2 基于VxWorks的轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)控通信端軟件開發(fā)
2.1 實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks
??? VxWorks是美國(guó)風(fēng)河公司(Windriver)為嵌入式系統(tǒng)量身打造的一款實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。其微秒量級(jí)的任務(wù)切換和中斷延遲時(shí)間，使其成為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)家族中的佼佼者。經(jīng)過(guò)二十多年市場(chǎng)應(yīng)用的驗(yàn)證，VxWorks被認(rèn)為是高度可靠的操作系統(tǒng)。
??? VxWorks除了強(qiáng)實(shí)時(shí)性和高可靠性之外，還具備多任務(wù)調(diào)度的特點(diǎn)。VxWorks中任務(wù)的概念類似Windows中的線程，每個(gè)明顯單獨(dú)運(yùn)行的程序成為一個(gè)任務(wù)。每個(gè)任務(wù)都可以直接訪問(wèn)或共享大多數(shù)資源和內(nèi)存空間，并擁有自己存放局部變量的棧和存放寄存器、延時(shí)定時(shí)器、時(shí)間片定時(shí)器等控制塊。每個(gè)任務(wù)都擁有自己的任務(wù)名、任務(wù)ID和優(yōu)先級(jí)。內(nèi)核根據(jù)各任務(wù)優(yōu)先級(jí)的高低，進(jìn)行高優(yōu)先級(jí)搶占式的調(diào)度，而對(duì)于同等優(yōu)先級(jí)的任務(wù)采用輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略。VxWorks任務(wù)間的同步方式也比較靈活，分別提供了共享內(nèi)存、管道、信號(hào)量、消息隊(duì)列等機(jī)制。豐富的通信機(jī)制和調(diào)度方式選擇使VxWorks下的任務(wù)編制非常靈活，十分適合在有限時(shí)間內(nèi)同時(shí)處理多個(gè)事件。
2.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 測(cè)控軟件從功能角度分類可以分為遙測(cè)任務(wù)和遙控任務(wù)兩個(gè)部分。遙測(cè)任務(wù)需要采集、整理轉(zhuǎn)臺(tái)上各設(shè)備的工程數(shù)據(jù)，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)中。遙控任務(wù)需要先通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收到地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)解包、解碼發(fā)送給遙控處理任務(wù)來(lái)執(zhí)行遙控指令。但從數(shù)據(jù)的通信類別角度分類，可以分為串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信兩部分。從編程角度，更傾向于后一種分類來(lái)組織軟件的編寫。
2.2.1 串口通信
??? 串口通信的主要任務(wù)是采集遙測(cè)數(shù)據(jù)。從圖1可以看出，轉(zhuǎn)臺(tái)上有3路數(shù)據(jù)要通過(guò)串口進(jìn)行通信，分別是GPS、陀螺和飛輪電機(jī)。由于3個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)更新率不同(GPS為1Hz、陀螺為300Hz、飛輪電機(jī)為2Hz)，所以對(duì)于PC104主機(jī)而言，遙測(cè)數(shù)據(jù)的到來(lái)具有隨機(jī)性。為了能在各路遙測(cè)數(shù)據(jù)到來(lái)之際及時(shí)做出響應(yīng)，需要利用VxWorks系統(tǒng)提供的I/O復(fù)用機(jī)制進(jìn)行串口數(shù)據(jù)接收。具體程序代碼如下：
??? if((xxxFd =open(″/tyCo/0″，O_RDWR，0))==ERROR)
??? {
??????? perror(″Error in opening com1!″)；
??????? return(ERROR)；
????}
??? taskSpawn(TNAME_COMXXXRECV，TPRI_COMXXXRECV，0，XXX_STACK_SIZE，(FUNCPTR)xxxRecv，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0)；
??? STATUS xxxRecv(void)
??? {? …
??????? while(1)
?????{
??????? FD_ZERO(&readFds)；
??????? FD_SET(xxxFd，&readFds)；
??????? if(select (width，&readFds，NULL，NULL，NULL)==ERROR)
???????????? return (ERROR)；
??????? if(FD_ISSET(xxxFd,&readFds))
