基于嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks的SCSI硬盤高速記錄系統(tǒng)

    摘要：介紹了由基于VxWorks的實時嵌入式操作系統(tǒng)、多個SCSI硬盤陣列以及高幀頻CCD數(shù)字相機構(gòu)成的嵌入式高速記錄系統(tǒng)。

    關(guān)鍵詞：

在一些特別的科學(xué)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域，需要采用高幀頻、大面陣的ＣＣＤ相機以獲取高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)，用于對變化較快的觀測對象的運動軌跡及其變化特性分析或?qū)崟r計算。由此可產(chǎn)生高達５０ＭＢ／ｓ以上的實時數(shù)據(jù)流，需要持續(xù)地實時記錄，以便于事后分析。

本文介紹中科院光電技術(shù)研究所針對高速實時圖像記錄任務(wù)的要求，專門設(shè)計開發(fā)的ＶｘＷｏｒｋｓ嵌入式操作系統(tǒng)下的高速嵌入式ＳＣＳＩ硬盤陣列記錄系統(tǒng)。

在本系統(tǒng)中采用的高幀頻ＣＣＤ數(shù)字相機其工作幀頻為：２００幀／秒，分辨率為：５３２×５１６像素，８ｂｉｔ灰度級，有效數(shù)據(jù)率約為５５ＭＢ／ｓ。要求能對其長時間地持續(xù)記錄，且不允許中間有丟幀現(xiàn)象。

實際工程項目中，在技術(shù)上采用了嵌入式計算機和Ｖｘｗｏｒｋｓ嵌入式操作系統(tǒng)以及ＳＣＳＩ硬盤陣列系統(tǒng)，成功地完成了上述任務(wù)。

１ 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

１．１ 硬件框圖

硬件框圖如圖１所示。

整個系統(tǒng)在硬件上由嵌入式計算機、ＣＣＤ相機、ＰＣＩ采集卡、ＳＣＳＩ控制卡及ＳＣＳＩ硬盤陣列組成。系統(tǒng)基于ＰＣＩ總線架構(gòu)。目前使用３２位３３ＭＨｚ的ＰＣＩ總線，可實現(xiàn)約１３２ＭＢ／ｓ的數(shù)據(jù)傳輸率。以后將使用６４位６６ＭＨｚ的ＰＣＩ總線，以達到更高的數(shù)據(jù)傳輸率。來自ＣＣＤ相機的高速數(shù)據(jù)流經(jīng)ＰＣＩ采集卡交叉緩沖存儲后送往ＰＣＩ總線，ＳＣＳＩ控制卡與ＰＣＩ采集卡在ＰＣＩ總線上通過ＤＭＡ方式直接交換數(shù)據(jù)。記錄存儲介質(zhì)的接口采用ＳＣＳＩ總線接口。

１．２ ＳＣＳＩ總線接口

ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）小型計算機系統(tǒng)接口是一種連接主機與外圍設(shè)備的接口，支持包括磁盤驅(qū)動器、磁帶機、光驅(qū)、掃描儀在內(nèi)的多種設(shè)備。它由ＳＣＳＩ控制器進行數(shù)據(jù)操作。ＳＣＳＩ控制器相當(dāng)于一塊小型ＣＰＵ，有自己的命令集和緩存。ＳＣＳＩ 接口是智能化的，可以彼此通信而不增加ＣＰＵ 的負擔(dān)。當(dāng)向ＳＣＳＩ硬盤讀寫數(shù)據(jù)時，主機ＣＰＵ只需向ＳＣＳＩ控制卡發(fā)出讀寫命令，ＳＣＳＩ控制卡會自動處理并以ＤＭＡ方式執(zhí)行相應(yīng)的讀寫操作，完全不需要主機的干預(yù)，使主機和ＳＣＳＩ卡可以并行地工作。與ＩＤＥ接口相比，速度、性能和穩(wěn)定性都要比ＩＤＥ好得多，具體區(qū)別如表１。

