（电气工程专业论文）基于嵌入式实时操作系统的通讯管理机的研制.pdf

前言、摘要、a b s t r a c t 摘要 本文从当前国内外主流的电力自动化系统中通讯管理机的实际情况入手，分 析比较了这些产品的优缺点，提出了我们进行产品研制的主要目标：高速的实 时响应性，硬件平台的可靠性、稳定性和易于扩展性，内核层软件和应用层软 件的低藕合性。 本文阐述了实时操作系统和普通操作系统在任务调度策略、实时性能等方面 的差异，明确了只有采用具有微内核的嵌入式实时操作系统作为软件平台才能 使通讯管理机具备高速的实时响应性。对国际上两大嵌入式实时操作系统 v x w o r k s 和q n x 进行分析比较，说明了选择q n x 的原因。 四方综自系统一贯坚持分层分布的设计思想，文章介绍了以这一思想为出发 点选择基于p c i 0 4 总线的工控硬件平台的原因、硬件平台所应该具有的对外接 口数和具体的硬件组成。 本文详细阐述了内核层软件和应用层软件的的设计思路，突出了内核层软件 所具有的微内核、规约无关性等特点，介绍了应用层软件的具体功能模块划分 及信息流程。 关键词：嵌入式，微内核，实时操作系统，通讯管理机，综合自动化系统、 p c i 0 4 总线 i i 河海大学工程硕士专业学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e ss o m ei m p o r t a n th 血群珥鼬e d 锄血疆n 出泣面ms y a m l sa n d 黼 c o m m u n i c a t i o nm a l l a g e r sb o t hi nd o m e s t i c & o v e r s e a sm a r k e t s a n dt h e na n a l y s e st h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e o ft h e s ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e r s t h ea r t i c l e p u t s f o r w a r dt 1 1 em a i np u r p o s eo fo u rr e s e a r c ha n dd e v e l o pw o r k ：t h ec o m m u n i c a t i o n m a n a g e r sm u s t h a v et h ec h a r a c t e r i s t i co f r e a l t i m e & h i 加r e s p o n s e ，t h eh a r d w a r em u s t b er e l i a b l ea n de a s e - e x p a n d i n g t h ea s s o c i a t i o no ft h ec o r es o f t w a r ea n da p p l i c a t i o n s o t t w a r em u s t b el o w c o u p l i n g t h ea r t i c l e e x p a t i a t e s 也ed i f f e r e n c e b e t w e e n g e n e r a lo p e r a t i n gs y s t e r n a n d r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi nt h ea s p e c to f t a s ks c h e d u l i n gs t r a t e g y , i n t e r r u p td e l a ya n d s oo n t h u st h ea r t i c l ef u r t h e rd e f i n e st h a tr e a l - t i m em u l t i t a s ko p e m l i u gs y s t e ms h o u l d b eu s e da ss o f t w a r ef o o t s t o n eo f c o m m v m i c a t i o n m a n a g e r i no r d e rt os a u s f yt h ed e m a n d o f l l i g hr e a l t i m er e s p o n s e t h ea r t i c l ea l s oa n a l y s e sa n dc o m p a r e sv x w o r k s a n dq n x ， t h et w om o s tp o p u l a rr e a l t i m es y s t e m si nt h ew o r l da tp r e s e n t a n de x p l a i n sw h yw e c h o o s e0 n xa n dd i s c a r dv x w o r k s s i f a n g c o l t d p e r s i s t