用Linux實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)飛機(jī)電子水平狀態(tài)指示儀軟件

吳吉祥，夏靖波，杜華樺

(空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，西安 710077)

0 引言

由于液晶顯示器具有對(duì)比度高、在陽光下清晰可見、以及重量輕等特點(diǎn)，液晶式電子水平狀態(tài)指示儀(EHSI)在飛機(jī)座艙中得到普遍應(yīng)用。但是，液晶式電子水平狀態(tài)指示儀的應(yīng)用會(huì)遇到以下問題［1］。1)圖形處理速度。光柵式圖形顯示系統(tǒng)在顯示一個(gè)圖形前，需要進(jìn)行圖形掃描變換、反走樣和圖形旋轉(zhuǎn)等大量運(yùn)算，隨著顯示分辨率的提高，要處理的像素越來越多，而所允許的處理時(shí)間卻受屏幕的刷新率所限制。所以實(shí)時(shí)圖形生成系統(tǒng)對(duì)處理器處理速度提出了非常高的要求。2)顯示幀存的設(shè)計(jì)。隨著圖形顯示分辨率的提高，要顯示的像素越來越多，將待顯示的像素寫入幀存是一個(gè)頗耗時(shí)間的操作，這將影響圖形的實(shí)時(shí)生成。3)EHSI所顯示的全羅盤畫面，是需要根據(jù)飛機(jī)的參數(shù)實(shí)時(shí)變化的動(dòng)畫，動(dòng)畫的顯示是先把它在舊的位置擦除，再在相近的新位置生成，而要正確地擦除舊畫面，需要對(duì)圖形顯示的狀態(tài)作一串精確的記錄，保持這一串存儲(chǔ)記錄需要非常大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這影響圖形實(shí)時(shí)生成。因此，如何加快圖形的處理和顯示速度，提高圖形的顯示質(zhì)量是電子水平狀態(tài)指示儀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。基于DSP和各種輔助設(shè)備的硬件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)電子飛行儀表顯示系統(tǒng)是當(dāng)前比較主流的方法［2－3］，DSP 主要是完成圖形的實(shí)時(shí)生成和處理，輔助設(shè)備主要用來完成圖形顯示的控制和加速［4］。本文打破了傳統(tǒng)的通過圖形實(shí)時(shí)生成來進(jìn)行顯示的思路，提出了一種新的設(shè)計(jì)思路，即基于嵌入式Linux實(shí)時(shí)系統(tǒng)的電子水平狀態(tài)指示儀設(shè)計(jì)方案。

1 總體設(shè)計(jì)

本軟件基于由ARM處理器、LCD顯示器、存儲(chǔ)器和各種外圍接口組成的最小硬件平臺(tái)。如圖1所示，信息處理機(jī)處理后的飛參信息通過CAN總線傳輸?shù)紸RM主控芯片，ARM主控芯片將各種飛參信息顯示到LCD上。

圖1 EHSI硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of EHSI hardware

1.1 軟件設(shè)計(jì)原則

為了使飛行員能準(zhǔn)確、直觀地獲取當(dāng)前的飛參信息，本軟件遵循以下設(shè)計(jì)原則。

1)信息分級(jí)顯示原則。根據(jù)信息的重要性程度確定優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的信息為自動(dòng)顯示，而優(yōu)先級(jí)較低的信息為選擇性顯示［5］。這樣可以減小信息密度，降低飛行員的壓力。

2)視覺最佳原則。優(yōu)先級(jí)高的信息采用醒目的顏色，相關(guān)信息采用相同顏色。例如，告警信息采用紅色，刻度及相關(guān)信息采用白色，羅盤指針及與之對(duì)應(yīng)的導(dǎo)航信息采用綠色。盡量綜合顯示信息，減少顏色種類，減輕飛行員視覺負(fù)擔(dān)［6］。

3)控制面板最簡(jiǎn)原則。控制面板的設(shè)計(jì)既要具有易操作性，又要盡可能的簡(jiǎn)化，尋求易操作性和最簡(jiǎn)化的最佳結(jié)合。

