基于Windows平臺的實(shí)時信息處理方法

段紅亮,2，劉天博，邵春收，王 鵬，朱元元

(1.北京航天長征飛行器研究所，北京 100076；2.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072)

0 引言

大部分武器系統(tǒng)設(shè)備都是強(qiáng)實(shí)時性的，設(shè)備之間信息交互都有嚴(yán)格的時間限制，要求毫秒級或微秒級，甚至是納秒級，所以主流的彈上設(shè)備均基于DSP、FPGA、單片機(jī)等架構(gòu)或者是組合架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，也有少部分采用實(shí)時操作系統(tǒng)平臺。地面測試設(shè)備用于武器設(shè)備的開發(fā)測試、出廠測試、上彈總裝前后或者年度定檢等等一系列測試工作，是所有武器必配設(shè)備，地面測試設(shè)備是武器設(shè)備的“診斷醫(yī)生”，只有經(jīng)過地面測試設(shè)備認(rèn)證為“健康”的彈上設(shè)備才允許使用，地面測試設(shè)備的研制開發(fā)甚至要早于彈上設(shè)備。

地面測試設(shè)備與彈上設(shè)備進(jìn)行通信和指令交互，完成功能測試等。微軟的Windows操作系統(tǒng)由于具備良好通用性、圖形用戶界面以及眾多的技術(shù)支持基礎(chǔ)而成為武器地面測試設(shè)備的首選解決方案。目前絕大部分型號的地面測試設(shè)備為了兼顧成本和開發(fā)難度等因素，采用Windows+x86架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。但基于搶占式多任務(wù)調(diào)度策略就決定了Windows系統(tǒng)的非實(shí)時性屬性，作為通用高性能操作系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng),不能保證中斷響應(yīng)時間的確定性,也沒有提供讓線程獲得確定執(zhí)行時間的機(jī)制。在測試時地面測試軟件上偶爾會出現(xiàn)某條指令超時的現(xiàn)象，這時就很難判斷是彈上設(shè)備指令確實(shí)超時，還是由于地面測試設(shè)備非實(shí)時性而造成的時間誤判。

針對Windows平臺的非實(shí)時性問題，工業(yè)控制上一般采用RTX硬實(shí)時解決方案[1-2]，RTX(Real-Time eXtension)是由美國IntervalZero公司開發(fā)的基于Windows平臺擴(kuò)展的實(shí)時控制解決方案，但需要單獨(dú)購買RTX軟件擴(kuò)展包，且RTX信息處理軟件獨(dú)立于Windows平臺需求單獨(dú)開發(fā)，而武器地面測試設(shè)備由于生產(chǎn)量少、需求變化快等特點(diǎn)，成本與周期上不適于采用RTX[3]。文獻(xiàn)[4]中提出了一種循環(huán)緩存處理方法來提高Windows系統(tǒng)的實(shí)時性，這種用空間換時間的方法在操作系統(tǒng)負(fù)載較小時一定程度上提高了實(shí)時性，但由于對緩存讀寫線程仍為操作系統(tǒng)的一個普通線程，在操作系統(tǒng)負(fù)載較大時，循環(huán)緩存處理方法的實(shí)時性不能得到保證。

文獻(xiàn)[5]提出了一種Windows操作系統(tǒng)中的排他性線程獨(dú)占技術(shù)，使用該線程可以獨(dú)占一個CPU邏輯核，而不再受Windows任務(wù)管理器的調(diào)度，物理上將該邏輯核等效DSP使用，保證了信息處理的實(shí)時性?；谖墨I(xiàn)[5-7]的研究成果，面向武器地面測試設(shè)備，本文提出了一種實(shí)用的實(shí)時信息處理方法，可以實(shí)時處理以太網(wǎng)、串口等有線或無線I/O信息，該方法開發(fā)難度低、周期短且不增加設(shè)備成本。

論文結(jié)構(gòu)如下：第1部分簡要分析了Windows非實(shí)時性機(jī)理，第2部分詳細(xì)闡述高精度軟時鐘技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法，第3部分地面測試軟件的實(shí)時測試方法，第4部分介紹對本方法的有效性試驗(yàn)分析，最后一部分對全文進(jìn)行了總結(jié)。

