實(shí)時(shí)多任務(wù)火控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

韋金生 陳明哲 漆先虎

(西安電子工程研究所,陜西西安 710010)

實(shí)時(shí)多任務(wù)火控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

韋金生 陳明哲 漆先虎

(西安電子工程研究所,陜西西安 710010)

本文介紹了某火控、任務(wù)模塊、調(diào)度機(jī)制等幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。并用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了該設(shè)計(jì),結(jié)果表明,此方法在實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件設(shè)計(jì)中是可行的和有效的。

實(shí)時(shí)多任務(wù) VxWorks 任務(wù)調(diào)度 火控系統(tǒng)

某防空火控系統(tǒng)中心計(jì)算機(jī)采用VxWorks 操作系統(tǒng)，硬件平臺(tái)基于德國(guó)控創(chuàng)ETX-PM 1．6GHz、1G SDRAM內(nèi)存、一塊CF存儲(chǔ)卡。在本設(shè)計(jì)應(yīng)用中，火控系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)接收各分系統(tǒng)設(shè)備信息，并發(fā)送控制命令給各被控設(shè)備，實(shí)時(shí)輸出目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)諸元給火控計(jì)算機(jī)，用于打擊目標(biāo)。由于此計(jì)算機(jī)涉及外部接口設(shè)備較多，任務(wù)調(diào)度復(fù)雜，本文對(duì)在火控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了研究，經(jīng)理論分析與實(shí)際驗(yàn)證，使系統(tǒng)軟件功能滿足要求，各任務(wù)合理調(diào)度，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

1 軟件平臺(tái)

火控系統(tǒng)中心計(jì)算機(jī)任務(wù)繁多，調(diào)度復(fù)雜，需要一個(gè)高性能的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)作為軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，目前美國(guó)WindRiver System(WRS)公司推出VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域使用最廣泛， 市場(chǎng)占有率最高的操作系統(tǒng)。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛應(yīng)用在軍事、航空和航天等實(shí)時(shí)性要求高的領(lǐng)域中，如導(dǎo)彈發(fā)射，衛(wèi)星導(dǎo)航等。

2 開(kāi)發(fā)流程

火控系統(tǒng)中心計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的接口和控制核心，對(duì)外接口復(fù)雜，處理任務(wù)繁多實(shí)時(shí)性要求又高，是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，因此設(shè)計(jì)需嚴(yán)格遵循實(shí)時(shí)多任務(wù)程序開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程，即：需求分析、數(shù)流分析、分解任務(wù)、定義任務(wù)間接口、任務(wù)級(jí)的設(shè)計(jì)、模塊構(gòu)筑、任務(wù)與系統(tǒng)集成、系統(tǒng)測(cè)試。

2.1任務(wù)劃分

在系統(tǒng)分析的時(shí)候， 首先看到的是系統(tǒng)的功能。把各種功能分解成任務(wù)，火控系統(tǒng)中心計(jì)算機(jī)對(duì)上通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)收發(fā)來(lái)自操控終端和各測(cè)量設(shè)備的數(shù)據(jù)及命令，對(duì)下則要實(shí)時(shí)輸出處理跟蹤數(shù)據(jù)。因此我們對(duì)任務(wù)的劃分遵循H．Gomma原則。

圖 1 數(shù)據(jù)接收任務(wù)調(diào)度

(1)I/O依賴性。

(2)時(shí)間關(guān)鍵性的功能。

(3)計(jì)算量大的功能。

(4)功能內(nèi)聚。

(5)時(shí)間內(nèi)聚。

(6)周期執(zhí)行的功能。

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，將火控系統(tǒng)中心機(jī)軟件劃分為數(shù)據(jù)接收、定時(shí)數(shù)據(jù)處理、操控命令接收三大類任務(wù)。