s i nt h e d i s t r i b u t i n gd e s i g np r i n c i p l ei n 妇 e j 删 卸曲阻n 刮i z 甜m s y s t e m c 棚s l z n t l y a c c c r d i n g 幻t h e p r i n c i p l e , t h ea r t i c l e i n t r o d u c e w h y w e u s e i n d u s t r y - c o n t r o lp r o d u c tb a s e do np c i 0 4 b u sa st h eh a r d w a r eo ft h ec o m m u n i c a t i o n m a n a g e r , s h o w st h en u m b e ro fs e r i a l ，e t h e m e ti n t e r f a c e a n dt h ea uc o m p o n e n t so f h a r d w a r e t h ea r t i c l ee x p a t i a t e st h ed e s i g np r i n c i p l eo fc o r es o f t w a r el a y e ra n da p p l i c a t i o n s o t t w a r e1 a y e ri nt h ec o m m u n i c a 吐o nm a n a g e ri nd e t a i l ，w h i c he m p h a s i z e so nt h e m i c m k e m e l ，i n d e p e n d e n c et op r o t o c o la n d o t h a tc h a m c t e r i s t i c si nc o l es o f t w a r el a y e r , a n da l s oi n t r o d u c e sh o ww e p a r t i t i o nt h ef u n c t i o nm o d u l e i na p p f i c a d o ns o f t w a r el a y e r a n dt h em a s s a g e sf l o wi nt h e s em o d u l e k e yw o r d s ：e m b e d d e d ，m i c r o k e m e l ，r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，c o m m u n i c a t i o n m a n a g e r , i n t e g r a t e d a u t o m a t i z a t i o ns y s t e m ，p c i 0 4b u s i i i 河海大学工程硕士专业学位论文 前言 随着电力系统大规模城网和农网改造工程的深入实施和电力系统用户运行 水平的不断提高，综合自动化系统得到越来越广泛的使用。通讯管理机作为综 自系统中的核心装置，在整套系统中起着承上启下的关键性作用，它把综自系 统和系统外的调度端或其它装置连接起来，在双方信息交换的过程中起着沟通 和桥梁的作用，通讯管理机的性能对整套综自系统有着直接的影响。 由于通讯技术、计算机技术的飞速发展，国内外电力自动化产品的主流生产 厂商都逐步推出了采用各种最新技术的综合自动化系统和通讯管理机。四方公 司作为国内电力自动化领域的领导制造商，凭着多年的技术积累和对新技术进 行深入研发的雄厚实力，于2 0 0 2 年成功研制并推出了基于最新嵌入式实时操作 系统的、高性能的新一代通讯管理机，使四方c s c 2 0 0 0 综自系统保持着一贯的 高技术水准，继续在国内占据着稳定的市场份额。 本文作者从初期就直接参与了该通讯管理机的研制工作并主要负责应用层 通讯规约程序的编写，对整个研制过程和设计思想有较深的了解。 该通讯管理机以q n x 操作系统为软件平台，由于q n x 操作系统的微内核 具有实时性很强的任务调度机制和非常短的中断延迟，使得我们的通讯管理机 能快速地响应众多间隔层装置上送的大数据量的非均衡性报文和来自调度端的 突发性命令，能满足较高实时性的要求。由于采用了基于p c i 0 4 总线的工业控 制产品为硬件平台，确保了通讯管理机的高稳定性和可靠性。再把四方公司多 年来在自动化通讯领域所积累的经验运用到应用层通讯规约程序的制作上，使 得通讯管理机完全能满足各种不同的使用要求。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。