顺序产 生的时机和方式可以分为静态调度和动态调度【1 6 , 2 0 1 。根据调度方法所针对的运行平台 为单处理机系统或多处理机系统，可以分为单处理机调度和多处理机调度1 9 1 。根据调 度方法是否具有自适应功能，可分为自适应调度和非自适应调度1 2 1 1 。 2 2 实时控制方法 为了使实时系统能够获得期望的实时性能，目前的实时控制方案主要使用两类技 术：一是选择通用分时操作系统，然后利用硬件计算能力的冗余来达到实时性能要求； 二是选择商业实时操作系统，使用它提供的实时a p i 进行应用开发。下面我们将介绍 三种主要的实现方法。 2 2 1 基于w 诅d o w sn t 的实时控制 w i n d o w sn t 并不是作为实时操作系统而设计的，但是由于其在工业应用方面的 广泛性，例如，很多产品只提供对w i n d o w sn t 操作系统的支持，由此产生出一类需 求，即基于w i n d o w $ n t 来实现实时控制。 w i n d o w sn t 是基于微内核结构的操作系统，其调度机制是基于优先级的。基于 n t 来实现实时控制正是利用n t 的这种线程和优先级的机制m 】。在n t 系统中，每个 进程属于空闲( i d e l ) 、正常( n o r m a l ) 、高( h i g h ) 和实时( r e a l t i m e ) ( 优 先级顺序由低到高) 四大类优先级中的一类。其中实时优先级类是作为对实时应用的 支持而提出的。每个线程属于i d e l ，l o w e s t ，b e l o wn o r m a l n o r m a i ， a b o v e _ n o p , m a l ，h i g h e s t 以及t i m e _ c r i t i c a l ( 优先级顺序由低到高) 七类 优先级类中的一类。n t 为每个线程分配一个基本调度优先级，这个基本调度优先级 是将进程的优先级类和线程的优先级类进行混合而得到的。基本调度优先级从0 到3 l 。 在这种优先级机制下，n t 所采用的是基于优先级的抢占式调度。在具有相同基本调 度优先级的线程之间采用分时的调度。在实时类的优先级级别的线程是不可被降级的， 而属于高或正常类的优先级级别则是可以被n t 调度器降级的。 但w i n d o w sn t 毕竟不是真正的实时操作系统，它是作为通用操作系统设计的， 其中许多机制的设计是为了追求最优的平均性能，与许多实时应用所要求的高度可预 测性有一定出入。并且n t 的中断处理机制( 延迟过程调用d p c ) 严重影响了n t 系 统的可预测性。所以n t 并不能胜任硬实时系统的实现，例如具有毫秒以下控制级的 实时系统。而对于实时性要求不高的实时系统，例如可以忍受偶尔超越时限的实时系 统，1 0 1 0 0 毫秒控制级的实时系统等采用基于n t 的实现方式是明智的。当然， 可以采用增加实时核的方式来进一步完善n t 系统对于实时应用的支持，但是与真正 的实时操作系统相比较，n t 在可靠性和实时性方面远远不及真正的实时操作系统。 l f 星载s a r 实时成像系统土牲软件的设计j 实现 2 2 2 基于l i n u x 的实时控制 由于l i n u x 的源代码是完全丌放的，这使得l i n u x 的发展速度非常得快。但是， 由于l i n u x 是一种u n i x 操作系统，而传统的u n i x 操作系统基本上是分时系统，调度 日标追求的是吞吐量( t h r o u g h o u t ) 和公平( f a i r n e s s ) 的平衡，基本没有考虑实时应用 所需的响应时间的保证和最大限度，所以l i n u x 也继承了u n i x 许多不适合实时应用的 特点【2 3 0 4 ： l i n u x 具有用户态和核心态两种模式。当进程运行在用户态时，可以被高优先 级的进程抢占。而当进程进入核心态时，即使其他的用户态进程优先级再高， 例如实时进程，也不能抢占处于核心态的低优先级的普通进程。这是因为 l i n u x 内核本身是不可抢占的( n o n p r e e m p t a b l e ) 。 页面交换机制。如果实时进程所处的内存页被交换到硬盘上，从硬盘上调页 的时间是不可预测的，这将极大地影响实时响应所要求的可预测性。 缺少细粒度( h i 西r e s o l u t i o n ) 的定时器( t i m e r ) 。传统的定时器是2 0 m s 一个 t i c k ，远远不能满足实时应用的需求。 目前，l i n u x 实时化的解决方案主要有 2 4 , 2 5 】： 1 以h a r d h a tl i n u x 为代表的软实时方案 这类方案的特点是基本上以l i n u x 本身的p o s i x l 0 0 3 1 b 实时扩展为基础的软实 时解决方案。对内核的改动一般仅限于更符合实时应用的调度算法，实时进程间的通 信还是采用l i n u x 原有的i p c 机制。这一方案代表了一类思路，即尽量绕开l i n u x 内 核机制中不利于实时应用的部分，充分利用l i n u x 本身的实时机制，以达到某种程度 上的软实时。 2 以r t - l i n u x 和r t a i 为代表的硬实时方案 这类方案的特点是采用混合内核方案，即在l i n u x 内核和硬件之间加一个小的实 时核，由它管理中断，并将实时要求强的部分编写成实时任务在该内核上直接运行， 而l i n u x 内核本身则作为优先级最低的i d l e t a s k 运行。该实时核具有自己的基于优先 级的调度算法，l i n u x 内核随时可以被优先级更高的实时任务抢占。通过这种方式， 使得l i n u x 内核成为可以完全被抢占的。从而解决了l i n u x 实时化的最大障碍。 3 以k u r t 和r e d l i n u x 为代表的其他实时方案 这类方案是通过直接修改内核来增强实时性能。它属于前两种方案的一种折中， 既不满意于l i n u x 用于实时应用的现状，又不愿大动干戈采用硬实时方案，而是通过 修改内核的方式在各个方面对l i n u x 的实时性能进行加强。 2 2 3 基于实时操作系统的实时控制 实时操作系统是针对实时系统应用而专门设计的一种操作系统，它提供对实时应 第二章实时系统中的实时控制 用的完美支持，这是前两种实现方法所无法比拟的。实时操作系统提供的主要功能包 括【9 川：任务的管理与调度，任务间的同步和通信，内存管理，实时时钟服务和中断 管理服务等。 相对于前两种实时控制方法，采用基于实时操作系统的实时控制方法是相对容易 的。因为实时操作系统内核提供了对实时控制的支持，许多种调度算法是作为实时操 作系统的一部分来实现的，程序员只需要指定任务的优先级别、时限要求等，而将实 时调度的工作交由操作系统来完成。操作系统提供一系列功能强大的a p i 函数集，并 且提供高级语言的编程环境，用户通过调用a p i 函数就可以编写出高效的实时应用程 序。而且，实时操作系统提供对多种硬件环境的支持，以高级语言编写出的实时应用 程序可以在多种硬件平台上轻松移植。 2 2 4 分析与比较 由于星载s a r 实时成像系统对实时性、可靠性等的要求较高，并且由于星载环境 下对系统体积、重量、功耗等的严格要求，主控模块上的存储空间是有限且极其宝贵 的，因此要求主控模块上运行的主控软件不但应当具有很强的实时性和可靠性，而且 占用的存储空间应当尽可能的小。 在上述三种实时控制方法中，由于w i n d o w sn t 和l i n u x 都是通用分时操作系统， 因此基于这两种操作系统的实时控制方法在实时性能方面具有与生俱来的缺陷。虽然 w i n