0 引言
隨著科學技術的不斷進步,實時嵌入式操作系統(tǒng)得以廣泛應用,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,它被廣泛應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中[1]。
目前,對于航天事業(yè)的發(fā)展不斷深入,對星務管理系統(tǒng)軟件的功能越來越多,越來越復雜,同時性能要求也越來越高,而在這樣的復雜多任務的情況下,同樣需要保證任務處理的實時性[2]。
為此,本文以VxWorks操作系統(tǒng)為核心,分析星務管理系統(tǒng)軟件的基本功能任務,結合VxWorks操作系統(tǒng)高效的實時性多任務調度、中斷管理以及實時的系統(tǒng)資源等特點,設計討論在諸多星務任務情況下,確保每個任務能夠被合理調度,提高星務管理系統(tǒng)軟件的高可實時性要求。
1 VxWorks的多任務特性
VxWorks操作系統(tǒng)采用微內核的設計風格,由微內核提供基本的多任務環(huán)境及對多任務進行管理[3]。在VxWorks操作系統(tǒng)中,每個任務都會具有就緒狀態(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]。
這些任務的狀態(tài)會隨著調用相應的系統(tǒng)函數(shù)發(fā)生從當前狀態(tài)跳轉為相應的下一個狀態(tài),在任何狀態(tài)下的任務也都能夠被刪除。
VxWorks提供了兩種任務調度算法:基于任務優(yōu)先級的搶占式調度算法、基于時間片輪轉的調度算法。對于具有多任務環(huán)境下的系統(tǒng),必須采用以上的其中一種調度算法,并將CPU的資源賦給處于就緒狀態(tài)的任務。而對于高實時性要求的系統(tǒng),若能將以上兩種任務調度的協(xié)調配合很好地實現(xiàn)在系統(tǒng)中,系統(tǒng)的實時性便能得到更好的保證。時間片輪轉的調度及優(yōu)先級的搶占式調度結合實例如圖1所示。

圖1中任務1和任務2的優(yōu)先級相同,任務3的優(yōu)先級高于任務1和任務2,任務4的優(yōu)先級高于任務3。任務1和任務2按照基于時間片輪轉的調度算法根據(jù)時間片的長度輪詢占用CPU資源;當任務3來到時,搶占了任務1的資源,任務1被掛起,而任務3開始執(zhí)行;當任務4到來時,搶占了任務3的資源,任務3被掛起,任務4開始執(zhí)行;當任務4執(zhí)行完畢后,任務3被喚醒繼續(xù)執(zhí)行;當任務3執(zhí)行完畢后,任務1被喚醒并繼續(xù)執(zhí)行。
2 星務管理系統(tǒng)軟件多任務設計
2.1 架構分析
在復雜的星務管理系統(tǒng)軟件中,需要考慮軟件的復用性、各個任務的內聚性和耦合性,從而保證星務管理系統(tǒng)軟件高可靠性[5]。為此,結合VxWorks操作系統(tǒng)的特點,可將星務管理系統(tǒng)軟件分為4層:板級包驅動層、系統(tǒng)內核層、由VxWorks提供的公共系統(tǒng)函數(shù)層以及應用層。
圖2為星務管理系統(tǒng)軟件的結構圖。

圖2中,板級包驅動層提供與硬件接口的底層驅動程序,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)內核層是整個系統(tǒng)的核心層,它為多任務提供管理、任務間切換、調度分配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,為應用層訪問系統(tǒng)內核層提供了系統(tǒng)接口函數(shù);應用層實現(xiàn)復雜的任務處理,如:姿態(tài)控制任務、遙測控制任務、軌跡控制任務、載荷控制任務、溫度控制任務等。
2.2 多任務調度
2.2.1 基于任務優(yōu)先級的搶占式調度設計
由第1節(jié)介紹有關VxWorks多任務特性的設計思想,根據(jù)星務管理系統(tǒng)軟件自身功能的需要,對任務進行合理有效的劃分和優(yōu)先級適當?shù)脑O置,可以較好地簡化星務管理系統(tǒng)軟件的復雜度,也可以增加星務管理系統(tǒng)軟件的穩(wěn)定性。保證任務調度的正確性,則更好地保證了整個系統(tǒng)實時性[6]。
星務管理系統(tǒng)軟件按照設置周期性地運行,通過內部總線和網(wǎng)絡接收內部傳感器和外部指令控制單元的命令和數(shù)據(jù),經(jīng)分析可對相應的任務進行控制操作。根據(jù)星務管理系統(tǒng)軟件各功能特點,本文對一部分基本任務進行劃分,各個任務的優(yōu)先級由高到低分別為:(1)看門狗定時器中斷處理任務;(2)遙控接收分析數(shù)據(jù)任務;(3)飛行軌跡任務;(4)姿態(tài)控制任務;(5)載荷控制任務;(6)遙測采集任務;(7)溫度控制任務;(8)數(shù)據(jù)存取任務。
圖3為星務管理系統(tǒng)軟件任務運行關系圖。