??????? {
?????????????if((recvLen=read(xxxFd，recvBuf，buf_size))==ERROR)
???????????? {
????????????????printf(″ERROR when read XXX!)；
??????????????? return(ERROR)；
???????????? }
???????????? ……
??????? //釋放相應(yīng)信號(hào)量，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、遙測(cè)數(shù)據(jù)編碼、下傳數(shù)據(jù)打包等任務(wù)的執(zhí)行。
????????……
??????}
?????}
????}
??? 首先，需要通過(guò)I/O系統(tǒng)API函數(shù)open()打開串口，系統(tǒng)為相應(yīng)的串口分配一個(gè)表示該串口的文件標(biāo)識(shí)符xxxFd，然后通過(guò)taskSpawn()函數(shù)發(fā)起串口接收任務(wù)。串口接收任務(wù)對(duì)應(yīng)的入口函數(shù)為xxxRecv()，xxxRecv()函數(shù)的函數(shù)體是一個(gè)死循環(huán)，不斷接收串口數(shù)據(jù)。在死循環(huán)的開始處應(yīng)用I/O復(fù)用機(jī)制，利用FD_ISSET()函數(shù)查看文件描述符集的xxxFd位是否被置位。如果xxxFd所對(duì)應(yīng)的串口有數(shù)據(jù)到來(lái)，底層的驅(qū)動(dòng)程序會(huì)將數(shù)據(jù)傳遞到系統(tǒng)維護(hù)的接收環(huán)形隊(duì)列緩沖內(nèi)存中，同時(shí)將文件描述符集中的xxxFd位置位。當(dāng)FD_ISSET()函數(shù)發(fā)現(xiàn)xxxFd位被置位時(shí)，則使串口接收任務(wù)解除阻塞，開始向下執(zhí)行，通過(guò)read()函數(shù)將存放在環(huán)形隊(duì)列中的數(shù)據(jù)接收到用戶緩沖區(qū)recvBuf[]數(shù)組中。如果沒有數(shù)據(jù)到來(lái)，則文件描述符集中的xxxFd位為復(fù)位狀態(tài)，串口接收任務(wù)阻塞。通過(guò)使用I/O復(fù)用機(jī)制，成功地解決了不同數(shù)據(jù)源更新率不同步的難題。這種機(jī)制類似一個(gè)軟中斷，真正做到了數(shù)據(jù)的即到即收。
2.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信
??? 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信擔(dān)負(fù)著連接轉(zhuǎn)臺(tái)與地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)的重任。由于PC104主機(jī)帶有網(wǎng)卡，而且VxWorks對(duì)多任務(wù)和BSD Socket具有良好的支持，所以完備的嵌入式軟硬件環(huán)境使得無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信在轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能。
??? 網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)是基于BSD Socket的編程，使用的是Server/Client模式。轉(zhuǎn)臺(tái)上的嵌入式主機(jī)為服務(wù)器(Server)，臺(tái)下的監(jiān)控計(jì)算機(jī)為客戶端(Client)。BSD Socket通常構(gòu)造兩種應(yīng)用類型：面向連接的SOCK_STREAM應(yīng)用和無(wú)連接的SOCK_DGRAM應(yīng)用。面向連接的應(yīng)用即基于TCP協(xié)議的socket應(yīng)用，無(wú)連接的應(yīng)用即UDP應(yīng)用。TCP協(xié)議是提供給用戶的一種可靠的全雙工面向連接的協(xié)議，而且TCP協(xié)議具有正確性檢查機(jī)制。在此選用TCP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。
??? 基于TCP協(xié)議面向連接的Socket應(yīng)用框架如圖2所示。首先，在服務(wù)器端創(chuàng)建Socket，然后調(diào)用bind()函數(shù)將Socket與一個(gè)端點(diǎn)地址綁定，并通過(guò)listen()函數(shù)偵聽客戶的連接請(qǐng)求，然后調(diào)用accept()阻塞任務(wù)，等待請(qǐng)求的到來(lái)。當(dāng)客戶端利用connect()連接到服務(wù)器的偵聽端口時(shí)，服務(wù)器與客戶端進(jìn)行3次握手建立點(diǎn)到點(diǎn)的連接。連接建立完畢以后，就可以調(diào)用read()和write()函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送了。

