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    嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在運(yùn)載火箭中的應(yīng)用研究

    2013-12-05 05:10:28宋征宇
    航天控制 2013年3期
    關(guān)鍵詞:故障功能設(shè)備

    宋征宇

    北京航天自動控制研究所,北京100854

    1 概述

    嵌入式操作系統(tǒng)是否適合運(yùn)載火箭飛行控制的應(yīng)用,一直存在不同意見。一種觀點(diǎn)認(rèn)為,現(xiàn)有的“中斷+循環(huán)”的運(yùn)行方式能夠滿足任務(wù)需求,而采用操作系統(tǒng)會增加軟件的復(fù)雜性,軟件應(yīng)越簡單越好。而隨著技術(shù)發(fā)展,飛行軟件發(fā)揮的作用在增加,因?yàn)槟芎喕布O(shè)計(jì),并增加系統(tǒng)的靈活性,因此在傳統(tǒng)控制功能外增加了諸如故障診斷與重構(gòu)、總線通訊、數(shù)據(jù)管理等功能,同時(shí)數(shù)字化導(dǎo)致智能設(shè)備增多,多任務(wù)的特點(diǎn)愈發(fā)明顯,操作系統(tǒng)的研究開始受到重視。

    操作系統(tǒng)在國外航天器中已經(jīng)得到了應(yīng)用,如美國[1-3]火星探測、彗星撞擊以及運(yùn)載火箭等均有采用,類型包括了VxWorks,ThreadX 以及早期的RTEMS 等。國內(nèi)航天系統(tǒng)也開展了操作系統(tǒng)的研究[4],但還未形成廣泛的應(yīng)用,尤其在運(yùn)載火箭領(lǐng)域。在航空系統(tǒng),相關(guān)研究所與美國Wind River 公司在上海聯(lián)合建立了“嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)室”,用于推廣操作系統(tǒng)的應(yīng)用[5]。本文將結(jié)合我國運(yùn)載火箭的實(shí)際情況,對是否需要操作系統(tǒng)、如何使用操作系統(tǒng)等問題進(jìn)行探討。

    2 飛行軟件的現(xiàn)狀及操作系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)劣分析

    2.1 飛行軟件的發(fā)展

    早期的飛行控制軟件,主要從事制導(dǎo)計(jì)算,屬“計(jì)算型”的軟件。隨著數(shù)字控制方案的普及,機(jī)電式程序配電器等設(shè)備逐漸被電子式時(shí)序控制器替代,飛控軟件增加了分離、調(diào)姿等控制功能,軟件發(fā)展為“計(jì)算+控制”型,但控制功能相對簡單,主要是固定時(shí)間間隔的指令控制,上述情況下由于功能以及速度等的要求,均未采用操作系統(tǒng)。隨著載人航天工程的發(fā)展,各種冗余設(shè)計(jì)技術(shù)廣泛采用,軟件在故障檢測與管理中發(fā)揮了重要作用,這部分代碼量開始增加?;仡欉^去展望未來,軟件的發(fā)展面臨著以下情況:

    1)硬件接口種類增多,且有智能化的趨勢

    接口智能化,意味著主處理器與接口電路之間不再適用單條I/O 指令的控制,存在著通訊、應(yīng)答以及時(shí)序要求,響應(yīng)時(shí)間也不再是確定不變的,取決于智能接口當(dāng)時(shí)的狀態(tài)。

    2)有優(yōu)先級要求的中斷和任務(wù)增多

    各個(gè)智能設(shè)備按自身的節(jié)拍來工作及通訊,整個(gè)系統(tǒng)本質(zhì)上是異步的。為了保證對各設(shè)備控制的實(shí)時(shí)性,中斷會逐漸增多。同時(shí),信號的重要程度有優(yōu)先級之分,原有多數(shù)任務(wù)順序執(zhí)行的基礎(chǔ)已不再存在。

    3)軟件配置項(xiàng)之間的交互增多

    數(shù)字化帶來軟件配置項(xiàng)大增,要保證軟件間信息交互的完整性、同步性和實(shí)時(shí)性,避免資源的沖突和死鎖等。

    4)故障診斷的工作量增多

    軟件在冗余系統(tǒng)中發(fā)揮重要的故障診斷工作,但增加了軟件的復(fù)雜性,降低了軟件固有可靠性。

    上述4個(gè)方面均導(dǎo)致軟件復(fù)雜度和代碼量增加,并又帶來了以下2個(gè)方面的特點(diǎn):

