|
介紹了由基于VxWorks的實(shí)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(jī)構(gòu)成的嵌入式高速記錄系統(tǒng)｡ 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(jī)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(yùn)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(dá)50MB/s以上的實(shí)時數(shù)據(jù)流,需要持續(xù)地實(shí)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(shí)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(jī)其工作幀頻為:200幀/秒,分辨率為:532%26;#215;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(shí)際工程項目中,在技術(shù)上采用了嵌入式計算機(jī)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(jī)､CCD相機(jī)､  CI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(shí)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(dá)到更高的數(shù)據(jù)傳輸率｡來自CCD相機(jī)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(jī)系統(tǒng)接口是一種連接主機(jī)與外圍設(shè)備的接口,支持包括磁盤驅(qū)動器､磁帶機(jī)､光驅(qū)､掃描儀在內(nèi)的多種設(shè)備｡它由SCSI控制器進(jìn)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(fù)擔(dān)｡當(dāng)向SCSI硬盤讀寫數(shù)據(jù)時,主機(jī)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(jī)的干預(yù),使主機(jī)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 IDE接口 最快速度 Ultra320 ATA133 可連接設(shè)備 最多15臺 最多4臺 硬盤轉(zhuǎn)速 10000~15000r/s以上 5400~7200r/s以上 占CPU資源 極少 較多 成本 較高 十分便宜 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(jìn)｡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 Narrow(8位) Wide(16位) 最長連線長度 SCSI-1 5MB/s Fast SCSI 10MB/s 20MB/s 6m Ultra SCSI 20MB/s 40MB/s 1.5m Ultra2 SCSI 40MB/s 80MB/s 12m Ultra 160 160MB/s 12m Ultra 320 320MB/s 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(dá)160MB/s｡實(shí)際應(yīng)用中只需要55MB/s的傳輸速度｡實(shí)際測出的速度達(dá)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(jìn)的高性能實(shí)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(jī)等)｡它包括一個微內(nèi)核､強(qiáng)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(jī)制更是VxWorks的突出優(yōu)點(diǎn)｡ VxWorks特點(diǎn): (1) 支持多種CPU 包括x86､ owerPC､68K､i960､SPARC､Mips等｡還支持RISC和DSP技術(shù)｡ (2) 實(shí)時性 VxWorks系統(tǒng)本身的開銷很小,進(jìn)程調(diào)度､進(jìn)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(jī)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(jī)制,也充分保證了可靠的實(shí)時性,使同樣的硬件配置能滿足更強(qiáng)的實(shí)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(jìn)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(shí)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(jìn)行定制或適當(dāng)開發(fā),滿足自己的實(shí)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(diǎn)｡VxWorks以其良好的可靠性在一些實(shí)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(jìn)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(jìn)行系統(tǒng)初始化,對各硬件進(jìn)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､ CI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(jìn)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(dá)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(yùn)行起來｡根據(jù)主控計算機(jī)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(jī)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)｡ CI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(shí)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(shí)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(yùn)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(shí)現(xiàn)了硬盤的并行工作,達(dá)到了高速存儲記錄的目的｡ 本系統(tǒng)成功地應(yīng)用于實(shí)際工程項目中,其可靠性和實(shí)時性已在嚴(yán)格的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中得到檢驗(yàn)｡下一步,將進(jìn)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(shí)時測控系統(tǒng)中高速記錄任務(wù)而設(shè)計,但實(shí)際上也廣泛地應(yīng)用于圖像處理､雷達(dá)､聲納等對實(shí)時圖像記錄有要求的領(lǐng)域｡ |