圖3中,對于星務管理系統(tǒng)軟件的初始化任務也可視為父任務,由父任務創(chuàng)建各個任務。設計中看門狗任務的優(yōu)先級最高,這是為了保證系統(tǒng)在運行中,當出現(xiàn)異常情況導致整個系統(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)任務的優(yōu)先級要高于看門狗中中斷處理任務以外的其他任務,遙控接收分析數(shù)據(jù)的結果將會影響到其他任務內的執(zhí)行流程;數(shù)據(jù)存取任務的優(yōu)先級最低,因為任何任務都可以搶占其CPU資源,所以需要為數(shù)據(jù)存取任務開辟一段較大的數(shù)據(jù)存儲緩存,保證當被高于數(shù)據(jù)存取任務優(yōu)先級的任務搶占資源后,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,在對以上任務進行時間片劃分時,對于看門狗任務以及遙控接收分析數(shù)據(jù)任務的時間片設置時間應盡量短,而其他任務的時間片設置應適當合理,進而保證整個系統(tǒng)的實時性。
2.2.2 基于時間片輪轉的調度設計
在沒有接收到指令要求改變衛(wèi)星姿態(tài),或者調整衛(wèi)星運行軌跡時,姿態(tài)任務和軌跡任務應當會按照初始設定的姿態(tài)和軌跡執(zhí)行[7],即這每個任務按照時間片輪轉方式進行調度。
不同型號的處理器芯片有不同的工作頻率,因此,設星務管理系統(tǒng)軟件的調度周期為TS。以飛行軌跡任務、姿態(tài)控制任務、遙測采集任務和數(shù)據(jù)存取任務為例,分別為以上4個任務分配時間片,具體參數(shù)如表1所示。

根據(jù)表1可以確定星務管理系統(tǒng)軟件的調度周期最小為:TS=20te。為了便于任務分配,可將星務管理系統(tǒng)軟件的調度周期細化成幾段小周期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能夠被星務管理系統(tǒng)軟件的調度周期TS整除;
(3)因為調度執(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,任務是否可以完成,要求在任務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個條件得到的結構可以得出小周期f的取值為4te。由此可以繪制出一個調度周期為TS=20te的調度結果圖,如圖4所示。

圖4中,T1、T2、T3和T4分別代表行軌跡任務、姿態(tài)控制任務、遙測采集任務和數(shù)據(jù)存取任務。根據(jù)表1和圖4中對每個任務的時間片的劃分,通過上述計算可以保證每個任務能夠被正確、合理地調度,保證了整個系統(tǒng)的實時性。
2.3 多任務間通信
星務管理系統(tǒng)軟件的復雜多任務之間需要一些通信機制來協(xié)調各自的活動[5]。VxWorks操作體系提供任務間通信的方式包括:信號量、消息隊列、管道、共享內存和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間通信方式。
2.3.1 信號量
本文星務管理系統(tǒng)軟件采用二進制信號量的同步和互斥功能,來改變每個任務的狀態(tài)機。如圖5所示,在遙控接收分析數(shù)據(jù)任務中,根據(jù)數(shù)據(jù)分析得到需要發(fā)生變化的任務指令,進而釋放對應任務,如:姿態(tài)控制任務,令姿態(tài)控制任務改變原來姿態(tài)為當前指令需要的姿態(tài)。

在數(shù)據(jù)存取任務時,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)的準確性。
2.3.2 消息隊列
本文星務管理系統(tǒng)軟件采用消息隊列的FIFO方式,用于遙測采集任務和數(shù)據(jù)存取任務間的通信,根據(jù)需求設置消息的大小,當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,并在數(shù)據(jù)存取任務占用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)對星務管理系統(tǒng)軟件的設計分析,使用Tornado2.2開發(fā)環(huán)境中搭建星務管理系統(tǒng)軟件,實現(xiàn)遙控接收分析數(shù)據(jù)任務、飛行軌跡任務、姿態(tài)控制任務、溫度控制任務、數(shù)據(jù)存取任務等多任務之間的切換,以及多任務之間的通信。
采用Tornado2.2開發(fā)環(huán)境的WindViwe調試工具來觀測星務管理系統(tǒng)軟件多任務并發(fā)運行的結果,如圖7所示。

圖7中顯示飛行任務、姿態(tài)控制任務以及讀取數(shù)據(jù)任務在遙控指令任務的協(xié)調下,進行任務的切換和任務之間的通信,數(shù)據(jù)采集任務和數(shù)據(jù)存儲任務的優(yōu)先級要低于其他任務,并沒有影響到采集數(shù)據(jù)任務以及采集數(shù)據(jù)的分析處理任務的運行。
在每個任務中加入輸出語句代碼來進一步驗證本系統(tǒng)能夠保證多任務合理的執(zhí)行。通過Tornado2.2開發(fā)環(huán)境的調試后臺觀察結果,如圖8所示。
從圖8中可以看出,當姿態(tài)控制任務和軌跡任務接收到指令時,發(fā)生了姿態(tài)以及軌跡的改變;能夠實時地檢測、采集、分析溫度變化,并根據(jù)溫度的變化反應溫度的適度情況。
通過以上驗證描述,表明了對于星務管理系統(tǒng)軟件的多任務的設計合理性,同時也能夠保證軟件框架的有效性,滿足星務管理系統(tǒng)軟件的實時性的要求。
4 結論
本文描述了一個基于VxWorks實時操作系統(tǒng)的星務管理系統(tǒng)軟件多任務實時性調度設計和實現(xiàn)。根據(jù)本文描述中的設計方法,通過模擬測試結果表明了多任務調度的可靠性、整體軟件架構的有效性,并滿足實時性的要求。本文描述的設計方法將移植到某架構平臺上進一步進行驗證。
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