0 引言

    隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，實時嵌入式操作系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用，而VxWorks操作系統(tǒng)在絕大多數(shù)的嵌入式操作系統(tǒng)中具有良好的實時性效果，它于1983年由美國的WindRiver公司設(shè)計出來。正是因為VxWorks操作系統(tǒng)的高實時性的特性，它被廣泛應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中^[1]。

    目前，對于航天事業(yè)的發(fā)展不斷深入，對星務(wù)管理系統(tǒng)軟件的功能越來越多，越來越復(fù)雜，同時性能要求也越來越高，而在這樣的復(fù)雜多任務(wù)的情況下，同樣需要保證任務(wù)處理的實時性^[2]。

    為此，本文以VxWorks操作系統(tǒng)為核心，分析星務(wù)管理系統(tǒng)軟件的基本功能任務(wù)，結(jié)合VxWorks操作系統(tǒng)高效的實時性多任務(wù)調(diào)度、中斷管理以及實時的系統(tǒng)資源等特點，設(shè)計討論在諸多星務(wù)任務(wù)情況下，確保每個任務(wù)能夠被合理調(diào)度，提高星務(wù)管理系統(tǒng)軟件的高可實時性要求。

1 VxWorks的多任務(wù)特性

    VxWorks操作系統(tǒng)采用微內(nèi)核的設(shè)計風(fēng)格，由微內(nèi)核提供基本的多任務(wù)環(huán)境及對多任務(wù)進行管理^[3]。在VxWorks操作系統(tǒng)中，每個任務(wù)都會具有就緒狀態(tài)、掛起狀態(tài)、延遲狀態(tài)、休眠狀態(tài)4種基本的狀態(tài)^[4]。

    這些任務(wù)的狀態(tài)會隨著調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)函數(shù)發(fā)生從當(dāng)前狀態(tài)跳轉(zhuǎn)為相應(yīng)的下一個狀態(tài)，在任何狀態(tài)下的任務(wù)也都能夠被刪除。

    VxWorks提供了兩種任務(wù)調(diào)度算法：基于任務(wù)優(yōu)先級的搶占式調(diào)度算法、基于時間片輪轉(zhuǎn)的調(diào)度算法。對于具有多任務(wù)環(huán)境下的系統(tǒng)，必須采用以上的其中一種調(diào)度算法，并將CPU的資源賦給處于就緒狀態(tài)的任務(wù)。而對于高實時性要求的系統(tǒng)，若能將以上兩種任務(wù)調(diào)度的協(xié)調(diào)配合很好地實現(xiàn)在系統(tǒng)中，系統(tǒng)的實時性便能得到更好的保證。時間片輪轉(zhuǎn)的調(diào)度及優(yōu)先級的搶占式調(diào)度結(jié)合實例如圖1所示。

    圖1中任務(wù)1和任務(wù)2的優(yōu)先級相同，任務(wù)3的優(yōu)先級高于任務(wù)1和任務(wù)2，任務(wù)4的優(yōu)先級高于任務(wù)3。任務(wù)1和任務(wù)2按照基于時間片輪轉(zhuǎn)的調(diào)度算法根據(jù)時間片的長度輪詢占用CPU資源；當(dāng)任務(wù)3來到時，搶占了任務(wù)1的資源，任務(wù)1被掛起，而任務(wù)3開始執(zhí)行；當(dāng)任務(wù)4到來時，搶占了任務(wù)3的資源，任務(wù)3被掛起，任務(wù)4開始執(zhí)行；當(dāng)任務(wù)4執(zhí)行完畢后，任務(wù)3被喚醒繼續(xù)執(zhí)行；當(dāng)任務(wù)3執(zhí)行完畢后，任務(wù)1被喚醒并繼續(xù)執(zhí)行。