表1 SCSI接口與IDE接口比較

ＳＣＳＩ接口幾經(jīng)變革，傳輸率、支持設(shè)備等功能都有大幅度的改進。在速度上，ＳＣＳＩ接口規(guī)范隨時間有表２所示的規(guī)范版本。

表2 SCSI接口發(fā)展歷史

從Ｕｌｔｒａ２之后，ＳＣＳＩ采用全新的ＬＶＤ(Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ)串接模塊。ＬＶＤ的特性為低電壓、信號干擾少、兼容傳統(tǒng)排線，可以有較長的串接距離，也可以兼顧傳輸速度與設(shè)備數(shù)。這次任務(wù)使用Ｕｌｔｒａ１６０，接口速度可達１６０ＭＢ／ｓ。實際應(yīng)用中只需要５５ＭＢ／ｓ的傳輸速度。實際測出的速度達８０ＭＢ／ｓ以上。

２ 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

２．１ ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)軟件基于ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)平臺。ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)是目前世界上最先進的高性能實時操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用于航空、航天、導(dǎo)彈武器系統(tǒng)(包括火星探陸車、愛國者導(dǎo)彈系統(tǒng)、Ｆ－１６戰(zhàn)機等)。它包括一個微內(nèi)核、強大的網(wǎng)絡(luò)支持，以及文件系統(tǒng)和Ｉ／Ｏ管理、Ｃ＋＋支持的各種模塊。它的多任務(wù)、搶占調(diào)度、快速上下文切換、低中斷延遲和快速靈活的通信機制更是ＶｘＷｏｒｋｓ的突出優(yōu)點。

ＶｘＷｏｒｋｓ特點：

（１) 支持多種ＣＰＵ

包括ｘ８６、ＰｏｗｅｒＰＣ、６８Ｋ、ｉ９６０、ＳＰＡＲＣ、Ｍｉｐｓ等。還支持ＲＩＳＣ和ＤＳＰ技術(shù)。

（２) 實時性

ＶｘＷｏｒｋｓ系統(tǒng)本身的開銷很小，進程調(diào)度、進程間通信、中斷處理等系統(tǒng)公用程序精練而有效，造成的延遲很短。ＶｘＷｏｒｋｓ提供多任務(wù)機制，對任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級搶占（Ｐｒｅｅｍｐｔｉｖｅ Ｐｒｉｏｒｉｔｙ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）和輪轉(zhuǎn)調(diào)度（Ｒｏｕｎｄ－Ｒｏｂｉｎ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）機制，也充分保證了可靠的實時性，使同樣的硬件配置能滿足更強的實時性要求，為應(yīng)用的開發(fā)留下更大的余地。

（３) 可裁減性

用戶在使用操作系統(tǒng)時，并不是操作系統(tǒng)中的每一個部件都用到。例如圖形顯示、文件系統(tǒng)以及一些設(shè)備驅(qū)動在某些嵌入式系統(tǒng)中并不使用。ＶｘＷｏｒｋｓ 由一個體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進行定制的系統(tǒng)模塊組成，可裁剪的組件超過８０個。ＶｘＷｏｒｋｓ內(nèi)核最小為 ８ＫＢ，即便加上其它必要模塊，所占用的空間也很小，且不失其實時、多任務(wù)的系統(tǒng)特征。由于其高度靈活，用戶可以很容易地對這一操作系統(tǒng)進行定制或適當(dāng)開發(fā)，滿足自己的實際應(yīng)用需要。

（４) 可靠性

操作系統(tǒng)的可靠性是用戶首要考慮的問題。而穩(wěn)定、可靠一直是ＶｘＷｏｒｋｓ的一個突出優(yōu)點。ＶｘＷｏｒｋｓ以其良好的可靠性在一些實時關(guān)鍵任務(wù)領(lǐng)域贏得了廣泛的用戶。

    ２．２ 系統(tǒng)軟件功能

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖２所示。記錄系統(tǒng)完全通過接收來自ＲＳ－２３２串口或ＴＣＰ網(wǎng)絡(luò)的命令字進行工作。記錄結(jié)束后通過ＴＣＰ網(wǎng)絡(luò)下載記錄數(shù)據(jù)。

首先進行系統(tǒng)初始化，對各硬件進行必要的初始設(shè)置，確定其工作狀態(tài)。包括：網(wǎng)絡(luò)部件的初始化、ＳＣＳＩ卡的初始化、ＳＣＳＩ硬盤的初始化、ＰＣＩ采集卡的初始化以及處理來自ＰＣＩ采集卡硬件中斷的信號量的初始化。