    1)傳統(tǒng)飛行控制代碼量所占比例70%以下

    I/O 管理、冗余管理、總線通訊等非傳統(tǒng)的飛行控制代碼量達(dá)到或突破總量的30%。

    2)傳統(tǒng)飛行控制代碼的測試用例數(shù)量所占比例50%以下

    以某軟件為例,采用“中斷+循環(huán)”模式,只統(tǒng)計(jì)圈復(fù)雜度超過10 和扇出數(shù)大于7 的模塊,因?yàn)檫@些模塊基本決定了測試用例的分布,如表1 所示。

    表1 某軟件靜態(tài)分析結(jié)果及測試用例統(tǒng)計(jì)

    表1 中前3 項(xiàng)在圈復(fù)雜度所占總數(shù)達(dá)到了38.17%,扇出數(shù)所占總數(shù)達(dá)到了83%,這意味著將有大量的測試用例花費(fèi)在這些功能上;而另一方面,計(jì)算模塊路徑單一,例如,18個(gè)通用制導(dǎo)計(jì)算模塊以及22個(gè)姿控計(jì)算模塊中的20個(gè),圈復(fù)雜度均低于10。從實(shí)際測試用例數(shù)量上看,與控制功能密切相關(guān)的測試用例只占53.22%。

    以上分析雖是一個(gè)具體的案例,但具有代表性。進(jìn)一步考慮未來應(yīng)用,諸如上面級長時(shí)間在軌飛行等,故障恢復(fù)、并行處理等需求會逐漸增加,非傳統(tǒng)控制功能的代碼量和測試用例所占比例還會增多。鑒于此,本文將上述6個(gè)特征作為采用操作系統(tǒng)的基本前提條件。

    2.2 操作系統(tǒng)的優(yōu)劣分析

    隨著硬件產(chǎn)品性能的提高,操作系統(tǒng)的大小及對運(yùn)算速度的影響等因素不再顯得那么突出,評價(jià)其優(yōu)劣的主要出發(fā)點(diǎn)還是對軟件可靠性的影響。從這方面其優(yōu)點(diǎn)有以下幾方面:

    1)能夠顯著降低軟件質(zhì)量問題

    根據(jù)控制系統(tǒng)2006 ~2011年的不完全統(tǒng)計(jì),軟件典型質(zhì)量問題分布如下表所示。硬件初始化、I/O的管理、中斷管理、共享資源的管理等均是較為適合操作系統(tǒng)完成的工作,如果操作系統(tǒng)是成熟的,將會顯著降低上表中“初始化”、“中斷使用錯(cuò)誤”、“接口不匹配”、“并發(fā)與競爭類錯(cuò)誤”等問題的發(fā)生,這類問題占目前總質(zhì)量問題的49.1%。

    表2 軟件典型質(zhì)量問題分類及分布

    上述問題的主要起因,是由于不同項(xiàng)目組重復(fù)開發(fā),設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)沒有得到充分利用,既浪費(fèi)資源,也帶來眾多質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)以及測試驗(yàn)證工作。如果用操作系統(tǒng)來統(tǒng)籌上述功能,將能減少這些錯(cuò)誤的發(fā)生,同時(shí)更多型號的應(yīng)用能夠進(jìn)一步提高操作系統(tǒng)的成熟度。

    2)提高軟件的重用度

    操作系統(tǒng)自身的功能不用重新開發(fā)(當(dāng)然可能會隨著硬件的變化進(jìn)行增補(bǔ)),這體現(xiàn)了重用的一方面;另一方面,操作系統(tǒng)還能使應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)對底層硬件的不相關(guān)性,促使飛行軟件設(shè)計(jì)人員將各種算法的編程與其他功能很好地剝離出來,降低不同功能之間的耦合性,有利于重用。此外這也可以減少“平臺相關(guān)錯(cuò)誤”,與前述統(tǒng)計(jì)合計(jì),操作系統(tǒng)可以解決的問題已超過了問題總數(shù)的50%。

