現(xiàn)今的信號處理設(shè)備越來越復(fù)雜，不僅要求高速的處理能力，而且要求功能多樣化，僅僅追求速度已經(jīng)不能滿足需求。尤其在復(fù)雜多變的環(huán)境中，要求信號處理機能夠完成多種處理功能，并能方便靈活地切換工作模式。因此有必要發(fā)展一種可重構(gòu)和可擴展的通用信號處理系統(tǒng)，能將信號處理機多功能化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。將嵌入式操作系統(tǒng)與高速實時信號處理機結(jié)合，可以很好地實現(xiàn)這些要求。在雷達火控系統(tǒng)中，信號處理不僅需要很高的處理速度，而且要滿足控制顯示多方面的需求，如果沒有操作系統(tǒng)，實現(xiàn)起來不僅復(fù)雜而且不便于系統(tǒng)的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。因此，采用實時操作系統(tǒng)VxWorks實現(xiàn)雷達系統(tǒng)的控制和顯示功能。VxWorks是一種類UNIX的高性能嵌入式實時操作系統(tǒng)，其中斷響應(yīng)速度是微秒級的。它是專門為實時嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的操作系統(tǒng)，提供了高效的實時任務(wù)調(diào)度、中斷管理、實時系統(tǒng)資源及實時任務(wù)通信。VxWorks可以為各種CPU硬件平臺提供統(tǒng)一的接口和一致的運行特征，這便于以后的系統(tǒng)移植和升級。基于以上優(yōu)點，VxWorks廣泛應(yīng)用于航空、航天、醫(yī)療、通信、雷達和聲納等領(lǐng)域。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)硬件基于6U的VME總線設(shè)計，由多個子模塊組成，包括A/D采樣板、信號處理板、定時接口板、嵌入式計算機VG4。

　　A/D采樣板作為前端采集雷達的回波信號。它采用AD10242，采樣率為32MHz，包含2個A/D變換器，可以對兩路模擬信號作模數(shù)變換，輸出2個12位的數(shù)據(jù)。由于采樣的數(shù)據(jù)率遠(yuǎn)低于DSP的處理能力，所以通過大容量的FIFO對A/D采樣的數(shù)據(jù)緩存，再以DMA的方式發(fā)送給DSP處理。為了滿足要求，信號處理系統(tǒng)以流水的方式處理數(shù)據(jù)。通過鏈路口和總線使多片DSP進行數(shù)據(jù)傳輸，最后，由VG4顯示目標(biāo)檢測結(jié)果。

　　VG4是SBS公司的一款專門針對工業(yè)控制設(shè)計的嵌入式計算機。VG4的處理器采用Motorola PowerPC 755，主頻400MHz，擁有64MB SDRAM，16MB Flash用來固化操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，而且提供了豐富的接口。VxWorks操作系統(tǒng)及其應(yīng)用程序在VG4上運行。由于目標(biāo)機VG4的資源有限，程序的開發(fā)由主機的交叉開發(fā)平臺Tornado完成，通過串口和以太網(wǎng)下載目標(biāo)代碼并調(diào)試。程序開發(fā)完成后可以固化在目標(biāo)機VG4的Flash上，這樣系統(tǒng)每次啟動就從Flash加載程序。操作系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)主要采用C語言。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流如圖1所示。

　　1.1 定時接口板的設(shè)計

　　定時接口板對于整個系統(tǒng)實時穩(wěn)定的工作起了關(guān)鍵作用。它產(chǎn)生的定時脈沖信號控制著發(fā)射接收機、A/D采樣板、信號處理板和VG4。

　　定時接口板通過VME總線與VG4進行數(shù)據(jù)傳輸。VME總線是一種高性能的背板總線，由于采用高電流總線信號、嚴(yán)密的邏輯仲裁，所以具有極強的總線驅(qū)動能力及較長的信號線傳輸路徑，可支持21個VME板卡的直接相連，信號可靠性非常高。VME總線由于其信號的高穩(wěn)定性、并行性和高可靠性，被廣泛應(yīng)用于多DSP系統(tǒng)中。