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或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了 谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 缝堕 2 0 0 4 年l o 月1 8 曰 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所，国家图书馆，中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 筮 堕2 0 0 4 年l o 月1 8 日 河海大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出和研制的意义 随着继电保护和自动化通讯的迅猛发展，电力系统变电站综合自动化正得 到越来越多的实际应用。地市一级的供电公司在争创国内及国际一流供电企业 的过程中都很明确地把变电站综合自动化无人值班的达标率作为一项硬性指标 来进行严格考核，不仅1 1 0 k v 及以下电压等级的变电站原则上都要具备综合自 动化无人值班的条件，连前几年还有争议的2 2 0 k v 及以上电压等级变电站的综 合自动化无人值班工作也已在大部分国家重点工程，比如三峡工程、西电东送 工程，和部分经济发达地区，比如广东、江苏、浙江等省大规模展开了。在对 这个巨大市场的争夺中，国内企业凭借着具有自主知识产权的技术，优惠的价 格和及时周到的服务占据着大部分的市场份额。 变电站综合自动化系统中的两大重点就是继电保护和自动化通讯。继电保 护专业由于长时间没有理论上的重大突破，其发展是比较平稳的，这也使得国 内各大企业的继电保护产品越来越趋向同质化，仅仅在产品人机界面的友善性 和方便性，装置维护的简易性和可操作性，整定计算的灵活性和适应性等方面 体现出一些差异。由于计算机技术、通信技术和网络技术的飞速发展和广泛应 用，自动化通讯正在发生深刻的变化，传统的集中、低速、专用封闭式的远动 系统将向开放、高速、综合的网络化方向发展，通过局域网互联和广域网互联， 实现系统信息资源的共享利用“。，特别是嵌入式以太网的出现为自动化通讯的 实现提供了新途径“。 最近几年的国际大电网会议上，变电站自动化和通信技术受到了前所未有 的关注，保护和控制方面几乎所有的文章都不同程度地涉及和讨论了通讯问题， 新的通讯技术使变电站自动化获得了成功，降低了变电站保护和控制设备的成 本，受到了电力用户的青眯“3 。目前，最新一代无缝通信体系的国际标准 i e c 6 1 8 5 0 及其国内相关配套标准即将推出”3 ，国内有的地方已经要求通过广域 网方式传递远动信息，比如国调中心要求重要的厂站采用t a s e 2 或d i a 7 6 9 2 网络协议传输数据、江苏省调要求重要的厂站采用i e c 8 7 0 5 1 0 4 网络协议传输 数据。可以预见，在不久的将来通过因特网、电话拨号等网络化方式传递变电 站内各种信息将是大势所趋。另一方面，在变电站内不同厂家的各种智能设备， 1 第一章绪论 比如保护装置、智能电度表、集中电度采集器、直流屏、消弧线圈控制装置、 集中式小电流接地选线装置、绝缘检测装置、空调控制器、独立的v o c 装置、 集中录波器等都要联到监控、远动等信息处理主站，这些设备由于生产年代和 技术水平各不相同，各生产厂家各自执行自己的通讯模式，造成了不同厂家之 间设备之间通信连接的困难，特别在低电压等级变电站和老站改造中，这种情 况更为普遍。尽管i e c 在1 9 9 7 年就已经颁布了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 规约，我国经 贸委也在1 9 9 9 年就颁布了1 0 3 规约的国内版本d i _ t 6 6 7 1 9 9 9 ，并在2 0 0 0 年的 南昌会议上进行了宣贯，明确了变电站内的智能设备都要采用1 0 3 规约”。，但 要所有设备都符合1 0 3 标准尚需时日，更何况大量已投入运行而无法更改通讯 协议的设备。 因此，在综合自动化站内能高效、经济、方便地进行各个层面f 包括间隔 层和站控层、站控层和调度端) 的通讯协议转换，能适应现存的各种通讯介质 ( 包括同步异步的r s 2 3 2 r s 4 8 5 r s 4 2 2 串口、2 0 m a 电流环以及t c p f l p 网络 等) ，能满足高速实时性能要求，且方便工程制作和调试的通讯管理机就成了 各厂家综合自动化系统中的核心组成部分之一，其性能的优劣和使用的方便性 和普适性决定着整套综合自动化系统的技术水准和市场认同度，因此国内外各 大公司都竞相研制出了高性能的通讯管理机。 1 2 国内外通讯管理机产品的现状 从1 9 9 9 年开始国家投入巨资对全国的城网和农网进行了大规模的升级改 造，这极大地促进了国内电力系统厂站自动化事业的发展，在此过程中逐渐形 成了以南瑞继保、南瑞科技、四方公司、国电南自和许继电气等为代表的国内 电力自动化领域的主流厂商，这些厂商以其各有特色的综合自动化系统和通讯 管理机在国内市场占据着主导地位，引领着国内电力自动化技术发展的潮流。 1 2 1 南瑞科技公司的通讯管理机 南瑞科技公司的前身是南京电力自动化研究院中的系统所和电网所，是国 内电力自动化技术的开拓者，该公司在国内最早把u n i x 操作系统用于电力自动 化通信领域，迄今已有2 0 年左右的历史，一直是u n i x 操作系统最成功的应用 者，在u n i x 操作系统的使用上有着很深的积淀。