    3)分散技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

    傳統(tǒng)飛行軟件的功能和風(fēng)險(xiǎn)將由應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)共同承擔(dān);隨著操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專業(yè)化、廣泛的推廣應(yīng)用以及成熟度的不斷提升,這部分的風(fēng)險(xiǎn)也在降低,從而分散和降低了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

    上述分析的出發(fā)點(diǎn)均是在操作系統(tǒng)已較為成熟的基礎(chǔ)上,否則其自身仍然存在表2 所體現(xiàn)的各類問題,例如,操作系統(tǒng)底層硬件驅(qū)動的初始化問題、接口不匹配問題,中斷處理考慮不周等。此外,由于我國在自主設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)方面的技術(shù)積累仍較薄弱,其劣勢還體現(xiàn)在以下方面:

    1)操作系統(tǒng)的成熟度還不高,影響了其自身的質(zhì)量和推廣;

    2)操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件的界面不夠清晰,增加了編程的復(fù)雜度;

    3)操作系統(tǒng)還不能以通用化的產(chǎn)品來滿足各類應(yīng)用,這增加了定制的工作量及技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

    3 操作系統(tǒng)的基本功能

    3.1 典型應(yīng)用對象介紹

    在介紹操作系統(tǒng)功能前,先對其應(yīng)用對象進(jìn)行簡要介紹。圖1(a)是較為典型的三冗余箭載計(jì)算機(jī)的功能框圖,飛行軟件通過1553B 總線完成慣組信息的錄取與關(guān)機(jī)指令、姿態(tài)控制指令的發(fā)送。軟件的運(yùn)行過程如圖1(b)所示,主功能為20ms 周期任務(wù),錄取慣組信息、進(jìn)行同步處理、開始控制運(yùn)算,并將控制指令通過總線發(fā)送到執(zhí)行設(shè)備。當(dāng)接近有效載荷分離時(shí)刻,為提高關(guān)機(jī)控制的精度,啟動1ms中斷,在1ms 任務(wù)中實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)控制。

    3.2 操作系統(tǒng)的基本功能

    綜合國內(nèi)關(guān)于航天器操作系統(tǒng)的研究[6-8],可以梳理出操作系統(tǒng)最基本的功能,分以下幾方面:

    1)初始化功能,含初始化后的自檢功能

    初始化工作確保各接口電路處于安全的初態(tài),自檢結(jié)果要傳輸?shù)綔y發(fā)控系統(tǒng)的監(jiān)控終端。

    2)I/O 管理,包括內(nèi)部與外部各種接口

    向飛行軟件提供統(tǒng)一的、與設(shè)備無關(guān)的用戶接口,實(shí)現(xiàn)對底層硬件設(shè)備的安裝、創(chuàng)建設(shè)備驅(qū)動,以及設(shè)備使用過程中的打開、關(guān)閉、讀、寫、控制(擴(kuò)展)等操作。以本項(xiàng)目為例,包括1553B,ICU,MSU(RS-485,RS -422),BMU,DRU 等設(shè)備以及擴(kuò)展的三機(jī)同步信息交換等。

    圖1 飛行軟件運(yùn)行環(huán)境及流程示例

    3)故障與設(shè)備狀態(tài)管理

    對箭上各類設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行管理,向飛控軟件提供故障檢測、設(shè)備狀態(tài)維護(hù)、查詢等功能,涵蓋CPU,I/O 設(shè)備以及系統(tǒng)自定義功能3個(gè)層面。對絕大部分智能通訊接口而言,是否通訊正??赏ㄟ^其控制字或狀態(tài)字來判別,這類故障的診斷可以不用應(yīng)用軟件參與(當(dāng)然,對于慣組數(shù)據(jù)的合理性判斷,仍只能由應(yīng)用軟件來完成)。上述功能將在下面作重點(diǎn)介紹。

    4)中斷管理

    5)任務(wù)管理

    6)其他必需的輔助功能,指一般操作系統(tǒng)均必備的基本功能,包括上述5 項(xiàng)功能中可能用到的支撐技術(shù),如任務(wù)和二值信號量管理功能、計(jì)時(shí)管理、內(nèi)存管理功能等。