1.2 軟件設(shè)計(jì)思路

軟件的設(shè)計(jì)思路是根據(jù)信息處理機(jī)傳輸來的飛參信息，從圖形庫中讀取并顯示相應(yīng)的圖片，這樣避免了因圖形的實(shí)時(shí)生成和處理所帶來的各種問題。具體思路為:運(yùn)用“貼圖”技術(shù)，即通過寫Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)［7］下的FB設(shè)備實(shí)現(xiàn)寫內(nèi)存的技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)圖片的顯示;采用Linux下進(jìn)程間通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互進(jìn)程、數(shù)據(jù)讀取進(jìn)程和屏幕刷新進(jìn)程三者之間的通信;采用多級(jí)緩沖技術(shù)克服圖片顯示過程中遇到的閃爍及走樣問題，提高圖片顯示質(zhì)量。

1.3 軟件消息機(jī)制

軟件運(yùn)行是基于消息處理機(jī)制的。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)接受消息，并且對(duì)消息進(jìn)行排隊(duì)處理，消息處理由系統(tǒng)回調(diào)函數(shù)中的循環(huán)體實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，軟件主要處理3類消息:一種是系統(tǒng)初始化信息，用于各種設(shè)備的初始化;其二是定時(shí)消息，用于驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)接收進(jìn)程和屏幕刷新進(jìn)程;其三是人機(jī)交互消息，用于處理飛行員的各種操作。

圖2 EHSI消息機(jī)制Fig.2 The message mechanism of EHSI software

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 “貼圖”技術(shù)

“貼圖”技術(shù)是指通過讀寫Linux系統(tǒng)下的FB設(shè)備來讀寫顯存把圖片直接顯示在屏上的技術(shù)。圖片不需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的生成處理，系統(tǒng)只需要從圖形庫中直接讀取就可以實(shí)現(xiàn)儀表的各種顯示。FrameBuffer即FB設(shè)備是出現(xiàn)在2.2.xx內(nèi)核當(dāng)中的一種驅(qū)動(dòng)程序接口。這種接口將顯示設(shè)備抽象為幀緩沖區(qū)。該驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備文件一般是/dev/fb0、/dev/fb1等。

FrameBuffer中內(nèi)存塊分布如圖3所示。Frame-Buffer的顯示緩沖區(qū)位于Linux核心態(tài)地址空間，在Linux中每個(gè)應(yīng)用程序都有自己的虛擬地址空間，在應(yīng)用程序中是不能直接訪問物理緩沖區(qū)地址的，為此在Linux的文件操作結(jié)構(gòu)中提供mmap函數(shù)可將文件的內(nèi)存映射到用戶空間，對(duì)于幀緩沖設(shè)備則可通過映射操作將屏幕緩沖區(qū)的物理地址映射到用戶空間的一段虛擬地址中，之后用戶可以通過讀寫這段虛擬地址訪問屏幕緩沖區(qū)，在屏幕上畫圖［3］。

圖3 內(nèi)存塊分布Fig.3 Memory block distribution

用戶可以將它看成是顯示內(nèi)存的一個(gè)映像，將其映射到進(jìn)程地址空間之后，就可以直接進(jìn)行讀寫操作，而寫操作可以立即顯示在屏幕上。圖形庫中的圖片是使用Adobe Illustrator CS3繪制的BMP格式的圖片。

2.2 Linux下進(jìn)程間通信技術(shù)

進(jìn)程間通信是內(nèi)核用于協(xié)調(diào)進(jìn)程間相互通信的活動(dòng)。Linux支持一部分進(jìn)程間的通信(Inter－Process Communication，IPC)機(jī)制［4］。信號(hào)和管道是兩種 IPC機(jī)制。