2 星務(wù)管理系統(tǒng)軟件多任務(wù)設(shè)計

2.1 架構(gòu)分析

    在復(fù)雜的星務(wù)管理系統(tǒng)軟件中，需要考慮軟件的復(fù)用性、各個任務(wù)的內(nèi)聚性和耦合性，從而保證星務(wù)管理系統(tǒng)軟件高可靠性^[5]。為此，結(jié)合VxWorks操作系統(tǒng)的特點，可將星務(wù)管理系統(tǒng)軟件分為4層：板級包驅(qū)動層、系統(tǒng)內(nèi)核層、由VxWorks提供的公共系統(tǒng)函數(shù)層以及應(yīng)用層。

    圖2為星務(wù)管理系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)圖。

    圖2中，板級包驅(qū)動層提供與硬件接口的底層驅(qū)動程序，包括對中斷控制器的初始化、定時器的初始化、串口的初始化等其他硬件的初始化；系統(tǒng)內(nèi)核層是整個系統(tǒng)的核心層，它為多任務(wù)提供管理、任務(wù)間切換、調(diào)度分配CPU資源和對一些異常情況進行處理；公共系統(tǒng)函數(shù)層則起到了很好中間層作用，為應(yīng)用層訪問系統(tǒng)內(nèi)核層提供了系統(tǒng)接口函數(shù)；應(yīng)用層實現(xiàn)復(fù)雜的任務(wù)處理，如：姿態(tài)控制任務(wù)、遙測控制任務(wù)、軌跡控制任務(wù)、載荷控制任務(wù)、溫度控制任務(wù)等。

2.2 多任務(wù)調(diào)度

2.2.1 基于任務(wù)優(yōu)先級的搶占式調(diào)度設(shè)計

    由第1節(jié)介紹有關(guān)VxWorks多任務(wù)特性的設(shè)計思想，根據(jù)星務(wù)管理系統(tǒng)軟件自身功能的需要，對任務(wù)進行合理有效的劃分和優(yōu)先級適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，可以較好地簡化星務(wù)管理系統(tǒng)軟件的復(fù)雜度，也可以增加星務(wù)管理系統(tǒng)軟件的穩(wěn)定性。保證任務(wù)調(diào)度的正確性，則更好地保證了整個系統(tǒng)實時性^[6]。

    星務(wù)管理系統(tǒng)軟件按照設(shè)置周期性地運行，通過內(nèi)部總線和網(wǎng)絡(luò)接收內(nèi)部傳感器和外部指令控制單元的命令和數(shù)據(jù)，經(jīng)分析可對相應(yīng)的任務(wù)進行控制操作。根據(jù)星務(wù)管理系統(tǒng)軟件各功能特點，本文對一部分基本任務(wù)進行劃分，各個任務(wù)的優(yōu)先級由高到低分別為：(1)看門狗定時器中斷處理任務(wù)；(2)遙控接收分析數(shù)據(jù)任務(wù)；(3)飛行軌跡任務(wù)；(4)姿態(tài)控制任務(wù)；(5)載荷控制任務(wù)；(6)遙測采集任務(wù)；(7)溫度控制任務(wù)；(8)數(shù)據(jù)存取任務(wù)。

    圖3為星務(wù)管理系統(tǒng)軟件任務(wù)運行關(guān)系圖。

    圖3中，對于星務(wù)管理系統(tǒng)軟件的初始化任務(wù)也可視為父任務(wù)，由父任務(wù)創(chuàng)建各個任務(wù)。設(shè)計中看門狗任務(wù)的優(yōu)先級最高，這是為了保證系統(tǒng)在運行中，當(dāng)出現(xiàn)異常情況導(dǎo)致整個系統(tǒng)死機或者癱瘓時，看門狗中斷處理函數(shù)會被觸發(fā)，令整個系統(tǒng)進入重啟，保證了整個系統(tǒng)的安全性、可靠性；遙控接收分析數(shù)據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級要高于看門狗中中斷處理任務(wù)以外的其他任務(wù)，遙控接收分析數(shù)據(jù)的結(jié)果將會影響到其他任務(wù)內(nèi)的執(zhí)行流程；數(shù)據(jù)存取任務(wù)的優(yōu)先級最低，因為任何任務(wù)都可以搶占其CPU資源，所以需要為數(shù)據(jù)存取任務(wù)開辟一段較大的數(shù)據(jù)存儲緩存，保證當(dāng)被高于數(shù)據(jù)存取任務(wù)優(yōu)先級的任務(wù)搶占資源后，不會丟失需要存儲的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性、可靠性。