该公司主打综自系统中的通讯 管理机就充分体现了其u n i x 的鲜明特色，通讯管理机就是一台运行u n i x 系统 的一体化工控机，该方案的优点是显而易见的：依托一体化工控机的比较过硬 2 河海大学工程硕士专业学位论文 的硬件平台，充分利用u n i x 操作系统的高稳定性和安全性来完成各种通讯功能。 在整套综自系统中，通讯管理机既是站控层装置和系统层计算机之间的前置机， 同时又充当r t u 和规约接入器的角色，功能上的集成度是很高的。由于u n i x 支持n f s 文件系统和具有自宿主特性，研发和工程制做中需要的源文件和数据 文件都可以在后台机上生成，用网络方式下载到通讯管理机中，在通讯管理机 上就直接可以进行程序的编译、链接和调试；也可以后台机上通过远程登录等 工具对通讯管理机中的源文件和数据文件进行编辑、修改等操作，进行程序的 编译、连接和调试；该通讯管理机同时支持自宿主开发方式和交叉开发方式， 使用和维护起来都很方便。该通讯管理机的不足主要是功能上的集成度太高， 整个综自系统中不同层面、不同优先级、不同重要性的所有通讯工作都集中在 1 - 2 台管理机上，显得层次有些混乱，增大了工程实旌中各通讯任务之间相互制 约的可能，加大了通讯任务划分的难度，降低了通讯管理机的效率，使得通讯 管理机成为整个综自系统中的通讯瓶颈和故障瓶颈，不符合分层分布式的原则。 另外u n i x 操作系统是多任务操作系统而不是实时操作系统，系统内核很大，任 务之间切换的时间也相对较长，在对响应实时性指标有较高要求的高电压等级 变电站中使用时会有一定障碍。 1 2 2 南瑞继保护公司的通讯管理机 南瑞继保公司的前身是南京电力自动化研究院中的保护所，一直执国内继 电保护领域的牛耳，近年来大规模地涉足电力系统综合自动化领域，取得了不 俗的业绩，r c s 9 6 9 8 是其r c s 9 0 0 0 综自系统中的总控单元，起到通讯管理机的作 用。r c s 9 6 9 8 采用了v x w o r k s 嵌入式实时多任务操作系统，v x w o r k s 的微内核 具有全部实时特性，采用了商速的优先级抢占调度和轮转调度机制，系统本身 的开销很小，任务调度、任务间通信和中断处理精练而高效，延迟很短，对外 部事件有极小且确定的响应时间，集成了标准的t c p i p 网络功能”1 ，操作系统 本身的优秀特征使得r c s 9 6 9 8 在对实时性指标要求很高的场合也能使用。由于 r c s 9 6 9 8 既是站控层装置和系统层计算机之间的前置机，同时也充当r t u 和规 约接入器的角色，功能上的集成度也很高，为使r c s 9 6 9 8 避免成为整套综自系 统的瓶颈，r c s 9 6 9 8 硬件主要由一个基于4 8 6 d x 4 的嵌入式p c 系统和一个以 高档8 0 2 9 6 单片机构成的智能通信接口组成。由两个c p u ：4 8 6 d x 4 ( 1 0 0 m h z ) 和8 0 2 9 6 ( 4 0 m h z ) ，分别承担实时通信任务。8 0 4 8 6 负责应用处理任务调度， 8 0 2 9 6 连接多个串口负责底层的收发和链路处理。1 0 0 m h z 的4 8 6 提供了强大 3 第一章绪论 的处理能力和充足的系统资源( 8 m 内存用于存储实时数据，8 m 电子盘存储 程序和配置) ，并提供了与后台的以太网连接。通过两个c p u 的分工合作确保 了变电站自动化系统在各种复杂情况下的实时通信性能“。在软件上，采用面 向对象的方法，通过对变电站自动化通信任务的分析和研究，建立多个独立的 通信模块，在此基础上，构成良好的软件框架结构，通过与硬件的良好配合， 实时、可靠、稳定、高效地完成变电站自动化系统通信任务。1 。r c s 9 6 9 8 的不 足之出在于v x w o r k s 操作系统不具各自宿主特征，只能用交叉式开发模式，即 所有的编辑、编译、链接和调试工作只能通过后台宿主机进行( 宿主机上的工 具软件做的很全面和完善) ，必须要有一台运行w i n d o w s 等通用操作系统的宿 主机和r c s 9 6 9 8 配合才能进行程序的修改和调试等工作，或用b d m 方式进行 调试，这要么造成成本的增加，要么造成工程制作和调试的困难。另外双c p u 的任务分工虽然从一定程度上分解了通讯瓶颈，但多出了2 个c p u 之间的通讯 任务开销，8 0 2 9 6 上仍然同时承担着远动通讯和各种外厂家规约进入系统的通讯 任务，分层分布的特点体现的不是很充分。 1 2 3 国电南自的通讯管理机 国电南自是国内电力自动化领域中的老牌厂商，凭借其产品的一贯连续性 和对市场的独到把握，在国内市场始终占有一定的份额，p s 6 0 0 0 是其主流的厂 站综自系统，而p s x 6 0 0 和p s x 6 4 3 共同组成了其通讯管理机。p s x 6 0 0 是p s 6 0 0 0 中的远动服务器，起着r t u 的作用；而p s x 6 4 3 是规约接入装置。p s 6 0 0 0 系统 采用的是等节点通讯模式，整套系统中没有所谓的前置机，后台监控机和远动 服务器都是网络上的平等节点，各自直接和站控层装置通讯，p s x 6 0 0 并不担负 站控层装置和系统层计算机之间的通讯任务，负担大为减轻。p s x 6 0 0 采用嵌入 式的n u c l e u sp l u s 实时多任务操作系统”。