    3.3 故障與設(shè)備狀態(tài)管理

    隨著對可靠性要求的提高,冗余設(shè)計(jì)的復(fù)雜性也在增大,故障檢測、隔離與重組(FDIR)的代碼量不斷增大。這部分工作可以由操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件共同完成,其中,利用操作系統(tǒng)完成故障檢測與隔離,由應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)故障后的重組,既統(tǒng)一且明確了操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件的界面,也可以緩解飛行軟件的復(fù)雜度。故障的檢測往往采用硬件設(shè)備提供的各種狀態(tài)檢查功能,或冗余部件的相互對比,從而實(shí)現(xiàn)故障定位(隔離),這部分功能可以集成在底層硬件驅(qū)動函數(shù)中。而故障的重組因故障類型而異,在很大程度上屬于系統(tǒng)設(shè)計(jì)范疇,這部分功能設(shè)計(jì)在應(yīng)用軟件的接口處理函數(shù)中。

    3.3.1 通用設(shè)備狀態(tài)管理

    通用設(shè)備狀態(tài)管理模塊為飛控軟件提供統(tǒng)一的設(shè)備管理架構(gòu),如圖2 所示,其工作包括:

    1)注冊設(shè)備狀態(tài)觀測字;

    2)定義設(shè)備狀態(tài)觀測字的閾值;

    3)定義閾值超限時(shí)的處理函數(shù)接口,操作系統(tǒng)可以提供缺省的處理函數(shù),用戶也可以重新定義,尤其涉及系統(tǒng)層面的故障重組時(shí);

    4)定義處理函數(shù)的觸發(fā)模式,如果是輪詢觸發(fā)模式,則作為一個(gè)低優(yōu)先級的任務(wù),周期性地輪詢該觀測字,并在滿足條件時(shí)觸發(fā)處理函數(shù);如果是立即觸發(fā)模式,且在該觀測字達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)立即調(diào)度處理函數(shù)。

    采用上述機(jī)制,基本滿足了各種故障(異常)的處理要求。

    圖2 通用設(shè)備管理原理圖

    3.3.2 CPU 異常檢測與處理

    CPU 異常是嚴(yán)重的錯(cuò)誤,由于火箭飛行時(shí)間短、實(shí)時(shí)性強(qiáng),且沒有遙控功能,一般在CPU 異常后難以采取諸如復(fù)位等故障恢復(fù)措施,只能靠硬件的冗余來達(dá)到容錯(cuò)的目的,因此,飛行中CPU 的異常是要盡量防止的,其異常檢測與處理更多的是為后續(xù)避免此類問題和查找原因提供足夠的信息,其處理流程一般如下:

    1)首先使系統(tǒng)進(jìn)入安全模式,例如測試模式,避免異常的擴(kuò)散或復(fù)位;

    2)在預(yù)定義的地址中記錄異常發(fā)生時(shí)的指令寄存器、故障狀態(tài)寄存器、故障地址寄存器、復(fù)位和錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器、測試控制寄存器、系統(tǒng)軟件的執(zhí)行路徑、健康狀況等信息;

    3)為不立即復(fù)位的異常進(jìn)行計(jì)數(shù),提供異常狀態(tài)字,并提供查詢函數(shù)接口;

    4)通過郵箱向外發(fā)出第2)和3)項(xiàng)的信息;

    5)如果用戶注冊異常處理函數(shù)則調(diào)用執(zhí)行,否則退出。

    CPU 的異常因處理器而異,一般包括復(fù)位、取指出錯(cuò)、非法指令、不使能FPU 時(shí)使用浮點(diǎn)指令、協(xié)處理器未使能異常、內(nèi)存地址不對齊訪問、FPU 異常、可校正的EDAC 錯(cuò)誤異常、數(shù)據(jù)訪問異常等。不管用戶是否新注冊處理函數(shù),上述步驟1)~4)均要執(zhí)行。