　　接口板上的FPGA實現(xiàn)VME橋接功能，使雙口RAM連到VME總線和TS101的總線上，以進行數(shù)據(jù)傳輸。通過軟件操作VG4控制定時接口板啟動波駐起始脈沖串T0，在每個波駐起始脈沖產(chǎn)生的同時產(chǎn)生定時中斷脈沖，作為每幀定時信號組的時間基準(zhǔn)。中斷信號通過VME總線中斷VG4，并作為其中斷請求信號。VG4響應(yīng)定時中斷脈沖，向定時接口板傳送控制參數(shù)。定時接口板據(jù)此參數(shù)控制信處、AD、收發(fā)設(shè)備，并接收信處回傳的檢測結(jié)果，傳給VG4進行處理和顯示。數(shù)據(jù)是由外部中斷驅(qū)動的，所以能滿足實時性要求。定時接口板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　1.2 信號處理板的設(shè)計

　　雷達信號處理的實時性和連續(xù)性要求處理系統(tǒng)應(yīng)具有較高的數(shù)據(jù)處理能力。本系統(tǒng)設(shè)計時采用多片DSP構(gòu)成并行處理系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。信號處理系統(tǒng)核心單元是美國Analog Devices Inc公司生產(chǎn)的ADSP-TS101，其峰值運算能力可達18億次/秒。它采用了改進的靜態(tài)超標(biāo)量流水結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)成各種不同的并行多處理器系統(tǒng)，較好地滿足了雷達信號處理的要求。

　　為了保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力，采用數(shù)據(jù)入口與出口分開的方法，系統(tǒng)中各DSP分別接收處理位于不同時間段的雷達回波信號。為了使各DSP協(xié)調(diào)工作，DSP間的通信必不可少。本系統(tǒng)采用共享總線的分布式結(jié)構(gòu)，使得各DSP之間的通信有多種途徑。為了信號處理板的通用性和靈活性，設(shè)計由四片DSP組成的共享總線結(jié)構(gòu)子板，各DSP間用鏈路口點對點環(huán)形相連，將各信號線通過PMC插槽引出，與母板通信。信號處理板結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　2 嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks

　　VxWorks是實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，它能在確定的時間內(nèi)執(zhí)行其功能，并對外部異步事件作出響應(yīng)。多任務(wù)環(huán)境允許一個實時應(yīng)用劃分為多個獨立任務(wù)運行，各任務(wù)有各自的線程和系統(tǒng)資源。VxWorks實時操作系統(tǒng)由多個相對獨立的目標(biāo)模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當(dāng)模塊來裁剪及配置系統(tǒng)，從而有效地保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。這樣，通過目標(biāo)模塊之間的按需組合，可得到許多滿足功能需求的應(yīng)用。

　　下面介紹VxWorks的技術(shù)特征。

　　（1）任務(wù)

　　在VxWorks中，最小的程序運行單位稱為任務(wù)（Task）。建立任務(wù)時，要對其分配一段固定的代碼和數(shù)據(jù)空間。操作系統(tǒng)內(nèi)核通過任務(wù)控制塊對它的執(zhí)行、通信、資源等情況進行控制。任務(wù)具有就緒、阻塞、掛起和延遲等狀態(tài)。與大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)一樣，在VxWorks中，所有任務(wù)存在于統(tǒng)一的線性空間中共享物理內(nèi)存，每個任務(wù)沒有自己獨立的代碼段和堆，只有獨立的動態(tài)棧，任務(wù)中的地址即是真正的物理地址。由于不需要進行地址空間映射，所以任務(wù)切換時的上下文切換（Context Switch）時間大為減少，從而符合實時操作系統(tǒng)快速響應(yīng)的原則。VxWorks的代碼段與堆共享減少了上下文切換時間，卻帶來了共享代碼的可重入性問題。如一個函數(shù)被兩個任務(wù)調(diào)用，當(dāng)其中包含對全局、靜態(tài)變量等從堆中分配空間的數(shù)據(jù)進行訪問時，就有可能產(chǎn)生沖突，從而引發(fā)錯誤。這個問題在應(yīng)用軟件開發(fā)時要加以注意，其解決方法是使用局部變量（從棧中分配空間）或使用互斥信號量對臨界代碼進行保護。