，该操作系统不是微内核的，系统内 核中包含了设备驱动程序等部分使得内核较大，一定程度上影响了实时响应速 度和运行效率。p s x 6 0 0 上的硬件资源很丰富，有3 个以太网口和1 0 个 r s 4 2 2 4 8 5 2 3 2 串口，通过编程处理这些资源既可以用做系统内网的通讯，也可 以用做和系统外设的通讯。规约接入装置p s x 6 4 3 是共生在一个机箱中的多块 c p u 板的组合，每块c p u 板都是一个完整的、独立的软硬件系统，可以各自独 立运行，每块c p u 板都有3 个以太网口和2 个r s 4 2 2 4 8 5 2 3 2 串口，通过编程 处理这些资源既可以用做系统内网的通讯，也可以用做和系统外设的通讯。 p s x 6 0 0 和p s x 6 4 3 充分体现了分层分布的原则，各种不同层面、不同优先级、 4 河海大学工程硕士专业学位论文 不同重要性的通讯任务在各自独立的小装置中运行，使得整套综自系统中没有 通讯瓶颈和故障瓶颈。但由于n u c l e u s p l u s 既不具各自宿主特征，宿主机上的 工具软件又很粗燥，这使得n u c l e u sp l u s 既不能采用自宿主开发方式也不能采 用交叉开发方式，只能用b d m 方式，这给工程制作和调试带了困难。p s x 6 0 0 和p s x 6 4 3 在硬件构成和软件思路这两方面都不一致，加大了生产、服务和维 护的成本，增加了工程制作和调试的困难：且p s x 6 4 3 中的1 块c p u 上的接口 资源过少，白白浪费了c p u 和n u c l e u sp l u s 的性能，显得不经济，增加了整 套综自系统的集成成本。 1 2 4a b b 的通讯管理机 华东电网自1 9 9 8 年以来新建的5 0 0 k v 厂站采用了很多a b b 公司的微机型保 护，这些保护装置本身有卜2 个光纤环网接口供联网用。一般的做法是把站内 的所有装置先组成光纤环网，再经过光电转换变成串口，接到站内的通讯管理 机c 0 t d 5 0 0 上，c 0 t d s 0 0 通过m o d e m 可以和调度端计算机相连，通过提供通信协 议可以进行协议解释和规约转换，c o m 5 0 0 也可以和站内的自动化系统相连。其 实c o m 5 0 0 就是一台基于w i n d o w sm 操作系统、运行a 1 3 b 公司专用软件的计算 机，其实时性不是太高，但a b b 保护装置本身可以存储大数据量的录波和采样 值信息，用户主要是在故障后通过c o m 5 0 0 从装置中读取录波数据和采样数据， 并不强调其上送实时数据的能力。华东电网5 0 0 k g 泗泾、杭东等工程就采用该 方案 1 。3 本文的主要研究内容 四方继保和控制公司是国内继电保护和电力自动化领域的后起生力军，具 有不断创新的革新精神，于1 9 9 5 年在国内率先推出了全分层分布式的综自系统 c s c 2 0 0 0 ，于2 0 0 0 年在国内率先把工业以太网技术应用到电力系统厂站自动化 中，使得c s c 2 0 0 0 系统在国内的中高压变电站中占据了稳定的市场份额。0 5 0 2 0 0 0 系统中以前的通讯管理机组成和国电南自p s 6 0 0 0 系统的情况有些类似，分别由 两个完全不同的装置来完成远动服务器和规约接入的功能，在硬件构成和软件 思路这两方面都不一致，加大了生产、服务和维护的成本，增加了工程制作和 调试的困难；且采用的不是实时操作系统，在对实时性要求较高的场合使用显 得力不从心，为此四方公司于2 0 0 1 年底立项研制新一代基于嵌入式实时多任务 操作系统的通讯管理机，根据对国内外同类产品的技术调研和对国内市场用户 第一章绪论 需求的分析，我们对新品的性能提出了如下主要要求： 用微内核的嵌入式实时多任务操作系统，使得应用软件能建立在实时响应性 好、任务调度和切换速度快、系统开销小的基础上，这样才能满足高电压等 级变电站对实时洼的高要求。 为加快研制进度，硬件平台要可靠，要易于集成，要尽可能多的支持各种 资源，对操作系统和应用软件的适应性要强，便于今后的再开发和向更高级 软件平台的跨越。 内核层软件和应用层软件的藕合度要尽可能的低，便于今后的工程实施和维 护。 该通讯管理机己于2 0 0 2 年上半年研制成功并批量投入使用一直至今，达到 了预期的研制要求。本文作者参与了整个研制过程的始终，并承担了远动通讯 规约的开发任务。本文采用理论和实践相结合的方式，就产品研制过程中的软 硬件平台的选择思路、内核软件和应用软件的主要设计思想展开叙述和论证， 目的是分析出该通讯管理机研制成功的技术性因素，以供同行参考。 本文的章节安排如下：第二章叙述选择q n x 嵌入式实时多任务操作系统的 原因和目的；第三章叙述选择p c i 0 4 结构硬件平台的理由及其可扩展性；第四 章叙述内核软件的架构和特点：第五章叙述在内核软件上进行应用软件研发的 思路及其具体做法；第六章列举了该通讯管理机在重大工程中的应用实例，总 结了其整体设计思想，分析总结了目前还存在的不足之处，对未来通讯管理机 的发展趋势进行了展望。 