0 引言

    隨著科學技術(shù)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(shù)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(jié)合VxWorks操作系統(tǒng)高效的實時性多任務調(diào)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(diào)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(nèi)核的設計風格，由微內(nèi)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(diào)用相應的系統(tǒng)函數(shù)發(fā)生從當前狀態(tài)跳轉(zhuǎn)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(diào)度算法：基于任務優(yōu)先級的搶占式調(diào)度算法、基于時間片輪轉(zhuǎn)的調(diào)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(diào)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(diào)度的協(xié)調(diào)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(zhuǎn)的調(diào)度及優(yōu)先級的搶占式調(diào)度結(jié)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(zhuǎn)的調(diào)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(gòu)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(nèi)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(jié)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(qū)動層、系統(tǒng)內(nèi)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(jié)構(gòu)圖。

    圖2中，板級包驅(qū)動層提供與硬件接口的底層驅(qū)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(nèi)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(diào)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(nèi)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(diào)度

2.2.1 基于任務優(yōu)先級的搶占式調(diào)度設計

    由第1節(jié)介紹有關(guān)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(diào)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(nèi)部總線和網(wǎng)絡接收內(nèi)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(guān)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(jié)果將會影響到其他任務內(nèi)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(zhuǎn)的調(diào)度設計

    在沒有接收到指令要求改變衛(wèi)星姿態(tài)，或者調(diào)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(zhuǎn)方式進行調(diào)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(diào)度周期為T_S。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(diào)度周期最小為：T_S=20t_e。為了便于任務分配，可將星務管理系統(tǒng)軟件的調(diào)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(diào)度周期T_S整除；

    (3)因為調(diào)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(jié)構(gòu)可以得出小周期f的取值為4t_e。由此可以繪制出一個調(diào)度周期為T_S=20t_e的調(diào)度結(jié)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(diào)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(diào)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(nèi)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(diào)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(jié)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(diào)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(diào)試后臺觀察結(jié)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?qū)崟r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(jié)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(diào)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(jié)果表明了多任務調(diào)度的可靠性、整體軟件架構(gòu)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(gòu)平臺上進一步進行驗證。

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作者信息：

趙建坤，張大松，胡愛蘭，李建宏

（華北計算機系統(tǒng)工程研究所，北京100083）