　?。?）任務(wù)調(diào)度

　　VxWorks有優(yōu)先級搶占調(diào)度和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度兩種任務(wù)調(diào)度策略。系統(tǒng)共有256 個優(yōu)先級。優(yōu)先級搶占調(diào)度指一個優(yōu)先級較低的任務(wù)正在執(zhí)行中，另一個優(yōu)先級高的任務(wù)進入就緒狀態(tài)，則馬上搶占處理器資源，執(zhí)行高優(yōu)先級任務(wù)，直到高優(yōu)先級任務(wù)釋放處理器（完成、掛起、阻塞等）才繼續(xù)執(zhí)行被中斷的低優(yōu)先級任務(wù)。優(yōu)先級搶占調(diào)度可以保證實時系統(tǒng)的迅速響應(yīng)特性，但也存在問題。當(dāng)系統(tǒng)中存在幾個相同優(yōu)先級的任務(wù)時，就會使單一任務(wù)獨占處理器直至完成。如果這個任務(wù)占用太多時間，則會影響其他同優(yōu)先級任務(wù)的運行。當(dāng)加入時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度時，系統(tǒng)給相同優(yōu)先級的任務(wù)分配相同的一段時間片，以輪轉(zhuǎn)方式占用CPU。加入了基于優(yōu)先級的時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度方式，使不同優(yōu)先級的任務(wù)間以搶占方式調(diào)度，相同優(yōu)先級的任務(wù)以時間片進行輪轉(zhuǎn)。

　?。?）存儲管理

　　在基本的內(nèi)核中，任務(wù)直接操作線性物理內(nèi)存，不存在虛擬存儲等復(fù)雜的存儲管理策略，這主要是針對實時性考慮的。對于存在MMU的處理器中，VxWorks也提供支持標(biāo)準(zhǔn)的虛擬存儲區(qū)和共享內(nèi)存（多處理器間共享）組件。這樣任務(wù)是操作虛擬存儲，代碼更加安全。

　?。?）任務(wù)間通信

　　任務(wù)間存在多種通信形式，內(nèi)核支持各種UNIX的通用手段：信號量（Semaphore）、消息隊列（Message Queue）、管道（Pipe）、信號（Signal）、套接字（Socket）。信號量主要用于對臨界資源進行互斥保護及任務(wù)間或中斷與任務(wù)間的同步；消息隊列多用于消息驅(qū)動機制；管道是基于文件系統(tǒng)實現(xiàn)的任務(wù)間按先進先出方式傳送數(shù)據(jù)的通信方式；信號相當(dāng)于軟中斷，用于顯示錯誤信息；套接字機制主要用于網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)任務(wù)間需要大量交換數(shù)據(jù)時，由于VxWorks直接操作物理內(nèi)存，可以直接訪問全局存儲區(qū)，不需要特別的手段。這與Linux下的共享存儲段申請和Windows中的存儲映射文件方式不同。

　?。?）中斷

　　在VxWorks中，所有中斷服務(wù)程序都不屬于任何一個任務(wù)，并且使用同一個棧進行數(shù)據(jù)存儲，中斷將不會引起上下文切換，以實現(xiàn)高效的中斷響應(yīng)。中斷與各任務(wù)之間可以通過前面所述的各種手段通信，但是對中斷服務(wù)程序有一些限制。因為中斷不存在上下文切換，所以不能調(diào)用可能導(dǎo)致阻塞的資源。例如動態(tài)分配內(nèi)存（malloc）、獲取信號量（semTake）和打印程序（printf）等。中斷資源寶貴，所以中斷服務(wù)程序應(yīng)盡量短小，把運算量大和耗時的工作放在服務(wù)程序外處理。