6 河海大学工程硕士专业学位论文 第二章选择o n x 嵌入式实时多任务操作系统 2 1 嵌入式实时多任务操作系统的优势n 町叫2 朝 2 1 1 通用操作系统和实时操作系统的区别 我们经常遇到的操作系统基本可以分为通用操作系统和实时操作系统，像 w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 等就是通用操作系统，而像v x w o r k s 、q n x 、n u c l e u s 等就是 实时操作系统。 通用操作系统是由分时操作系统发展而来，大部分都支持多用户和多进程，负 责管理众多的进程并为它们分配系统资源。分时操作系统的基本设计原则是：尽量 缩短系统的平均响应时间并提高系统的吞吐率，在单位时间内为尽可能多的用户请 求提供服务。由此可以看出，分时操作系统注重平均表现性能，不注重个体表现性 能。如对于整个系统来说，注重所有任务的平均响应时间而不关心单个任务的响应 时间；对于某个单个任务来说，注重每次执行的平均响应时间而不关心某次特定执 行的响应时间。通用操作系统中采用的很多策略和技巧都体现出了这种设计原则， 如虚存管理机制中由于采用了l r u 等页替换算法，使得大部分的访存需求能够快速 地通过物理内存完成，只有很小一部分的访存需求需要通过调页完成，但从总体上 来看，平均访存时间与不采用虚存技术相比没有很大的提高，同时又获得了虚空间 可以远大于物理内存容量等好处，因此虚存技术在通用操作系统中得到了十分广泛 的应用。类似的例子还有很多，如u n i x 文件系统中文件存放位置的间接索引查询机 制等，甚至硬件设计中的c a c h e 技术以及c p u 的动态分支预测技术等也都体现出了 这种设计原则。由此可见，这种注重平均表现，即统计型表现特性的设计原则的影 响是十分深远的。 对于实时操作系统，它除了要满足应用的功能需求以外，更重要的是还要满足 应用提出的实时胜要求，而组成一个应用的众多实时任务对于实时眭的要求是各不 相同的，此外实时任务之间可能还会有一些复杂的关联和同步关系，如执行顺序限 制、共享资源的互斥访问要求等，这就为系统实时性的保证带来了很大的困难。因 此，实时操作系统所遵循的最重要的设计原则是：采用各种算法和策略，始终保证 系统行为的可预测性( p r e d i c t a b i l i t y ) 。可预测性是指在系统运行的任何时刻，在 任何情况下，实时操作系统的资源调配策略都能为争夺资源( 包括c p u 、内存、网络 带宽等) 的多个实时任务合理地分配资源，使每个实时任务的实时性要求都能得到满 第二章选择q n x 嵌入式实时多任务操作系统 足。与通用操作系统不同，实时操作系统注重的不是系统的平均表现，而是要求每 个实时任务在最坏情况下都要满足其实时性要求，也就是说，实时操作系统注重的 是个体表现，更准确地讲是个体最坏情况表现。 由此可以看出通用操作系统和实时操作系统最大的差异就体现在通用操作系统 考虑的是系统的平均表现，为了平均响应时间而不关心单个任务的响应时间：而实 时操作系统要求每个实时任务在最坏情况下都要满足其实时性要求。在高电压等级 厂站综自系统中由于站控层装置数量众多，每台装置的信息量很大尤其当发生故障 时，各外部系统经常对其施加突发命令( 比如调度端的遥控命令、读取定值的操作、 调故障录波信息等) ，使得通讯管理机要处理的信息量很大且信息量有很强的非均衡 性，在某个微小的时刻上可能有连续突发的事件要求处理，若处理不及时就将导致 有用信息丢失或操作拒动，因此在这样的系统中平均响应时间可以说是毫无用处的， 起主导作用的将是最坏情况的响应时间，所以像w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 等通用操 作系统是不能满足高电压等级厂站中实时性的高要求的，这样的操作系统是不符合 我们的要求的。 2 1 2 实时操作系统的特点 实时操作系统对外部事件做出反应的时间必须要快，在某些情况下还需要是确 定的和可重复的，不管系统当时的内部状态如何，都是可预测的。 实时操作系统处理的外部事件往往不是单一的，而是同时出现的，而且发生的 时刻也是随机的，即异步的。实时操作系统都具有异步i o 和中断处理能力，且中 断延迟时间是确定的。 通用操作系统中的任务调度策略一般采用基于优先级的抢先式调度策略，对于 优先级相同的进程则采用时间片轮转调度方式，用户进程可以通过系统调用动态地 调整自己的优先级，操作系统也可根据情况调整某些进程的优先级。实时操作系统 大都采用固定优先级抢先式调度方式，即各进程的优先级是固定不变的，并且该优 先级是在运行前通过某种优先级分配策略( 如r a t e - m o n o t o n i c 、 d e a d l i n e m o n o t o n i c 等) 来指定的，高优先级任务一旦准备好运行就马上抢占低优 先级任务的执行，实时操作系统就是用这种抢占式的任务调度策略来保证响应时间 的。 实时操作系统为保证快速的响应时间，一般都具备把程序或部分程序锁定在内 存的能力，这样可以减少为获取该程序而访问盘的时间。 总的来说，实时操作系统是事件驱动的( e v e n t d r i v e n ) ，能对来自外界的作用 和信号在限定的时间范围内做出响应。它强调的是实时性、可靠性和灵活性，与实 河海大学工程硕士专业学位论文 时应用软件相结合成为有机的整体，起着核心的作用，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。 