在實(shí)時(shí)嵌入式環(huán)境下利用電子盤(pán)實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)記錄的軟件設(shè)計(jì)研究

張梅梅，周向華，陳國(guó)平，謝 暉，謝前進(jìn)

（1.中航工業(yè)洪都，江西南昌330024；2.駐320廠軍事代表室，江西南昌330024）

0 引言

嵌入式系統(tǒng)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微處理器技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，越來(lái)越廣泛地運(yùn)用于各種場(chǎng)合，包括汽車、航天、航空、軍事裝備等領(lǐng)域。同時(shí)，隨著技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)lash電子盤(pán)的使用也較為廣泛，以前只是在一般環(huán)境中使用，如今逐漸在實(shí)時(shí)嵌入式環(huán)境中開(kāi)始使用。本文主要在結(jié)合某個(gè)型號(hào)研發(fā)的基礎(chǔ)上，介紹了在VxWorks操作系統(tǒng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)大容量電子盤(pán)數(shù)據(jù)記錄的軟件設(shè)計(jì)。

1 嵌入式系統(tǒng)

1.1 嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微處理器技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。嵌入式系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分。根據(jù)國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）的定義：嵌入式系統(tǒng)是控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置，這是從應(yīng)用上來(lái)定義的。我們國(guó)內(nèi)的定義是：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適合于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗方面要求嚴(yán)格的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展在硬件上經(jīng)歷了單板機(jī)和單片機(jī)時(shí)代，軟件經(jīng)歷了無(wú)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的過(guò)程。目前，嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于制造工業(yè)、過(guò)程控制、通信、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等領(lǐng)域。

嵌入式系統(tǒng)一般具有如圖1所示的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 嵌入式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)具有下面一些特點(diǎn)：

1)嵌入式系統(tǒng)通常是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用，不能獨(dú)立與應(yīng)用自行發(fā)展。

2)嵌入式系統(tǒng)的核心部件——嵌入式微處理器的功耗、體積、成本、處理能力和電磁兼容性等方面均受到應(yīng)用要求的制約，基本上是定制和裁剪的。

3)軟件要求固態(tài)化存貯。

4)軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性、高時(shí)效性。

5)軟件采用交叉平臺(tái)開(kāi)發(fā)。

1.3 VxWorks操作系統(tǒng)及開(kāi)發(fā)環(huán)境

VxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （RTOS），具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能內(nèi)核以及友好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占有很大的份額。VxWorks操作系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1)十分靈活，具有多達(dá)1800個(gè)功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序接口；

2)適用面廣，可以適用于從最簡(jiǎn)單到最復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)；

3)可靠性高，可以用于星際探索等關(guān)鍵任務(wù)；

4)適用性強(qiáng)，可以用于所有的流行的CPU平臺(tái)，包括68K、PowerPC、CPU32、x86、Mips、i960等，同時(shí)還支持RISC、DSP技術(shù)。

Tornado是與VxWorks操作系統(tǒng)配套、用于軟件交叉開(kāi)發(fā)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供了一種高效的開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的方法，同時(shí)具有與目標(biāo)機(jī)環(huán)境關(guān)系不大的特點(diǎn)。Tornado開(kāi)發(fā)環(huán)境面向各種目標(biāo)機(jī)環(huán)境，不論目標(biāo)機(jī)是資源豐富的還是資源受限的，其主要在主機(jī)端執(zhí)行，并和遠(yuǎn)程端目標(biāo)機(jī)共享基于主機(jī)的動(dòng)態(tài)鏈接器和符號(hào)表。圖2顯示了Tornado主要的主機(jī)組件接口和目標(biāo)機(jī)之間的關(guān)系，通過(guò)目標(biāo)服務(wù)器和目標(biāo)機(jī)代理來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)工具和VxWorks間的通信。

圖2 Tornado結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)是某型武器系統(tǒng)的一部分，主要功能是實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)之間的傳輸以及數(shù)據(jù)記錄。該系統(tǒng)包含四個(gè)具有各自功能的子系統(tǒng)。其中，中控機(jī)是其核心，作為該軟件的運(yùn)行硬件環(huán)境，控制管理系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)子系統(tǒng)之間有序的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)GJB289A、低速RS422和高速RS422等硬件接口的工作，并在工作過(guò)程中記錄這些數(shù)據(jù)。