    3.3.3 I/O 的異常檢測與處理

    按照3.3.1 節(jié)的介紹完成注冊和處理函數(shù)的設(shè)計(jì),在I/O 的操作中更新狀態(tài)觀測字,主要依據(jù)各I/O 驅(qū)動的狀態(tài)字或控制字來進(jìn)行診斷;當(dāng)設(shè)備狀態(tài)管理模塊判斷觀測字超閾值時(shí),激活處理函數(shù)。處理函數(shù)可以由操作系統(tǒng)提供缺省處理方式,也可以用戶定義,這也主要通過重新設(shè)置I/O 驅(qū)動的控制字或狀態(tài)字來實(shí)現(xiàn),由此可見,故障與設(shè)備管理與I/O 管理要配合使用。

    例如,當(dāng)1553B 故障時(shí),可以在A 通道重發(fā);重發(fā)若不成功,則切換到B 通道再重發(fā)。如果重發(fā)次數(shù)達(dá)到閾值,通過處理接口函數(shù)直接設(shè)置在B 通道發(fā)送;如果B 通道再次發(fā)生故障且達(dá)到閾值,則可以通過處理函數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤標(biāo)志并直接返回。但后續(xù)也可以根據(jù)需要重新激活相關(guān)設(shè)備。

    3.3.4 系統(tǒng)級的異常檢測與管理

    在所有故障中,CPU 的故障是處理器事先定義的,其故障處理以中斷形式觸發(fā);I/O 的故障可通過接口電路的各種寄存器或狀態(tài)字來查詢,其故障處理通過I/O 管理來實(shí)現(xiàn)。上述2 類異常處理操作系統(tǒng)可以不需要應(yīng)用軟件參與獨(dú)自完成。但還有一些異常無法直觀地通過硬件自身來診斷,屬于系統(tǒng)冗余管理的范疇,也可以結(jié)合操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn),本文以時(shí)鐘故障檢測與處理來舉例說明。

    時(shí)鐘故障導(dǎo)致計(jì)時(shí)基準(zhǔn)產(chǎn)生很大偏差,導(dǎo)航計(jì)算以及時(shí)序控制均會出錯(cuò)。僅靠本機(jī)的計(jì)時(shí)器是無法判別故障的,但可以利用各種總線通訊信息中所帶的時(shí)標(biāo)信號進(jìn)行對比,例如,當(dāng)前后2 次總線通訊自帶時(shí)標(biāo)的時(shí)間差與此段間隔內(nèi)計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)值不一致時(shí),說明存在故障;用1553B,485,422 等多種總線消息中的時(shí)標(biāo)進(jìn)行多數(shù)表決可定位故障,并更新觀測字。而定位出時(shí)鐘故障后具體如何處理,可以由系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員編寫特定的處理函數(shù)并在設(shè)備狀態(tài)管理中注冊。

    4 操作系統(tǒng)的應(yīng)用

    與“中斷+循環(huán)”不同,對操作系統(tǒng)使用方式不同,產(chǎn)生的應(yīng)用效果也不同[9-12]。本文首先針對3.1節(jié)介紹的應(yīng)用對象,提出了飛行控制軟件的基本架構(gòu),盡管只用到了操作系統(tǒng)最基本的功能,如任務(wù)調(diào)度,但在解決不同優(yōu)先級任務(wù)的資源沖突方面已體現(xiàn)出了優(yōu)勢,本文以示例進(jìn)行說明。

    4.1 飛行控制軟件的基本框架

    操作系統(tǒng)在飛行控制軟件中的主要應(yīng)用,是將傳統(tǒng)的中斷服務(wù)程序轉(zhuǎn)化為多任務(wù)管理[13-15]。本文也給出了一種利用操作系統(tǒng)劃分多任務(wù)的飛行軟件功能框圖,如下圖表示。

    圖3 基于嵌入式操作系統(tǒng)的飛行軟件功能示意圖

    圖中深色方框內(nèi)的任務(wù)屬于應(yīng)用軟件的范疇,淺色方框表示的是外部中斷,其他功能均屬于操作系統(tǒng)的范疇。其中任務(wù)的優(yōu)先級可以有不同的設(shè)置,任務(wù)本身還可以根據(jù)需要進(jìn)一步細(xì)分。

