2 基于VxWorks的轉(zhuǎn)臺測控通信端軟件開發(fā)
2.1 實時嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks
??? VxWorks是美國風(fēng)河公司(Windriver)為嵌入式系統(tǒng)量身打造的一款實時操作系統(tǒng),。其微秒量級的任務(wù)切換和中斷延遲時間,，使其成為實時操作系統(tǒng)家族中的佼佼者。經(jīng)過二十多年市場應(yīng)用的驗證,，VxWorks被認(rèn)為是高度可靠的操作系統(tǒng),。
??? VxWorks除了強實時性和高可靠性之外，還具備多任務(wù)調(diào)度的特點,。VxWorks中任務(wù)的概念類似Windows中的線程,，每個明顯單獨運行的程序成為一個任務(wù)。每個任務(wù)都可以直接訪問或共享大多數(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,、延時定時器、時間片定時器等控制塊,。每個任務(wù)都擁有自己的任務(wù)名,、任務(wù)ID和優(yōu)先級。內(nèi)核根據(jù)各任務(wù)優(yōu)先級的高低,，進行高優(yōu)先級搶占式的調(diào)度,，而對于同等優(yōu)先級的任務(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,、信號量、消息隊列等機制,。豐富的通信機制和調(diào)度方式選擇使VxWorks下的任務(wù)編制非常靈活,，十分適合在有限時間內(nèi)同時處理多個事件。
2.2 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計
??? 測控軟件從功能角度分類可以分為遙測任務(wù)和遙控任務(wù)兩個部分,。遙測任務(wù)需要采集,、整理轉(zhuǎn)臺上各設(shè)備的工程數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到地面監(jiān)控計算機中,。遙控任務(wù)需要先通過網(wǎng)絡(luò)接收到地面監(jiān)控計算機發(fā)送來的數(shù)據(jù),，然后通過解包、解碼發(fā)送給遙控處理任務(wù)來執(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)是采集遙測數(shù)據(jù)。從圖1可以看出,，轉(zhuǎn)臺上有3路數(shù)據(jù)要通過串口進行通信,，分別是GPS、陀螺和飛輪電機,。由于3個設(shè)備的數(shù)據(jù)更新率不同(GPS為1Hz,、陀螺為300Hz、飛輪電機為2Hz),，所以對于PC104主機而言,，遙測數(shù)據(jù)的到來具有隨機性。為了能在各路遙測數(shù)據(jù)到來之際及時做出響應(yīng),，需要利用VxWorks系統(tǒng)提供的I/O復(fù)用機制進行串口數(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)信號量，進行數(shù)據(jù)處理,、遙測數(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)的串口分配一個表示該串口的文件標(biāo)識符xxxFd,，然后通過taskSpawn()函數(shù)發(fā)起串口接收任務(wù),。串口接收任務(wù)對應(yīng)的入口函數(shù)為xxxRecv()，xxxRecv()函數(shù)的函數(shù)體是一個死循環(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所對應(yīng)的串口有數(shù)據(jù)到來,，底層的驅(qū)動程序會將數(shù)據(jù)傳遞到系統(tǒng)維護的接收環(huán)形隊列緩沖內(nèi)存中，同時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,，則使串口接收任務(wù)解除阻塞，開始向下執(zhí)行,，通過read()函數(shù)將存放在環(huán)形隊列中的數(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,，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,。通過使用I/O復(fù)用機制,，成功地解決了不同數(shù)據(jù)源更新率不同步的難題。這種機制類似一個軟中斷,，真正做到了數(shù)據(jù)的即到即收,。
2.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信
??? 無線網(wǎng)絡(luò)通信擔(dān)負(fù)著連接轉(zhuǎn)臺與地面監(jiān)控計算機的重任。由于PC104主機帶有網(wǎng)卡,，而且VxWorks對多任務(wù)和BSD Socket具有良好的支持,，所以完備的嵌入式軟硬件環(huán)境使得無線網(wǎng)絡(luò)通信在轉(zhuǎn)臺測控系統(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)臺上的嵌入式主機為服務(wù)器(Server)，臺下的監(jiān)控計算機為客戶端(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制。在此選用TCP協(xié)議進行網(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與一個端點地址綁定,，并通過listen()函數(shù)偵聽客戶的連接請求，然后調(diào)用accept()阻塞任務(wù),，等待請求的到來,。當(dāng)客戶端利用connect()連接到服務(wù)器的偵聽端口時，服務(wù)器與客戶端進行3次握手建立點到點的連接,。連接建立完畢以后,，就可以調(diào)用read()和write()函數(shù)進行網(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緩沖隊列,，用來緩沖網(wǎng)絡(luò)接收和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。緩沖隊列由鏈表" title="鏈表">鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的動態(tài)添加與刪除來實現(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,，并用兩個全局指針來記錄鏈表頭尾的首地址,，用一個全局變量來記錄鏈表的長度,，以省略查找的過程。

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??? 每個鏈表元素為一個結(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以及鏈表的長度變量listLen,。圖4表示含有n個元素的鏈表結(jié)構(gòu),。

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??? 使用緩沖隊列可以有效地提高通信的可靠性。在沒有緩沖隊列的情況下,，雖然實時性極強的VxWorks在絕大多數(shù)情況下能夠保證對需要傳遞的數(shù)據(jù)進行及時的處理,，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)阻塞時間超時，可能引起Watchdog的啟動,，從而中止實驗的進行,。而加入緩沖隊列可以使尚未來得及處理的數(shù)據(jù)得到保護，從而避免了數(shù)據(jù)的丟失,。從另一種角度說,，也提高了CPU的利用率。
3 多任務(wù)調(diào)度測試
??? 由于轉(zhuǎn)臺上只有一臺嵌入式控制主機,，所以臺上各種數(shù)據(jù)的采集,、控制算法的實現(xiàn)、轉(zhuǎn)臺的自主管理等功能都將由這個嵌入式主機單獨完成,。VxWorks強大而靈活的多任務(wù)調(diào)度管理能力可以協(xié)助嵌入式PC104主機完成這些功能,。
??? 在轉(zhuǎn)臺仿真實驗進行過程中，VxWorks操作系統(tǒng)將同時維護二十多個任務(wù),。對于用戶來說,，要明確各任務(wù)的運行狀況就必須了解系統(tǒng)對多個任務(wù)調(diào)度的情況，從而發(fā)現(xiàn)編程時考慮不周的bug,。VxWorks的開發(fā)環(huán)境Tornado為用戶提供了一個動態(tài)監(jiān)視工具WindView，此工具可以在Target端的實時系統(tǒng)運行過程中記錄各個元素之間動態(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,。
??? 圖5給出了進行轉(zhuǎn)臺仿真實驗過程中，用WindView采集到的各任務(wù)占用CPU的時序,。通過WindView圖可以看出,，雖然系統(tǒng)維護的任務(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)實時多任務(wù)調(diào)度的能力很強,，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)臺的仿真實驗,。

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