1 Windows非實(shí)時性機(jī)理

1.1 x86的指令集

x86的GPP架構(gòu)本身不能實(shí)現(xiàn)納秒級強(qiáng)實(shí)時性要求，這是通用CPU的CISC指令集決定的，有兩個層次原因，首先是CISC指令集長短不一，所以占用CPU時鐘周期不一；二是Intel在指令集中有很多優(yōu)化算法，同一條匯編指令在同一個CPU的不同負(fù)載下可能會被編譯成不同的匯編指令，目前Intel的CPU的時鐘周期都是亞納秒級，所以x86 CPU難以實(shí)現(xiàn)納秒級的高精度定時，用于十納秒級定時精度是普遍可以接受的。從目前的彈上設(shè)備所要求的毫秒級或微秒級實(shí)時性要求來看，x86 CPU架構(gòu)本身的定時精度是可以忽略不計(jì)。

1.2 調(diào)度原理

Windows操作系統(tǒng)調(diào)度及響應(yīng)時延的不確定性。以串口通信為例(并口、以太網(wǎng)口類似)，地面測試設(shè)備與彈上設(shè)備的信息交互流程如圖1所示，忽略彈上設(shè)備處理時延(或者假定為一個確定值)。

圖1 信息流示意圖

例如，有條指令要求彈上設(shè)備在100 ms內(nèi)回復(fù)指令，那么處理過程如下：

1)測試軟件打開某個串口，或在軟件初始化時即打開這個串口，并配置串口參數(shù)；

2)當(dāng)有個指令發(fā)送時，測試軟件調(diào)用WinAPI串口函數(shù)，發(fā)送該指令，同時啟動計(jì)時器，設(shè)置100 ms的超時值;

3)數(shù)據(jù)由用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，操作系統(tǒng)調(diào)度器需要將串口發(fā)送API指令調(diào)入到CPU任務(wù)隊(duì)列中，當(dāng)占用CPU當(dāng)前時間片時，CPU執(zhí)行該指令；

4)CPU將發(fā)送數(shù)據(jù)寫入到串口Tx寄存器中，同時通知串口有數(shù)據(jù)到達(dá)，請發(fā)送；

5)串口通過物理層鏈路發(fā)送給DS設(shè)備，DS設(shè)備響應(yīng)該指令后發(fā)送回令給串口；

6)串口接收回令數(shù)據(jù)，放入到Rx寄存器中，同時通知操作系統(tǒng)有數(shù)據(jù)到達(dá)，通知消息本身是放入到操作系統(tǒng)的消息隊(duì)列中；

7)操作系統(tǒng)調(diào)度器在消息隊(duì)列中讀到串口的通知后，需要將串口接收API指令調(diào)入到CPU任務(wù)隊(duì)列中，當(dāng)占用CPU當(dāng)前時間片時，CPU執(zhí)行該指令；

8)CPU從串口Rx寄存器讀取數(shù)據(jù)，交給測試軟件，由內(nèi)核態(tài)進(jìn)入用戶態(tài)；

9)測試軟件根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議解析該數(shù)據(jù)，確認(rèn)為當(dāng)前指令的有效回令后，停止計(jì)時器，同時判斷計(jì)時器是否超100 ms。至此一個完整的信息交互結(jié)束。

Windows是基于消息響應(yīng)機(jī)制的多線程的非實(shí)時性操作系統(tǒng)，盡管微軟沒有公開Windows操作系統(tǒng)內(nèi)核，當(dāng)通過一些公開資料和微軟的技術(shù)文檔可知，一個線程一旦調(diào)入到CPU中，那么最少占有一個時間片的時間長度才會有可能被調(diào)出，而一個時間片長為1/16 s。

在Windows的任務(wù)管理器的進(jìn)程欄可以看到，假如用戶未打開任何一個應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)都會有約100個進(jìn)程在運(yùn)行，地面測試軟件運(yùn)行時，也只是其中之一個進(jìn)程。這些進(jìn)程都有不同的優(yōu)先級，所以當(dāng)一個進(jìn)程從進(jìn)入CPU調(diào)度隊(duì)列到占用CPU時間片，這個時間是不可預(yù)知的，這是Windows非實(shí)時性的最主要根源所在。具體到我們的串口收發(fā)數(shù)據(jù)流程中，第3)步和第7)步是時延不確定的最主要環(huán)節(jié)。