    通過中斷激發(fā)一個(gè)“任務(wù)”,該任務(wù)可以看作是傳統(tǒng)的中斷服務(wù)程序。將傳統(tǒng)中斷服務(wù)程序中的功能劃分為多個(gè)優(yōu)先級的任務(wù),例如“控制任務(wù)”優(yōu)于“遙測任務(wù)”,可以解決20ms 周期計(jì)算余量不足的問題。即若在某一個(gè)周期20ms 遙測任務(wù)超時(shí),下一中斷產(chǎn)生后20ms 控制任務(wù)會搶占運(yùn)行,關(guān)鍵任務(wù)不會受到任何影響。20ms控制任務(wù)運(yùn)行結(jié)束,任務(wù)切換回20ms 遙測任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。

    “任務(wù)”由“中斷”激發(fā),這些都在操作系統(tǒng)內(nèi)核的調(diào)度下完成。軟件對硬件接口的控制,均通過操作系統(tǒng)調(diào)用驅(qū)動實(shí)現(xiàn)。操作系統(tǒng)在進(jìn)行具體I/O 操作時(shí),會同步完成對個(gè)接口功能的檢測,如故障則將更新該設(shè)備的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器。當(dāng)達(dá)到閾值且該故障模式被設(shè)置為“立即觸發(fā)”時(shí),立即激發(fā)用戶在初始化時(shí)注冊的故障處理程序,這也將被作為一個(gè)“任務(wù)”來調(diào)度;用戶也可以將該故障模式設(shè)置為“輪詢”,則由操作系統(tǒng)的一個(gè)低優(yōu)先級任務(wù)輪詢到超過閾值時(shí)觸發(fā),或者由應(yīng)用軟件通過查詢故障計(jì)數(shù)器并自行決定如何處理。

    操作系統(tǒng)的使用是較為復(fù)雜的設(shè)計(jì),不同的設(shè)計(jì)方案使得操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件發(fā)揮的功能不盡相同,限于篇幅,本文以共享資源的管理介紹如何發(fā)揮操作系統(tǒng)的作用,其他內(nèi)容不一一涉及。

    4.2 共享資源管理的示例

    4.2.1 因共享資源而帶來的不同步

    在存在多個(gè)中斷的系統(tǒng)中,每個(gè)中斷可能對同一硬件進(jìn)行操作,存在共享資源的管理問題。當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級的中斷占用資源時(shí),即使高優(yōu)先級的中斷被觸發(fā),也無法強(qiáng)制接管該資源,并會影響到多機(jī)冗余系統(tǒng)的同步性。以圖4 為例,1ms 中斷優(yōu)先級高于20ms 中斷。在20ms 中斷中需要通過1553B 總線采樣慣組數(shù)據(jù),并進(jìn)行三機(jī)的同步處理;而在1ms 中斷中,當(dāng)需要關(guān)機(jī)時(shí),通過1553B 總線將關(guān)機(jī)信號發(fā)送到綜合控制器實(shí)時(shí)關(guān)機(jī)控制。在這過程中,2個(gè)中斷程序均會對1553B 總線進(jìn)行控制。

    圖4 共享資源管理示意圖

    三機(jī)按各自時(shí)鐘工作,僅20ms 中斷是三機(jī)同步產(chǎn)生,但此時(shí)每個(gè)CPU 當(dāng)前正在執(zhí)行的指令(PC值)存在若干個(gè)指令周期誤差,加上三機(jī)的1ms 中斷源未進(jìn)行同步處理,因此1ms 中斷發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)相對于當(dāng)前指令之間會存在微秒級的偏差。

    在圖4(a)中,假設(shè)CPU3、CPU2 運(yùn)行速度較快,完成了20ms 任務(wù)中的1553B 總線錄取工作,此時(shí)1ms 中斷到來,進(jìn)入1ms 中斷處理,并通過1553B 總線發(fā)送關(guān)機(jī)指令;1ms 任務(wù)結(jié)束后,返回20ms 中斷繼續(xù)處理,并發(fā)出同步控制指令。而對CPU1 而言,當(dāng)1ms 到來時(shí),20ms 任務(wù)中的1553B 操作還未結(jié)束,盡管1ms 優(yōu)先級高,但總線資源被20ms 任務(wù)占用,于是切換至20ms 任務(wù),待1553B 總線資源釋放后,再重新切換回1ms 任務(wù),完成總線控制;待1ms任務(wù)結(jié)束后,再返回20ms 任務(wù),并執(zhí)行后續(xù)的同步控制。從圖中可以看出,由于CPU1 多增加了兩次任務(wù)的切換,導(dǎo)致CPU1 發(fā)出同步控制時(shí)已嚴(yán)重滯后于CPU2 和CPU3,在某些場合,這種不同步是不允許的。

