嵌入式操作系统在高速实时信号处理系统中的应用

3 系统软件设计与实现

VG4软件开发主要分为操作系统的配置生成和应用程序的开发两部分。操作系统的生成主要是对BSP的配置和对VxWorks组件进行裁剪。在应用程序的开发中，为了满足实时性要求，应对任务进行合理划分，使程序达到多任务并行操作。

任务划分需要遵循以下原则：

(1)功能内聚性。对于功能联系比较紧密的各工作可以用一个任务来运行。如果用多个任务进行相互之间的消息通信，将会影响系统效率。

(2)时间紧迫性。对于实时性要求比较高的任务，以高优先级运行，以保证事件的实时响应。

(3)周期执行原则。对于一个需要周期性执行的工作，应作为一个独立的模块完成。

3.1 操作系统的配置

在嵌入式操作系统上进行开发要满足实时性和资源有限性的要求，因此与通用操作系统存在差异。在生成操作系统时剪裁不需要的组件，添加需要的组件，使系统尽量精简。操作系统及其应用程序主要运行在内存中，操作系统太大会占用很多的内存空间。应用程序运行时要对每个任务分配合适的内存。为了满足实时性，内存分配要尽可能快，因此不采用通用操作系统中复杂而完善的内存分配策略，而采用简单、快速的内存分配方案。如果系统对于实时性和可靠性的要求极高，不能容忍一点延时或者一次分配失败，最好采用静态分配方案，也就是在程序编译时所需要的内存都已经分配好了。例如，火星探测器上的嵌入式系统就必须采用静态分配方案。

雷达系统对实时性要求很高，所以本系统尽量采用静态分配方案。但是VG4内存有限，在一些子任务中也采用动态分配方案。这里VxWorks采用First Fit的内存动态分配方式，当系统需要动态分配内存时，可以保证在很短的时间内分配。但是采用这种方式容易产生大量的内存碎片，而VxWorks没有清除碎片的功能，因此对系统动态分配内存要非常小心。

根据本系统的实际情况，接口板传给VG4的信处检测结果数据量基本不变，对于这批数据可以以另一种方式存储。通过修改BSP的配置，从RAM中分配一块用户保留的存储区域。这块存储区是用户专用的，不会被系统覆盖。用户可以通过绝对地址对其进行读写。具体方法是设置RAM布局中User reserved区域，系统默认为0，设置这块RAM使之满足原始数据的大小。

3.2 应用程序的设计

应用程序运行在VxWorks操作系统上，其功能包括对系统初始化、根据输入命令对各模块进行控制及实时显示信号处理结果。存在着如下几类数据通信：VG4向定时接口板传送控制参数，读取定时接口板中存储的信处检测结果数据，响应外部中断，显示目标信息以及获得外部输入的控制信息。考虑到C语言的平台无关性和代码简介高效性，应用程序采用C语言编写。

系统划分为6个任务：(1)系统监控：启动和监控其他任务。(2)数据传输：响应VME中断，与定时接口板进行数据通信。(3)数据处理：对信处检测结果数据进行处理，扣除虚假目标并转换格式以方便显示。(4)终端显示：显示检测目标结果和系统状态信息到屏幕。(5)指令控制：响应控制开关的命令和获取惯导数据。(6)错误处理：对出现错误的任务做出响应的处理，并在终端显示。

中断服务程序响应定时VME7号中断，程序如下：
if(intConnect( (VOIDFUNCPTR*)0xf0，intHdlr，0)==ERROR)
{ puts(″intInit：Error in connecting to the ISR″)；
return(ERROR)；}
if(sysIntEnable(7)==ERROR)/*响应7号VME中断*/
{ puts(″intInit：Error in Enable ISR 7″)；
return(ERROR)；}

图4显示了各任务的优先级。从中可以看到中断服务程序的优先级最高，因为实时系统要及时响应外部中断信号。

指令控制任务首先获取外部开关命令和惯导数据，以消息的形式发送给数据传输任务。当中断来临时，中断服务程序马上释放同步信号量syncSemId。数据传输任务一直等待这个信号量，当获取到这个信号量时，立即把从指令控制任务收到的消息转换成模式字写到接口板的双口RAM中，接着读取信处检测结果数据。数据处理子任务获取同步信号量syncSemId2后对收到的信处检测结果数据进行处理，这一任务最耗时。终端显示任务以消息的形式接收上一任务的处理结果，并显示处理结果及系统目前的运行状态信息。信号量广泛应用于同步和对临界资源的保护，信号量的建立如下：

if((syncSemId=semBCreate(SEM_Q_FIFO，SEM_EMPTY))==NULL) /*建立同步信号量*/
{ puts(″\nintInit：semBCreate failed″)；
return(ERROR)；}
if((inputGuardSemId=semMCreate(SEM_Q_PRIORITY|SEM_
INVERSION_SAFE|SEM_DELETE_SAFE))==NULL)
/*建立互斥信号量*/
{ puts(″\nintInit：semMCreate failed″)；
return(ERROR)；}

系统监控任务包括初始化各任务及实时监控各任务运行是否正常。当检测到某任务运行不正常时，启动错误处理任务。错误处理任务根据情况给予相应处理，并在终端显示。当系统发生严重错误时，系统会自动重启。

本文设计的信号处理机主要应用于直升机火控系统，现已经过验收，各项指标符合要求。随着设计的改进，系统功能将进一步完善，结构会更加通用模块化，从而实现不改变整个硬件系统平台，只对程序进行相应的修改，便可应用于其他领域的信号处理系统中。