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文進(jìn)行了一項(xiàng)測試，當(dāng)?shù)孛鏈y試設(shè)備只運(yùn)行測試軟件，其他所有應(yīng)用軟件都停止(包括殺毒軟件)，程序循環(huán)發(fā)送指令，等待100 ms，若超時未收到回令則停止循環(huán)并報錯，若正常則繼續(xù)循環(huán)。測試6個小時左右，發(fā)生2次超時。

作為對比測試，在運(yùn)行測試軟件循環(huán)測試的同時，打開殺毒軟件，進(jìn)行全盤查殺病毒，測試1個小時左右，發(fā)生了12次超時。主要原因是殺毒時頻繁的磁盤IO操作占用CPU資源，殺毒軟件進(jìn)程也需要大量占用CPU時間片，從而提高了與地面測試軟件的碰撞沖突概率，造成了大量的超時現(xiàn)象。

2 高精度軟時鐘

高精度時鐘源是實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時處理的前提和基準(zhǔn)。例如通信設(shè)備上多采用外部時鐘源或衛(wèi)星授時方法，而在地面測試設(shè)備上外掛時鐘源或增加衛(wèi)星授時模塊的方法會顯著增加復(fù)雜度和成本，不易實(shí)現(xiàn)。

為了使各種實(shí)時處理任務(wù)能在Windows平臺上正確地執(zhí)行，利用操作系統(tǒng)API函數(shù)實(shí)現(xiàn)軟時鐘是可行的。然而Windows目前提供的延時函數(shù)最小時間粒度都是ms級，且理想情況下精度僅能達(dá)到百ms級，所以直接調(diào)用API函數(shù)也不能保證時間精度。

對于單核CPU，Intel匯編指令RDTSC可以獲得納秒級的精度[8]。然而，這項(xiàng)技術(shù)不再適用于多核環(huán)境[9]。為了構(gòu)造高精度的軟件時鐘，本文采用了文獻(xiàn)[5]所提出的排他性線程獨(dú)占技術(shù)，它為輸出實(shí)時行為的特定任務(wù)分配一個獨(dú)占的處理器內(nèi)核。一個線程被創(chuàng)建并專用于在一個獨(dú)占的CPU邏輯核上執(zhí)行。該線程所做的一切就是調(diào)用RDTSC來計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)時間。由于線程是不可中斷的，這種方法為內(nèi)核模式的實(shí)時過程獲得了一個高精度的時鐘實(shí)用程序。圖2為構(gòu)造這種時鐘的偽代碼。

圖2 高精度時鐘源偽代碼

通過設(shè)置軟件時鐘，可以在每一個閾值時間段中執(zhí)行一次TIME_OUT事件。例如，將閾值定義為1 ms或1 μs，在主頻為2.8 GHz頻率的CPU上，觀察到實(shí)際的超時時間周期比閾值大幾納秒，這是合理的，因?yàn)樵贑PU中執(zhí)行單個匯編指令所需的時間為納秒級。所以本方法所生成的軟時鐘可以達(dá)到十納秒級精度。

3 測試軟件實(shí)時信息處理方法

3.1 測試軟件實(shí)時性設(shè)計(jì)

為保證地面測試軟件實(shí)時性，信息交互線程也采用排他性線程獨(dú)占技術(shù)，獨(dú)占一個CPU邏輯核，由于Intel的i5系列之后都是至少包含了4個物理核(單核雙線程技術(shù)，等效為8個邏輯核)，所以地面測試設(shè)備中被獨(dú)占2～3個邏輯核后并不會顯著操作系統(tǒng)的其他功能，如圖3所示。

由圖3可以看到，邏輯核3、5、7分別被3個線程獨(dú)占，在運(yùn)行中被獨(dú)占的邏輯核的CPU使用率始終為100%，不會被操作系統(tǒng)任務(wù)管理器中斷，從而保證了實(shí)時性。

信息交互線程在與彈上設(shè)備發(fā)生信息交互時，使用本文第2章所設(shè)計(jì)的高精度時鐘源來作為時鐘基準(zhǔn)，可以精確計(jì)算出彈上設(shè)備回令是否超時。

3.2 測試軟件高速計(jì)算設(shè)計(jì)