中控機(jī)主要配置參數(shù)如下：

1)CPU：選用Intel MG80486DX 25～33MHz；

2)存貯器：配置了Flash存貯器、SRAM存貯器和EEPROM存貯器；

3)MBI接口：用來(lái)實(shí)現(xiàn)GJB289A數(shù)據(jù)總線通信輸出，單通道、雙余度；

4)422接口：用來(lái)實(shí)現(xiàn)低速422接口數(shù)據(jù)的通信，4路，速率可以通過(guò)軟件設(shè)置，在該系統(tǒng)使用的速率為115.2K；

5)高速422接口：用來(lái)實(shí)現(xiàn)高速422接口數(shù)據(jù)的通信，2路，傳輸速率不小于530K；

6)電子盤(pán)：用來(lái)記錄各種數(shù)據(jù)，容量1G，采用Flash芯片，內(nèi)置了升溫電路。

2.2 軟件需求

根據(jù)系統(tǒng)的研制要求，該軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：1)進(jìn)行外部系統(tǒng)與本系統(tǒng)之間的數(shù)字信息交換：采集下發(fā)的指令，并上報(bào)自身的狀態(tài)；

2)采集、解算外部系統(tǒng)下傳的火控?cái)?shù)據(jù)和控制命令，按照系統(tǒng)要求進(jìn)行處理。

3)記錄高速422數(shù)據(jù)、系統(tǒng)之間的通信數(shù)據(jù)以及內(nèi)部通信、狀態(tài)數(shù)據(jù)到電子盤(pán)上，數(shù)據(jù)記錄能夠滿足系統(tǒng)多次上電工作記錄的要求；

4)控制內(nèi)部給子系統(tǒng)協(xié)調(diào)有序工作；

5)控制系統(tǒng)內(nèi)部的自檢以及周期性監(jiān)測(cè)；

在進(jìn)行該軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候，除了要考慮運(yùn)行環(huán)境平臺(tái)以及系統(tǒng)自身的需求外，還需要考慮下面一些性能方面的需求：

1)在軟件中，既存在著傳輸周期為25ms的數(shù)據(jù)，又存在傳輸周期為40ms的數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)必須考慮這些數(shù)據(jù)的傳輸周期以及可靠性。

2)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)應(yīng)遵照相應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)，對(duì)硬件資源開(kāi)銷約束，時(shí)間余量、存貯余量均不少于30%。

3)由于該系統(tǒng)是一個(gè)多線程任務(wù)系統(tǒng)，存在幾個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行的情況，因此必須在設(shè)計(jì)時(shí)保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型、結(jié)合該軟件特點(diǎn)，該任務(wù)軟件結(jié)構(gòu)從總體上劃分三層：操作系統(tǒng)、應(yīng)用層、驅(qū)動(dòng)層。其中，操作系統(tǒng)作為該任務(wù)軟件的頂層，負(fù)責(zé)任務(wù)軟件的啟動(dòng)和RAM存儲(chǔ)映像的建立，并控制任務(wù)的調(diào)度；應(yīng)用層完成所有系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)和控制管理的處理，應(yīng)用層包括下面一些模塊；驅(qū)動(dòng)層直接負(fù)責(zé)硬件的操作。

2.3.2 軟件模塊設(shè)計(jì)

由于存在著兩種不同周期的數(shù)據(jù)需要傳輸，因此為了滿足該要求，在軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候建立兩個(gè)線程：一個(gè)線程為25ms的周期任務(wù)，另外一個(gè)線程為40ms的周期任務(wù)，同時(shí)將周期任務(wù)切換的中斷時(shí)間設(shè)置為5ms，這樣既可以保證滿足系統(tǒng)的要求，也可以保證任務(wù)周期、減少任務(wù)切換的時(shí)間。