2 1 3 嵌入式的实时多任务操作系统 实时系统一定是多任务的，目前大多数实时系统都是嵌入式应用的系统，所谓 的嵌入式应用就是一种计算机部件内装于专用设备或系统的应用。嵌入式实时操作 系统具有规模小( 一般在几十k b 以内) 、可固化使用、实时性更强( 在毫秒或微秒 级数量上) 的特点。近十年来嵌入式实时操作系统得到飞速发展，从支持8 位微处 理器到1 6 位、3 2 位甚至6 4 位，从支持单一品种的微处理器芯片到支持多种微处理 器芯片，从只有实时内核到除了内核外还提供其它功能模块，如高速文件系统、 t c p i p 网络系统、g u i 图形界面等。目前国际主流的嵌入式实时操作系统都遵循了 微内核( m i o r o k e m e l ) 的设计思想并正在向超微内核( n a n o k e m e l ) 思想发展，所谓 的微内核就是把传统操作系统中许多共性的东西抽象出来，构成操作系统的公共基 础，即微内核，真正具体的操作系统功能则由构造在微内核之外的服务器实现，这 是一种机制与策略分离的开放式设计思路。微内核用水平结构代替了传统的垂直的 分层结构，操作系统组件放在微内核外部，实现服务器进程，他们的相互作用变成 了对等地、典型地通过微内核传递消息，微内核功能成了消息交换，它验证消息， 在组件之间传递它们，并且允许访问硬件。 微内核组织具有如下的优点： ( 1 ) 接e l 一致( u n i f o r m i n t e r f a c e ) 。所有进程请求使用统一的接口，进程不需要 区分是内核模式服务还是用户模式服务，因为这些服务都通过消息传递来提供。 ( 2 ) 扩展性( e x t e n s i b i l i t y ) 好。微内核结构允许加入新的服务，支持在同一功能 区内提供多重服务。 ( 3 ) 移植性( p o r t a b i l i t y ) 好。微内核结构中所有特定处理机的代码仅仅存在于微 内核中，所以当把这个系统移植到新处理机时需要做的变化可以尽可能地减少。 ( 4 ) 可靠性( r e l i a b i l i t y ) 高。软件规模越大，确保可靠性就越难，微内核正好可 以帮助解决这个问题。一个小型微内核可以严格地进行测试，它使用少量的应用程 序接口，有助于内核模式之外的操作系统服务代码提高质量。系统只需要掌握一个 有限数量的a p i ，程序员之间的相互交互也有限，因而对于系统其它组件的影响最 小。 ( 5 ) 分布系统支持( d i s t r i b u t e ds y s t e ms u p p o r t ) 。微内核适合于由分布操作系统 控制的群集系统。 综上所述，嵌入式实时多任务操作系统是我们研制对实时眭要求较高的通讯管 9 第二章选择q n x 嵌入式实时多任务操作系统 理机时首选的操作系统，而u n i x 尽管在上个世纪7 0 年代就已经发展到了几乎完美 的程度，但由于其实时性指标不高而不能采用：同理，尽管l i n u x 是开放源代码的 操作系统，使用是几乎没有成本的，但也由于其实时性指标不高而被我们舍弃了。 2 2 目前国际主流的嵌入式实时操作系统简介 据嵌入式系统编程f e m b e d d e d s y s t e m sp r o g r a m m i n g ) 杂志的报告，世界各国的 大约4 0 多家软件公司已成功推出了2 0 0 余种嵌入式实时操作系统，其中几个最著名 的操作系统是：美国w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s ，加拿大q u a n t u m s o f t w a r es y s t e m s 公司的q n x ，美国m i c m t e cr e s e a r c h 公司( m r _ o 的v r t x ，l y n xr e a l t i m es y s t e m s 公司的l y n x 以及i n t e g r a t e ds y s t e m 公司( i s i ) 的p s o s 。我们通过因特网对这些操 作系统在不同行业的市场占有率和在国际国内哪些知名公司得到应用的情况进行了 扫描式查找，最终把选择的范围集中在v x w o r k s 和q n x 这两种实时操作系统上。 2 2 1w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s “1 v x w o r k s 是美国w i n d r i v e r 公司推出的一种嵌入式实时操作系统f r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ) ，自上世纪8 0 年代初开始涉足商业化嵌入式实时操作系统市场以 来，依据其良好的持续发展能力、高性能的内核，逐渐成为业界具有领导地位的公 司。其主要的商业用户包括c i s c os y s t e m s 、b a yn e t w o r k s 、3 c o m 、h p 、l u c e n t 等 国际知名公司，应用实例包括著名的火星探测车和爱国者导弹等全工产品。 v x w o r k s 的主要优点如下： ( 1 ) 具有1 个高性能的操作系统内核w n d 。