    4.2.2 多任務(wù)管理

    前文沒有區(qū)分中斷與任務(wù)的概念,中斷只負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)并喚醒任務(wù),而任務(wù)實(shí)際上是傳統(tǒng)的中斷服務(wù)程序,將中斷與中斷服務(wù)程序(即任務(wù))區(qū)分開是避免中斷長期占用資源,增強(qiáng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。因此,將圖3 中“任務(wù)”繼續(xù)細(xì)分,例如將20ms 控制任務(wù)分解為總線錄取與同步任務(wù)TSK_20_BUS_SYN 以及導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制任務(wù)TSK_20_CTL。1ms 中斷ISR_1喚醒1ms 任務(wù)TSK_1_BUS,20ms 中斷ISR_20喚醒TSK_20_BUS_SYN 和TSK_20_CTL,優(yōu)先級從高到低依次為:

    ISR_1;

    ISR_20;

    TSK_20_BUS_SYN;

    TSK_1_BUS;

    TSK_20_CTL。

    以圖4(b)為例,盡管1ms 中斷在TSK_20_BUS_SYN 的不同時(shí)刻到來,但因?yàn)?ms 中斷喚醒的任務(wù)TSK_1_BUS 優(yōu)先級低于TSK_20_BUS_SYN,該任務(wù)不會被打斷,進(jìn)入同步區(qū)間時(shí)基本沒有偏差;在完成TSK_20_BUS_SYN 任務(wù)后,切換至TSK_1_BUS任務(wù),此時(shí)總線資源已經(jīng)被釋放,不存在沖突;TSK_1_BUS 任務(wù)完成后,進(jìn)入TSK_20_CTL 任務(wù)。圖3(a)中CPU1 多增加的2 次任務(wù)切換得以避免,三機(jī)基本上仍能保持同步。

    上述任務(wù)分級的另一個(gè)好處是,總線被占用的時(shí)間最長為TSK_20_BUS_SYN 任務(wù)的時(shí)間,遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)編程中20ms 中斷服務(wù)程序的時(shí)間,這提高了關(guān)機(jī)的時(shí)間精度。

    5 結(jié)束語

    回答是否需要操作系統(tǒng),應(yīng)用發(fā)展的眼光來看,例如,如果軟件還停留在簡單計(jì)算型的應(yīng)用,確實(shí)不需要操作系統(tǒng);從簡單計(jì)算型發(fā)展到“計(jì)算+控制”型,軟件的功能增加了,采用中斷也能處理。而未來的應(yīng)用,已顯現(xiàn)出計(jì)算密集型、控制多樣性和信息集成化的特點(diǎn),此時(shí)就必須有專業(yè)的操作系統(tǒng)支持。計(jì)算密集型會帶來并行計(jì)算的要求,控制多樣性使得多任務(wù)的需求愈發(fā)迫切,而信息集成化則賦予了控制系統(tǒng)更多的職責(zé),可能用“信息系統(tǒng)”來描述原有概念上的“控制系統(tǒng)”更為適合。在這種背景下,應(yīng)適時(shí)地開展操作系統(tǒng)的應(yīng)用研究,基礎(chǔ)性的工作要提前打牢。

    本文提出了可以考慮采用操作系統(tǒng)的6個(gè)條件,以某飛行控制為對象,對操作系統(tǒng)在故障與設(shè)備狀態(tài)管理、共享資源管理中的作用進(jìn)行了較為深入的分析。可以看出,即使采用同樣的操作系統(tǒng),不同的使用方式也會產(chǎn)生不同的使用效果,那些較為合理的設(shè)計(jì),能夠簡化應(yīng)用軟件的復(fù)雜性,使得應(yīng)用軟件更能專注于飛控的核心功能。而隨著操作系統(tǒng)成熟度的不斷提高,整個(gè)軟件系統(tǒng)的可靠性也隨著增加,操作系統(tǒng)的作用將能得到真正的體現(xiàn)。

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