數(shù)據(jù)接收類任務(wù)包含跟蹤雷達(dá)數(shù)據(jù)接收任務(wù)、視頻跟蹤器數(shù)據(jù)接收任務(wù)、激光測(cè)距機(jī)數(shù)據(jù)接收任務(wù)、坐標(biāo)測(cè)定儀數(shù)據(jù)接收任務(wù)。此類任務(wù)接收各設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)及其狀態(tài)，要求相互獨(dú)立(某個(gè)設(shè)備異常不影響其他設(shè)備的數(shù)據(jù)接收)，且實(shí)時(shí)性高，所以此類任務(wù)具有最高的優(yōu)先級(jí)。

定時(shí)數(shù)據(jù)處理類任務(wù)，根據(jù)性能要求及數(shù)據(jù)率需求原則，分為40ms定時(shí)調(diào)度任務(wù)、200ms定時(shí)調(diào)度任務(wù)。40ms定時(shí)任務(wù)主要完成如下任務(wù)：對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、濾波，得到目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)位置；由當(dāng)前系統(tǒng)主工作模式確定各分系統(tǒng)設(shè)備的工作模式及參數(shù)；發(fā)送控制數(shù)據(jù)到被控設(shè)備；發(fā)送目標(biāo)位置數(shù)據(jù)到火控計(jì)算機(jī)。200ms定時(shí)任務(wù)向操控終端周期的輸出系統(tǒng)跟蹤數(shù)據(jù)及狀態(tài)，以供操控終端顯示。

操控命令接收任務(wù)是系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互的通道，主要接收來(lái)自操作手的操控命令，對(duì)系統(tǒng)工作模式和工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，此類任務(wù)屬非實(shí)時(shí)的任務(wù)，因此優(yōu)先級(jí)較低。

2.2 任務(wù)間接口及通信

該軟件中各任務(wù)相對(duì)獨(dú)立，但相互之間又有通信，VxWorks操作系統(tǒng)中各任務(wù)的內(nèi)存空間在系統(tǒng)管理下是互不干擾的，但是在任務(wù)間通信時(shí)，需要對(duì)一些內(nèi)存空間進(jìn)行共享。實(shí)現(xiàn)內(nèi)存共享最簡(jiǎn)單的辦法是將需要共享的數(shù)據(jù)(包括各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))定義成全局變量。共享內(nèi)存最大的好處就是便利、高速，這也有利于系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。但也有很大的危險(xiǎn)性，當(dāng)該內(nèi)存區(qū)域同時(shí)被不同任務(wù)訪問(wèn)和修改時(shí)就很難保證數(shù)據(jù)的整合性。解決這一問(wèn)題的辦法對(duì)共享內(nèi)存部分進(jìn)行訪問(wèn)上鎖，即使用互斥信號(hào)量。

互斥信號(hào)量更加嚴(yán)格地保護(hù)共享資源以及共享資源的任務(wù)，同時(shí)也為任務(wù)間的同步提供了保障。申請(qǐng)不到互斥信號(hào)量的任務(wù)即轉(zhuǎn)入阻塞態(tài)被放入信號(hào)量等待隊(duì)列中，讓出對(duì)CPU的使用權(quán)。若任務(wù)得到了互斥信號(hào)量，則可以對(duì)共享資源進(jìn)行訪問(wèn)?；コ庑盘?hào)量只能由申請(qǐng)?jiān)撔盘?hào)量的任務(wù)來(lái)釋放。互斥信號(hào)量提供選擇字參數(shù)options，可以按優(yōu)先級(jí)(SEM_Q_PRIOR ITY)與先入先出隊(duì)列(SEM_Q_FIFO)兩種方式排列等待對(duì)信號(hào)量進(jìn)行上鎖的任務(wù)，在選用優(yōu)先級(jí)方式時(shí)，系統(tǒng)提供優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的保護(hù)。

