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T_S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4t_e,。由此可以繪制出一個調度周期為T_S=20t_e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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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）