    通過以上分析不難得出，在對以上任務(wù)進行時間片劃分時，對于看門狗任務(wù)以及遙控接收分析數(shù)據(jù)任務(wù)的時間片設(shè)置時間應(yīng)盡量短，而其他任務(wù)的時間片設(shè)置應(yīng)適當(dāng)合理，進而保證整個系統(tǒng)的實時性。

2.2.2 基于時間片輪轉(zhuǎn)的調(diào)度設(shè)計

    在沒有接收到指令要求改變衛(wèi)星姿態(tài)，或者調(diào)整衛(wèi)星運行軌跡時，姿態(tài)任務(wù)和軌跡任務(wù)應(yīng)當(dāng)會按照初始設(shè)定的姿態(tài)和軌跡執(zhí)行^[7]，即這每個任務(wù)按照時間片輪轉(zhuǎn)方式進行調(diào)度。

    不同型號的處理器芯片有不同的工作頻率，因此，設(shè)星務(wù)管理系統(tǒng)軟件的調(diào)度周期為T_S。以飛行軌跡任務(wù)、姿態(tài)控制任務(wù)、遙測采集任務(wù)和數(shù)據(jù)存取任務(wù)為例，分別為以上4個任務(wù)分配時間片，具體參數(shù)如表1所示。

    根據(jù)表1可以確定星務(wù)管理系統(tǒng)軟件的調(diào)度周期最小為：T_S=20t_e。為了便于任務(wù)分配，可將星務(wù)管理系統(tǒng)軟件的調(diào)度周期細(xì)化成幾段小周期f。小周期f需要滿足如下條件：

    (1)小周期f≥最大執(zhí)行時間(t)；

    (2)小周期f能夠被星務(wù)管理系統(tǒng)軟件的調(diào)度周期T_S整除；

    (3)因為調(diào)度執(zhí)行發(fā)生在每個小周期的開始，為了便于確定在時限到達前，任務(wù)是否可以完成，要求在任務(wù)開始和到達時限之間至少有個小周期f的時間，可用式(1)表示：

    綜合以上3個條件得到的結(jié)構(gòu)可以得出小周期f的取值為4t_e。由此可以繪制出一個調(diào)度周期為T_S=20t_e的調(diào)度結(jié)果圖，如圖4所示。

    圖4中，T1、T2、T3和T4分別代表行軌跡任務(wù)、姿態(tài)控制任務(wù)、遙測采集任務(wù)和數(shù)據(jù)存取任務(wù)。根據(jù)表1和圖4中對每個任務(wù)的時間片的劃分，通過上述計算可以保證每個任務(wù)能夠被正確、合理地調(diào)度，保證了整個系統(tǒng)的實時性。

2.3 多任務(wù)間通信

    星務(wù)管理系統(tǒng)軟件的復(fù)雜多任務(wù)之間需要一些通信機制來協(xié)調(diào)各自的活動^[5]。VxWorks操作體系提供任務(wù)間通信的方式包括：信號量、消息隊列、管道、共享內(nèi)存和Socket套接字等。在本系統(tǒng)軟件中采用了信號量和消息隊列兩種任務(wù)間通信方式。

2.3.1 信號量

    本文星務(wù)管理系統(tǒng)軟件采用二進制信號量的同步和互斥功能，來改變每個任務(wù)的狀態(tài)機。如圖5所示，在遙控接收分析數(shù)據(jù)任務(wù)中，根據(jù)數(shù)據(jù)分析得到需要發(fā)生變化的任務(wù)指令，進而釋放對應(yīng)任務(wù)，如：姿態(tài)控制任務(wù)，令姿態(tài)控制任務(wù)改變原來姿態(tài)為當(dāng)前指令需要的姿態(tài)。