信號(hào)機(jī)制是Unix系統(tǒng)使用最早的進(jìn)程間通信機(jī)制之一，主要用于向一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程發(fā)異步事件信號(hào)，信號(hào)可以通過鍵盤中斷觸發(fā)，也可以由進(jìn)程訪問虛擬內(nèi)存中不存在的地址這樣的錯(cuò)誤來產(chǎn)生。信號(hào)機(jī)制還可以用于shell向它們的子進(jìn)程發(fā)送作業(yè)控制命令。Linux使用存貯在每個(gè)進(jìn)程task_struct結(jié)構(gòu)中的信息實(shí)現(xiàn)信號(hào)機(jī)制，它支持的信號(hào)數(shù)受限于處理器的字長(zhǎng)。當(dāng)前未處理的信號(hào)記錄在signal域中，并把阻塞信號(hào)掩碼對(duì)應(yīng)位設(shè)置為阻塞狀態(tài)。但對(duì)SIGSTOP和SIGKILL信號(hào)來說，所有的信號(hào)都被設(shè)置為阻塞狀態(tài)。如果一個(gè)被阻塞的信號(hào)產(chǎn)生了，將一直保持未處理狀態(tài)，直到阻塞被取消。

管道是單向的字節(jié)流，它可以把一個(gè)進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸出與另一個(gè)進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸入連接起來。在Linux系統(tǒng)中，管道用兩個(gè)指向同一個(gè)臨時(shí)性VFS索引節(jié)點(diǎn)的文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)臨時(shí)性的VFS索引節(jié)點(diǎn)指向內(nèi)存中的一個(gè)物理頁面。表明每個(gè)文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含指向不同文件操作例程向量的指針。一個(gè)例程用于寫管道，另一個(gè)用于從管道中讀數(shù)據(jù)。Linux必須同步對(duì)管道的訪問，使讀進(jìn)程和寫進(jìn)程步調(diào)一致。Linux使用鎖、等待隊(duì)列和信號(hào)量這3種方式來實(shí)現(xiàn)同步。

在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通過信號(hào)機(jī)制實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互進(jìn)程與數(shù)據(jù)讀取進(jìn)程和屏幕刷新進(jìn)程之間的通信，通過管道機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取進(jìn)程與屏幕刷新進(jìn)程之間的通信。

2.3 多級(jí)緩沖技術(shù)

多級(jí)緩沖技術(shù)，利用在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中開辟多個(gè)圖形緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)圖形的分層，后臺(tái)處理，避免了前臺(tái)圖形刷新顯示時(shí)出現(xiàn)的圖像閃爍問題，并提高了圖形的顯示速度［8－10］。

本設(shè)計(jì)方案中，在內(nèi)存中開辟3級(jí)圖形緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)圖形顯示與繪制的分離。實(shí)時(shí)顯示圖形時(shí)，觀察到的是圖形操作的結(jié)果，而不是圖形的繪制過程。這3級(jí)圖形緩沖區(qū)分別為當(dāng)前顯示內(nèi)存區(qū)、將要顯示內(nèi)存區(qū)和圖片庫內(nèi)存區(qū)。當(dāng)前顯示內(nèi)存區(qū)的圖片為當(dāng)前屏幕正在顯示的圖片，即屏幕顯示內(nèi)存區(qū)。將要顯示內(nèi)存區(qū)內(nèi)正在繪制的圖片是屏幕將要顯示的圖片，而圖片庫內(nèi)存區(qū)存儲(chǔ)的是所有的圖片，在軟件啟動(dòng)時(shí)，所有的圖片便被讀取到該內(nèi)存區(qū)，完成初始化的工作，操作系統(tǒng)根據(jù)顯示需求把將要顯示的圖片從該內(nèi)存區(qū)直接拷貝到將要顯示圖片內(nèi)存區(qū)。當(dāng)前顯示內(nèi)存區(qū)和將要顯示內(nèi)存區(qū)的切換是通過一個(gè)OFFSET偏離量來完成的。如圖4a所示，在軟件啟動(dòng)時(shí)，先將所有的圖片初始化到第三級(jí)緩沖區(qū)中，此時(shí)OFFSET的偏移地址為第一級(jí)緩沖區(qū)地址，第一級(jí)緩沖區(qū)為當(dāng)前顯示圖片內(nèi)存區(qū)。第二級(jí)緩沖區(qū)為將要顯示圖片內(nèi)存區(qū)，如圖4b所示，當(dāng)要顯示下一幅圖片時(shí)，OFFSET的偏移地址為第二級(jí)內(nèi)存地址。通過OFFSET值的不斷切換，使得顯示內(nèi)存在第一級(jí)內(nèi)存和第二級(jí)內(nèi)存之間切換。