　?。?）文件系統(tǒng)

　　VxWorks支持網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS及多種本地文件系統(tǒng)，如MS_DosFS、RawFS和RT-11FS，用戶可根據(jù)具體配置選擇。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)支持

　　Vxworks支持多種物理介質(zhì)的TCP/IP協(xié)議族和幾乎所有常用的基于TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議，如ARP、BOOTP、SLIP和FTP，甚至其啟動就是通過BOOTP或FTP方式取得系統(tǒng)映象文件。

　　以上簡單介紹了VxWorks的一些技術(shù)特征，充分反映了實時性與嵌入式的密切相關(guān)性。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

　　VG4軟件開發(fā)主要分為操作系統(tǒng)的配置生成和應(yīng)用程序的開發(fā)兩部分。操作系統(tǒng)的生成主要是對BSP的配置和對VxWorks組件進行裁剪。在應(yīng)用程序的開發(fā)中，為了滿足實時性要求，應(yīng)對任務(wù)進行合理劃分，使程序達到多任務(wù)并行操作。

　　任務(wù)劃分需要遵循以下原則：

　?。?）功能內(nèi)聚性。對于功能聯(lián)系比較緊密的各工作可以用一個任務(wù)來運行。如果用多個任務(wù)進行相互之間的消息通信，將會影響系統(tǒng)效率。

　?。?）時間緊迫性。對于實時性要求比較高的任務(wù)，以高優(yōu)先級運行，以保證事件的實時響應(yīng)。

　?。?）周期執(zhí)行原則。對于一個需要周期性執(zhí)行的工作，應(yīng)作為一個獨立的模塊完成。

　　3.1 操作系統(tǒng)的配置

　　在嵌入式操作系統(tǒng)上進行開發(fā)要滿足實時性和資源有限性的要求，因此與通用操作系統(tǒng)存在差異。在生成操作系統(tǒng)時剪裁不需要的組件，添加需要的組件，使系統(tǒng)盡量精簡。操作系統(tǒng)及其應(yīng)用程序主要運行在內(nèi)存中，操作系統(tǒng)太大會占用很多的內(nèi)存空間。應(yīng)用程序運行時要對每個任務(wù)分配合適的內(nèi)存。為了滿足實時性，內(nèi)存分配要盡可能快，因此不采用通用操作系統(tǒng)中復(fù)雜而完善的內(nèi)存分配策略，而采用簡單、快速的內(nèi)存分配方案。如果系統(tǒng)對于實時性和可靠性的要求極高，不能容忍一點延時或者一次分配失敗，最好采用靜態(tài)分配方案，也就是在程序編譯時所需要的內(nèi)存都已經(jīng)分配好了。例如，火星探測器上的嵌入式系統(tǒng)就必須采用靜態(tài)分配方案。

　　雷達系統(tǒng)對實時性要求很高，所以本系統(tǒng)盡量采用靜態(tài)分配方案。但是VG4內(nèi)存有限，在一些子任務(wù)中也采用動態(tài)分配方案。這里VxWorks采用First Fit的內(nèi)存動態(tài)分配方式，當(dāng)系統(tǒng)需要動態(tài)分配內(nèi)存時，可以保證在很短的時間內(nèi)分配。但是采用這種方式容易產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片，而VxWorks沒有清除碎片的功能，因此對系統(tǒng)動態(tài)分配內(nèi)存要非常小心。

　　根據(jù)本系統(tǒng)的實際情況，接口板傳給VG4的信處檢測結(jié)果數(shù)據(jù)量基本不變，對于這批數(shù)據(jù)可以以另一種方式存儲。通過修改BSP的配置，從RAM中分配一塊用戶保留的存儲區(qū)域。這塊存儲區(qū)是用戶專用的，不會被系統(tǒng)覆蓋。用戶可以通過絕對地址對其進行讀寫。具體方法是設(shè)置RAM布局中User reserved區(qū)域，系統(tǒng)默認(rèn)為0，設(shè)置這塊RAM使之滿足原始數(shù)據(jù)的大小。