地面測試軟件與彈上設(shè)備接口分為有線和無線接口兩類，其中有線接口多為串口、并口、1553B接口和以太網(wǎng)口等，無線接口多為各類專用無線通信接口，如遙測系統(tǒng)無線接口等。

一般來說，有線接口的計(jì)算量不大，若地面測試軟件與彈上設(shè)備接口為無線接口，無線通信協(xié)議的計(jì)算量是非常巨大的，尤其是物理層，包含了信道編碼與解調(diào)、FFT等。一般來說，GPP的運(yùn)算能力是不能勝任基帶數(shù)字信號處理計(jì)算的，這也是為什么到目前為止商用無線通信都是用專用基帶芯片的原因。為了突破這個計(jì)算瓶頸，可充分借鑒FPGA的原理，地面測試軟件可將所有輸入與輸出結(jié)果映射為一個查找表(LUT)，然后將LUT裝載到CPU的二級緩存中。一方面節(jié)省了計(jì)算的時間開銷，另一方面減少了查找的時間[10-14]。在通用CPU中，不同存儲器的典型容量和訪問時間如圖4所示。

圖4 通用存儲器容量及訪問時間

3.3 測試軟件低時延傳輸設(shè)計(jì)

由圖1可以看到串口在Windows平臺下的信息流，是包含了多個環(huán)節(jié)。

在信息流中，每一個環(huán)節(jié)意味著數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移和傳遞，為了避免程度中內(nèi)存拷貝所引入的處理時延，要在地面測試軟件設(shè)計(jì)開發(fā)時盡可能多地采用數(shù)據(jù)“零”拷貝，即利用MDL(memory descriptor list)來進(jìn)行內(nèi)存操作，這樣可顯著減小信息傳輸時延，避免造成地面測試設(shè)備向彈上設(shè)備回令時超時。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

用兩臺地面測試設(shè)備搭建試驗(yàn)場景。為不失一般性，測試設(shè)備之間采用串口(RS422)通信，兩臺測試設(shè)備均是Windows平臺，安裝了采用了本文所述實(shí)時信息處理方法的軟件。試驗(yàn)方法如下：

1)測試設(shè)備1通過串口向測試設(shè)備2發(fā)送一個串口數(shù)據(jù)幀1，同時記錄時間戳T1；

2)測試設(shè)備2收到數(shù)據(jù)幀1后，立即向測試設(shè)備1返回一個數(shù)據(jù)幀2；

3)測試設(shè)備1收到數(shù)據(jù)幀2后，記錄時間戳T2，計(jì)算出時間差ΔT=T2-T1；

4)重復(fù)上述步驟1)～ 3)，記錄1 000次時間差數(shù)據(jù)；

5)打開測試設(shè)備1上殺毒軟件，執(zhí)行全盤掃描，重復(fù)上述步驟1)～4)，記錄1 000次時間差數(shù)據(jù)；

6)關(guān)閉測試設(shè)備1上殺毒軟件，打開測試設(shè)備2上殺毒軟件，執(zhí)行全盤掃描，重復(fù)上述步驟1)～4)，記錄1 000次時間差數(shù)據(jù)；

7)同時打開測試設(shè)備1和測試設(shè)備2上殺毒軟件，執(zhí)行全盤掃描，重復(fù)上述步驟1)～4)，記錄1 000次時間差數(shù)據(jù)。

4次測試結(jié)果分別如圖5所示。

圖5 測試結(jié)果及對比

由測試結(jié)果分析，4次測試均值依次為12.2 μs，12.5 μs，12.1 μs，12.0 μs，相差不大。由圖5可見，4次結(jié)果均方差也分布在2～4之間，數(shù)據(jù)一致性較好，從而證明了本方法的有效性。

5 結(jié)束語

面向Windows平臺下的地面測試設(shè)備，本文提出了一種基于排他性線程獨(dú)占技術(shù)和高精度軟時鐘技術(shù)的實(shí)時信息處理方法，可以實(shí)時處理以太網(wǎng)、串口等有線或無線I/O信息，該方法開發(fā)難度低、周期短且不增加設(shè)備成本。首先簡要分析了Windows非實(shí)時性機(jī)理，進(jìn)而詳細(xì)闡述高精度軟時鐘技術(shù)和地面測試軟件的實(shí)時信息處理方法，最后對本方法的有效性試驗(yàn)驗(yàn)證分析，測試數(shù)據(jù)一致性較好。