然后進行系統(tǒng)自檢，包括對ＳＣＳＩ硬盤記錄速度測試自檢以判定是否能達到要求的記錄速度、硬盤的讀寫自檢，以及對自己定義在硬盤前一段當(dāng)作數(shù)據(jù)檢索用的信息頭的自檢。

系統(tǒng)自檢成功后將會調(diào)用ｔａｓｋＳｐａｗｎ()系統(tǒng)調(diào)用使處理串口和網(wǎng)絡(luò)命令的模塊運行起來。根據(jù)主控計算機發(fā)來的命令字調(diào)用相應(yīng)的功能模塊并給主控計算機相應(yīng)的回答響應(yīng)。具體命令包括：Ａ查詢系統(tǒng)版本、Ｂ自檢、Ｃ開始記錄、Ｄ停止記錄、Ｅ查詢硬盤剩余容量、Ｆ開始圖像數(shù)據(jù)下載、Ｇ查詢系統(tǒng)狀態(tài)、Ｈ硬盤清空、Ｉ查詢單次任務(wù)信息。系統(tǒng)最重要的工作是記錄任務(wù)。ＰＣＩ采集卡每７５ｍｓ發(fā)出一個中斷，在這段時間里采集卡已經(jīng)完成了一個緩沖區(qū)共４ＭＢ數(shù)據(jù)的采集，此時來的圖像數(shù)據(jù)流存儲在另外一個４ＭＢ緩沖區(qū)中，即所謂的交叉存儲技術(shù)，以保證數(shù)據(jù)不會丟失。在這７５ｍｓ時間內(nèi)必須完成記錄４ＭＢ的任務(wù)，記錄速度約為５４ＭＢ／ｓ。在實際測試中，記錄４ＭＢ的數(shù)據(jù)一般５０ｍｓ即可完成，記錄速度約為８０ＭＢ／ｓ，因此較好地完成了記錄任務(wù)。實際編程，在硬件中斷服務(wù)程序中只是用ｓｅｍＧｉｖｅ()系統(tǒng)函數(shù)放出一個信號量，由發(fā)起任務(wù)具體處理記錄操作。中斷服務(wù)程序不象一般的任務(wù)那樣運行在普通的任務(wù)上下文中，它沒有任務(wù)控制塊，所有的中斷服務(wù)程序共享一個堆棧。所以對中斷服務(wù)程序的基本要求就是不能引起阻塞。例如在中斷服務(wù)程序不能調(diào)用ｐｒｉｎｔｆ()函數(shù)用于輸出信息。

此外，在中斷服務(wù)程序中也不能通過ＶｘＷｏｒｋｓ驅(qū)動執(zhí)行Ｉ／Ｏ操作。此項目中陣列了三個ＳＣＳＩ硬盤，每個硬盤容量為３６ＧＢ，共計１０８ＧＢ。由于一個硬盤物理的持續(xù)讀寫速度在３０ＭＢ／ｓ左右，因此必須陣列地讀寫多個ＳＣＳＩ硬盤，在處理中斷服務(wù)程序的任務(wù)中利用每個硬盤物理的讀寫間隙，按一定時隙分別寫入每個硬盤一定的數(shù)據(jù)量，實現(xiàn)了硬盤的并行工作，達到了高速存儲記錄的目的。

本系統(tǒng)成功地應(yīng)用于實際工程項目中，其可靠性和實時性已在嚴(yán)格的實際應(yīng)用環(huán)境中得到檢驗。下一步，將進一步提高記錄系統(tǒng)的性能指標(biāo)，采用基于６４位６６ＭＨｚ的ＰＣＩ總線、ＳＣＳＩ Ｕｌｔｒａ ３２０接口、千兆網(wǎng)絡(luò)接口以及陣列更多的ＳＣＳＩ硬盤，使系統(tǒng)的記錄速度、記錄容量、下載傳輸速度和可靠性都有更大的提高。本系統(tǒng)雖然是專門為我所實時測控系統(tǒng)中高速記錄任務(wù)而設(shè)計，但實際上也廣泛地應(yīng)用于圖像處理、雷達、聲納等對實時圖像記錄有要求的領(lǐng)域。