w n d 是一个具有较高性能的、标 准的嵌入式实时操作系统内核，主要特点包括快速多任务切换、。抢占式任务调度、 任务间通信手段多样化等。该内核具有任务间切换时间短、中断延迟小、网络流量 大的特点。需要说明的是v x w o r k s 有两种不同的任务调度策略，一种是以可抢占式 调度为基础并辅以时间片轮转调度算法，这种算法使得v x w o r k s 能及时地响应高优 先级的任务，而同级任务间则可以选择时间片轮转法使多个同优先级的任务并发地 执行，在v x w o r k s 的商业版本中都采用的是这种调度策略。而v x w o r k s 在军工方 面的成功案例上使用的是另一种静态表驱动调度策略，静态表驱动方式是指在系统 运行前工程师根据各任务的实时要求用手工的方式或在辅助工具的帮助下生成一张 任务的运行时间表，这张时间表与列车的运行时刻表类似，指明了各任务的起始运 行时间以及运行长度，运行时间表一旦生成就不再变化了，在运行时调度器只需根 据这张表在指定的时刻启动相应的任务即可。v x w o r k s 采用中断处理与普通任务分 别在不同的栈中处理的中断处理机制，这使得中断的产生只会引发一些关键寄存器 河海大学工程硕士专业学位论文 的存储而不会导致任务的上下文切换，从而减小了中断延迟；另外v x w o r k s 在内核 中普遍采用互斥信号量而不是关中断来实现互斥访问的方法也对缩小中断延迟有一 定的贡献。 ( 2 ) v x w o r k s 有友好的交叉开发调试环境，便于操作、配置和应用程序的开发。 ( 3 ) v x w o r k s 具有良好的兼容性，比如其t c p i p 协议栈与b s d 4 4 版本的t c p i p 除了在实时性方面有较大差异外，其它方面基本兼容。 ( 4 ) v x w o r k s 支持多种运行环境，可以在p o w e r p c 、6 8 k 、c p u 3 2 、s p a r c 、i 9 6 0 、 x 8 6 、a r m 等众多c p u 上运行，并支持i l i s c 、d s p 等技术。 在具备以上优点的同时v x w o r k s 自身也有不少缺陷。 ( 1 ) v x w o r k s 的任务间通信机制有一定的缺陷。v x w o r k s 支持多种任务间通信 的机制，如管道、互斥信号量、共享数据结构、消息队列、套接字及信号，但不支 持两种最基本的手段即邮箱和事件。无事件机制使得在实现多个任务在多个事件间 同步增长时必须由应用程序开发者开发某种同步这些任务的机制来替代事件同步手 段。而无邮箱机制则使这两个任务在交换最新信息时不得不使用消息队列，从而影 响了交换信息的速度。 ( 2 ) v x w o r k s 对g u i 图形界面的支持不足。v x w o r k s 强调的开发、调试手段大 都是在宿主机上进行的，而目标机本身的操作能力显得有些欠缺，对图形界面的支 持明显不足。 ( 3 ) v x w o r k s 的技术支持不足。v x w o r k s 的帮助文档缺乏必要的细节。例如， 如何应用系统提供的大约1 8 0 0 个a p i 进行应用程序开发、各组件功能的具体描述 和实现过程等。如何在不同硬件环境上移植v x w o r k s 的b s p 文档也讲得较为肤浅。 增加了学习和掌握v x w o r k s 的难度，也延长了掌握它的时间。 2 2 2q u a n t u ms o f t w a r es y s t e m s 公司的q n x “1 “3 位于加拿大首府渥太华的q u a n t u ms o f t w a r es y s t e m s 软件系统有限公司成立于 1 9 8 0 年，是创新主导型公司。在2 0 多年的时间里，q n x 公司与时俱进，不断推出代表 时代技术水平的实时操作系统，包括q n x 2 、q n x 4 和当前q n x 6 ，是当之无愧的行业领 袖。传统上，q n x 实时操作系统应用于自动化、控制、机器人科学、电信、数据通信、 航空航天、计算机网络系统、医疗仪器设备、交通运输、安全防卫系统、p o s 机、零 售机等任务关键型或生命修关型应用领域：1 9 9 0 年代后期以来，q n x 系统在高速增长 的因特网终端设备、信息家电及掌上电脑等领域也得到了广泛应用。q n x 主要的商业 用户包括贝尔实验室( b e l l ) 、西门子( s i e m e n s ) 。 q n x 最早的版本是1 9 8 0 年发布的q n x 2 ，工作在8 0 1 8 6 上；其后，这个版本的q n x 第二章选择q n x 嵌入式实时多任务操作系统 系统被升级到q n x 3 以提供保护模式支持，目前q n x 公司已经停止对这个版本的q n x 实 时操作系统提供技术支持，但国内外有很多基于这个版本q n x 系统的产品目前还在良 好地工作着，这正是q n x 实时操作系统的魅力所在。在8 0 x 8 6 芯片支持保护模式后， q n x 公司又重新从头设计，推出了q n x 4 。这个版本的q n x 系统2 0 0 1 年以前在已有q n x 系统中占有主导地位，国内q n x 用户也主要以这个版本的q n x 系统为主。q n x 4 工作在 i n t e l8 0 3 8 6 到p