25ms周期任務(wù)為主要工作線程，大部分工作就在該線程中。根據(jù)前面的介紹，VxWorks操作系統(tǒng)提供了多種任務(wù)之間的數(shù)據(jù)交換和同步方式，比如信號(hào)量（包括二進(jìn)制、計(jì)數(shù)、互斥）、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存、管道等。由于使用信號(hào)量、消息隊(duì)列等通信方式相對(duì)于使用共享內(nèi)存的方式要多一些時(shí)間開(kāi)銷，因此在該軟件設(shè)計(jì)時(shí)，25ms周期任務(wù)、40ms周期任務(wù)之間主要通過(guò)共享內(nèi)存方式來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。

在進(jìn)行該軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要著重考慮將高速數(shù)據(jù)記錄到電子盤(pán)的設(shè)計(jì)。由于該軟件運(yùn)行平臺(tái)為單CPU系統(tǒng)，需要完成邏輯計(jì)算、RS422傳輸、高速數(shù)據(jù)傳輸和記錄。RS422的傳輸速率為115.2K，需要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)為60幾個(gè)，大約花在這方面的時(shí)間為5.874ms；25ms周期任務(wù)和40ms的周期任務(wù)的邏輯計(jì)算等功能的運(yùn)行時(shí)間大約4到5ms，因此用到兩路高速數(shù)據(jù)采集、記錄到電子盤(pán)的時(shí)間不能超過(guò)7ms，否則就不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，也可能會(huì)影響任務(wù)的實(shí)時(shí)性。而且，由于這是大容量Flash電子盤(pán)第一次運(yùn)用在實(shí)時(shí)環(huán)境下，難度比較大。

綜合各種因素考慮，首先排除利用操作系統(tǒng)提供的文件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，改為直接訪問(wèn)電子盤(pán)的物理地址進(jìn)行讀寫(xiě)，而且使用匯編語(yǔ)言進(jìn)行讀寫(xiě)函數(shù)的編寫(xiě)，這是因?yàn)槔梦募到y(tǒng)需要進(jìn)行一系列的處理，比如邏輯地址與物理地址的映射轉(zhuǎn)換，這樣的時(shí)間開(kāi)銷大，在目前的硬件環(huán)境是不可能保證系統(tǒng)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。同時(shí)，為了滿足系統(tǒng)多次加電記錄不覆蓋數(shù)據(jù)的要求，將電子盤(pán)的物理地址從使用上分成幾個(gè)等同的分區(qū)，每次上電記錄到不同的分區(qū)上。

其次，改進(jìn)軟件的流程。在傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以及該項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初，采用如圖3所示的處理流程。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這樣處理時(shí)間開(kāi)銷也比較大，因?yàn)榇嬖谥容^多的讀寫(xiě)電子盤(pán)命令。

圖3 電子盤(pán)讀寫(xiě)改進(jìn)后的流程

經(jīng)過(guò)仔細(xì)考慮和討論，采用如圖4所示的流程。相對(duì)于前面的流程，主要增加了一個(gè)操作系統(tǒng)支持的環(huán)形緩沖區(qū)。在該流程中，在初始化的時(shí)候調(diào)用庫(kù)函數(shù)為每路高速數(shù)據(jù)建立一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)，大小為20K，比如，ppRngBufA=rngCreate(1024*20)。接著在主工作線程中，通過(guò)查詢、搬移數(shù)據(jù)函數(shù)每個(gè)周期去查詢高速RS422接口的寄存器狀態(tài)，存貯寄存器半滿將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到環(huán)形緩沖區(qū)，另一方面，軟件周期查詢環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)情況，當(dāng)其狀態(tài)滿足2K，就在主工作線程中調(diào)用寫(xiě)電子盤(pán)函數(shù)（該函數(shù)采用C和匯編語(yǔ)言混合編程）將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到電子盤(pán)。

采用該軟件設(shè)計(jì)方式后，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和使用的測(cè)試驗(yàn)證以及完善修改，能滿足該項(xiàng)目系統(tǒng)的要求，能保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

圖4 電子盤(pán)記錄改進(jìn)后的流程

3 結(jié)論

在嵌入式系統(tǒng)中，通過(guò)使用該軟件設(shè)計(jì)方法能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)環(huán)境下大容量數(shù)據(jù)記錄的功能。在硬件允許的情況下，結(jié)合數(shù)據(jù)回放分析需求，采用文件系統(tǒng)，可使數(shù)據(jù)記錄更靈活，回放更方便。

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