2.3 任務(wù)模塊化

該火控系統(tǒng)中心機(jī)是全系統(tǒng)接口，與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的設(shè)備多，為使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試，我們以每個(gè)設(shè)備作為一個(gè)程序模塊，與該設(shè)備通信的所有任務(wù)的實(shí)現(xiàn)均放在此模塊中。例如跟蹤雷達(dá)模塊，該模塊中包含了與跟蹤雷達(dá)通信端口的初始化、跟蹤雷達(dá)數(shù)據(jù)接收任務(wù)函數(shù)，數(shù)據(jù)的解析函數(shù)，對(duì)跟蹤雷達(dá)的控制數(shù)據(jù)生成函數(shù)，控制數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)等。將這些函數(shù)申明為外部函數(shù)，系統(tǒng)中的任務(wù)(如40ms任務(wù))可以方便的進(jìn)行調(diào)用，或?qū)⒑瘮?shù)直接作為任務(wù)的執(zhí)行函數(shù)。這樣對(duì)程序調(diào)試、添加新的功能以及今后的維護(hù)工作帶來(lái)極大的便利。

2.4 任務(wù)調(diào)度

數(shù)據(jù)接收類任務(wù)實(shí)時(shí)性要求高，此類任務(wù)均通過(guò)以太網(wǎng)接收，采用UDP協(xié)議，調(diào)度此類任務(wù)使用網(wǎng)絡(luò)套接字來(lái)實(shí)現(xiàn)，即操作系統(tǒng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)套接字有數(shù)據(jù)到達(dá)，相應(yīng)任務(wù)立即搶占CPU，接收數(shù)據(jù)到緩存數(shù)組，無(wú)數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)任務(wù)處于阻塞態(tài)，等待操作系統(tǒng)下次調(diào)度，如圖1。此類任務(wù)的通信數(shù)據(jù)量不大，耗時(shí)短，優(yōu)先級(jí)最高。

系統(tǒng)中操控命令接收任務(wù)實(shí)時(shí)性要求不高，此類任務(wù)的調(diào)度同數(shù)據(jù)接收任務(wù)，不同點(diǎn)是此類任務(wù)優(yōu)先級(jí)低，接收數(shù)據(jù)后即處理，即使處理過(guò)程被打斷，也不會(huì)影響任務(wù)的執(zhí)行和系統(tǒng)性能。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中40ms定時(shí)任務(wù)是由硬件產(chǎn)生的中斷來(lái)觸發(fā)執(zhí)行，由于VxWorks中斷服務(wù)程序不在固定的任務(wù)上下文中執(zhí)行，而且沒(méi)有任務(wù)控制塊，所有中斷服務(wù)程序必須共享一個(gè)單獨(dú)的堆棧，這導(dǎo)致許多VxWorks函數(shù)在中斷服務(wù)程序中被禁止使用。解決此問(wèn)題的辦法是拆分中斷服務(wù)程序，即將原來(lái)的中斷服務(wù)程序拆分為中斷服務(wù)程序和中斷服務(wù)任務(wù)兩個(gè)部分：新的中斷服務(wù)程序僅僅執(zhí)行最基本的中斷處理，例如禁止中斷、判斷中斷類型；絕大多數(shù)的任務(wù)處理，特別是會(huì)造成阻塞的任務(wù)應(yīng)該在中斷服務(wù)任務(wù)中執(zhí)行。中斷服務(wù)程序和中斷服務(wù)任務(wù)使用信號(hào)燈同步，其程序框架如下。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件設(shè)計(jì)方法，通過(guò)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了該設(shè)計(jì)，經(jīng)測(cè)試和實(shí)際使用表明，該方法優(yōu)化了火控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)劃分，提高了軟件運(yùn)行效率，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，準(zhǔn)確性均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，驗(yàn)證了該方法可行有效。該方法對(duì)今后此類軟件設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

[1]VxWorks Programmer’s Guide 5.5 [M].Edition 1.USA:Wind River Systems,Inc,2002.

[2]孔祥營(yíng),柏桂枝.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks及其開(kāi)發(fā)環(huán)境Tornado[M].北京:中國(guó)電力出版社,2001.

韋金生(1981—),男,漢族,天津武清人,本科,工程師,主要從事雷達(dá)電子線路設(shè)計(jì)。