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??? 從圖3可以看出，網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用程序中建立了兩個(gè)緩沖隊(duì)列，用來(lái)緩沖網(wǎng)絡(luò)接收和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。緩沖隊(duì)列由鏈表" title="鏈表">鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)添加與刪除來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了節(jié)省空間，沒有用VxWorks自身提供的雙向鏈表結(jié)構(gòu)，而是用單向鏈表，并用兩個(gè)全局指針來(lái)記錄鏈表頭尾的首地址，用一個(gè)全局變量來(lái)記錄鏈表的長(zhǎng)度，以省略查找的過(guò)程。

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??? 每個(gè)鏈表元素為一個(gè)結(jié)構(gòu)體struct xxxList，結(jié)構(gòu)體內(nèi)容包含網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)頭指針pTemp和指向下一個(gè)元素的指針pNext。全局變量為鏈表頭的指針listHead、指向鏈表尾的指針listRear以及鏈表的長(zhǎng)度變量listLen。圖4表示含有n個(gè)元素的鏈表結(jié)構(gòu)。

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??? 使用緩沖隊(duì)列可以有效地提高通信的可靠性。在沒有緩沖隊(duì)列的情況下，雖然實(shí)時(shí)性極強(qiáng)的VxWorks在絕大多數(shù)情況下能夠保證對(duì)需要傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的處理，但仍然不能避免數(shù)據(jù)缺失情況的發(fā)生。而如果有一幀關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失，則有可能造成某任務(wù)的阻塞。當(dāng)阻塞時(shí)間超時(shí)，可能引起Watchdog的啟動(dòng)，從而中止實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。而加入緩沖隊(duì)列可以使尚未來(lái)得及處理的數(shù)據(jù)得到保護(hù)，從而避免了數(shù)據(jù)的丟失。從另一種角度說(shuō)，也提高了CPU的利用率。
3 多任務(wù)調(diào)度測(cè)試
??? 由于轉(zhuǎn)臺(tái)上只有一臺(tái)嵌入式控制主機(jī)，所以臺(tái)上各種數(shù)據(jù)的采集、控制算法的實(shí)現(xiàn)、轉(zhuǎn)臺(tái)的自主管理等功能都將由這個(gè)嵌入式主機(jī)單獨(dú)完成。VxWorks強(qiáng)大而靈活的多任務(wù)調(diào)度管理能力可以協(xié)助嵌入式PC104主機(jī)完成這些功能。
??? 在轉(zhuǎn)臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，VxWorks操作系統(tǒng)將同時(shí)維護(hù)二十多個(gè)任務(wù)。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，要明確各任務(wù)的運(yùn)行狀況就必須了解系統(tǒng)對(duì)多個(gè)任務(wù)調(diào)度的情況，從而發(fā)現(xiàn)編程時(shí)考慮不周的bug。VxWorks的開發(fā)環(huán)境Tornado為用戶提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)監(jiān)視工具WindView，此工具可以在Target端的實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中記錄各個(gè)元素之間動(dòng)態(tài)交互的信息，然后在Host端用圖形化的方式直觀地顯示出來(lái)。
??? 圖5給出了進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，用WindView采集到的各任務(wù)占用CPU的時(shí)序。通過(guò)WindView圖可以看出，雖然系統(tǒng)維護(hù)的任務(wù)很多，而且有的任務(wù)被調(diào)用或者響應(yīng)中斷的頻率很高，但由于VxWorks操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度的能力很強(qiáng)，所以沒有造成任務(wù)的擁堵、死鎖或者饑餓等情況的發(fā)生，圓滿地完成了轉(zhuǎn)臺(tái)的仿真實(shí)驗(yàn)。

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