圖4 多級(jí)緩沖機(jī)制Fig.4 The mechanism of multi-level buffers

與每次顯示時(shí)從硬盤中讀取圖片相比，先將所有圖片初始化到內(nèi)存中的方法有很大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閳D片在內(nèi)存之間拷貝比在硬盤和內(nèi)存之間拷貝要快得多。當(dāng)前顯示內(nèi)存區(qū)和將要顯示內(nèi)存區(qū)的開辟很好地解決了圖片在顯示過程中的閃爍問題。多級(jí)緩沖技術(shù)的使用提高了圖片的顯示速度和顯示質(zhì)量。

3 軟件運(yùn)行結(jié)果及分析

本軟件屏幕顯示部分已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行界面如圖5所示。

圖5 EHSI顯示界面Fig.5 The display interface of EHSI

下面對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試。

1)通過在軟件中設(shè)置計(jì)時(shí)函數(shù)，記錄顯示界面每刷新一次所用的時(shí)間，從而得出每秒顯示界面的刷新次數(shù)，即幀速率。如圖6所示，當(dāng)復(fù)雜度(所貼圖層數(shù))為1層時(shí)，本軟件的幀速率為317.2幀/s，而沒有采用多級(jí)緩存方法的幀速率為110.5幀/s。隨著復(fù)雜度的不斷增加，幀速率不斷下降。當(dāng)復(fù)雜度為6時(shí)，本軟件的幀速率為61幀/s，而沒有采用多級(jí)緩存方法的幀速率為21.2幀/s。電子水平狀態(tài)指示儀的幀速率要求為30幀/s，在復(fù)雜度為6的情況下，本軟件都能很好地滿足設(shè)計(jì)需求。

圖6 幀速率分析Fig.6 The analysis of frame rate

2)在幀速率設(shè)定為30幀/s的情況下，對(duì)CPU的使用率進(jìn)行了測(cè)試。如圖7所示，當(dāng)復(fù)雜度為1時(shí)，本軟件CPU的使用率為21%，而沒有采用多級(jí)緩沖技術(shù)方法的CPU的使用率為31%。隨著復(fù)雜度的不斷增加，CPU的使用率不斷升高。當(dāng)復(fù)雜度為6時(shí)，本軟件的CPU使用率為58%，而沒有采用多級(jí)緩沖技術(shù)方法的CPU的使用率為100%。因而，在復(fù)雜度比較高的情況下，本系統(tǒng)在功能上還有很大的可擴(kuò)展性。

圖7 CPU使用率分析Fig.7 The analysis of CPU utilization rate

另外，本軟件在程序上還有很多地方需要進(jìn)一步優(yōu)化。優(yōu)化之后，軟件的性能會(huì)得到進(jìn)一步提高。

4 結(jié)語

該方案通過采用“貼圖”技術(shù)和多級(jí)緩沖技術(shù)設(shè)計(jì)電子水平狀態(tài)指示儀，在思路上是一種突破。從對(duì)已經(jīng)完成的屏幕顯示部分的測(cè)試來看，軟件在幀速率和CPU使用率方面均能達(dá)到較好效果，該方案能夠有效提高電子水平狀態(tài)指示儀界面的顯示速度和質(zhì)量，此外，開源Linux操作系統(tǒng)的引入大大增強(qiáng)了電子水平狀態(tài)指示儀的系統(tǒng)可擴(kuò)展性。

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