    在數(shù)據(jù)存取任務(wù)時，在數(shù)據(jù)緩存區(qū)二進制信號量的互斥功能，保證在寫數(shù)據(jù)時不去進行讀數(shù)據(jù)操作，讀數(shù)據(jù)時不進行寫數(shù)據(jù)操作，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.3.2 消息隊列

    本文星務(wù)管理系統(tǒng)軟件采用消息隊列的FIFO方式，用于遙測采集任務(wù)和數(shù)據(jù)存取任務(wù)間的通信，根據(jù)需求設(shè)置消息的大小，當(dāng)遙測傳感器采集到數(shù)據(jù)后，將采集處理的數(shù)據(jù)通過消息隊列發(fā)送給數(shù)據(jù)存取任務(wù)，并在數(shù)據(jù)存取任務(wù)占用CPU資源時將數(shù)據(jù)記錄存儲，如圖6所示。

3 分析驗證

    根據(jù)第2節(jié)對星務(wù)管理系統(tǒng)軟件的設(shè)計分析，使用Tornado2.2開發(fā)環(huán)境中搭建星務(wù)管理系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)遙控接收分析數(shù)據(jù)任務(wù)、飛行軌跡任務(wù)、姿態(tài)控制任務(wù)、溫度控制任務(wù)、數(shù)據(jù)存取任務(wù)等多任務(wù)之間的切換，以及多任務(wù)之間的通信。

    采用Tornado2.2開發(fā)環(huán)境的WindViwe調(diào)試工具來觀測星務(wù)管理系統(tǒng)軟件多任務(wù)并發(fā)運行的結(jié)果，如圖7所示。

    圖7中顯示飛行任務(wù)、姿態(tài)控制任務(wù)以及讀取數(shù)據(jù)任務(wù)在遙控指令任務(wù)的協(xié)調(diào)下，進行任務(wù)的切換和任務(wù)之間的通信，數(shù)據(jù)采集任務(wù)和數(shù)據(jù)存儲任務(wù)的優(yōu)先級要低于其他任務(wù)，并沒有影響到采集數(shù)據(jù)任務(wù)以及采集數(shù)據(jù)的分析處理任務(wù)的運行。

    在每個任務(wù)中加入輸出語句代碼來進一步驗證本系統(tǒng)能夠保證多任務(wù)合理的執(zhí)行。通過Tornado2.2開發(fā)環(huán)境的調(diào)試后臺觀察結(jié)果，如圖8所示。

    從圖8中可以看出，當(dāng)姿態(tài)控制任務(wù)和軌跡任務(wù)接收到指令時，發(fā)生了姿態(tài)以及軌跡的改變；能夠?qū)崟r地檢測、采集、分析溫度變化，并根據(jù)溫度的變化反應(yīng)溫度的適度情況。

    通過以上驗證描述，表明了對于星務(wù)管理系統(tǒng)軟件的多任務(wù)的設(shè)計合理性，同時也能夠保證軟件框架的有效性，滿足星務(wù)管理系統(tǒng)軟件的實時性的要求。

4 結(jié)論

    本文描述了一個基于VxWorks實時操作系統(tǒng)的星務(wù)管理系統(tǒng)軟件多任務(wù)實時性調(diào)度設(shè)計和實現(xiàn)。根據(jù)本文描述中的設(shè)計方法，通過模擬測試結(jié)果表明了多任務(wù)調(diào)度的可靠性、整體軟件架構(gòu)的有效性，并滿足實時性的要求。本文描述的設(shè)計方法將移植到某架構(gòu)平臺上進一步進行驗證。

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作者信息：

趙建坤，張大松，胡愛蘭，李建宏

（華北計算機系統(tǒng)工程研究所，北京100083）