　　3.2 應(yīng)用程序的設(shè)計

　　應(yīng)用程序運行在VxWorks操作系統(tǒng)上，其功能包括對系統(tǒng)初始化、根據(jù)輸入命令對各模塊進行控制及實時顯示信號處理結(jié)果。存在著如下幾類數(shù)據(jù)通信：VG4向定時接口板傳送控制參數(shù)，讀取定時接口板中存儲的信處檢測結(jié)果數(shù)據(jù)，響應(yīng)外部中斷，顯示目標(biāo)信息以及獲得外部輸入的控制信息?？紤]到C語言的平臺無關(guān)性和代碼簡介高效性，應(yīng)用程序采用C語言編寫。

　　系統(tǒng)劃分為6個任務(wù)：（1）系統(tǒng)監(jiān)控：啟動和監(jiān)控其他任務(wù)。（2）數(shù)據(jù)傳輸：響應(yīng)VME中斷，與定時接口板進行數(shù)據(jù)通信。（3）數(shù)據(jù)處理：對信處檢測結(jié)果數(shù)據(jù)進行處理，扣除虛假目標(biāo)并轉(zhuǎn)換格式以方便顯示。（4）終端顯示：顯示檢測目標(biāo)結(jié)果和系統(tǒng)狀態(tài)信息到屏幕。（5）指令控制：響應(yīng)控制開關(guān)的命令和獲取慣導(dǎo)數(shù)據(jù)。（6）錯誤處理：對出現(xiàn)錯誤的任務(wù)做出響應(yīng)的處理，并在終端顯示。

　　中斷服務(wù)程序響應(yīng)定時VME7號中斷，程序如下：

　　圖4顯示了各任務(wù)的優(yōu)先級。從中可以看到中斷服務(wù)程序的優(yōu)先級最高，因為實時系統(tǒng)要及時響應(yīng)外部中斷信號。

　　指令控制任務(wù)首先獲取外部開關(guān)命令和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，以消息的形式發(fā)送給數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。當(dāng)中斷來臨時，中斷服務(wù)程序馬上釋放同步信號量 syncSemId。數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)一直等待這個信號量，當(dāng)獲取到這個信號量時，立即把從指令控制任務(wù)收到的消息轉(zhuǎn)換成模式字寫到接口板的雙口RAM中，接著讀取信處檢測結(jié)果數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理子任務(wù)獲取同步信號量syncSemId2后對收到的信處檢測結(jié)果數(shù)據(jù)進行處理，這一任務(wù)最耗時。終端顯示任務(wù)以消息的形式接收上一任務(wù)的處理結(jié)果，并顯示處理結(jié)果及系統(tǒng)目前的運行狀態(tài)信息。信號量廣泛應(yīng)用于同步和對臨界資源的保護，信號量的建立如下：

　　系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)包括初始化各任務(wù)及實時監(jiān)控各任務(wù)運行是否正常。當(dāng)檢測到某任務(wù)運行不正常時，啟動錯誤處理任務(wù)。錯誤處理任務(wù)根據(jù)情況給予相應(yīng)處理，并在終端顯示。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重錯誤時，系統(tǒng)會自動重啟。

　　本文設(shè)計的信號處理機主要應(yīng)用于直升機火控系統(tǒng)，現(xiàn)已經(jīng)過驗收，各項指標(biāo)符合要求。隨著設(shè)計的改進，系統(tǒng)功能將進一步完善，結(jié)構(gòu)會更加通用模塊化，從而實現(xiàn)不改變整個硬件系統(tǒng)平臺，只對程序進行相應(yīng)的修改，便可應(yīng)用于其他領(lǐng)域的信號處理系統(tǒng)中。