實時多任務火控系統軟件設計

韋金生 陳明哲 漆先虎

(西安電子工程研究所,陜西西安 710010)

實時多任務火控系統軟件設計

韋金生 陳明哲 漆先虎

(西安電子工程研究所,陜西西安 710010)

本文介紹了某火控、任務模塊、調度機制等幾個關鍵環節。并用C語言實現了該設計,結果表明,此方法在實時多任務軟件設計中是可行的和有效的。

實時多任務 VxWorks 任務調度 火控系統

某防空火控系統中心計算機采用VxWorks 操作系統，硬件平臺基于德國控創ETX-PM 1．6GHz、1G SDRAM內存、一塊CF存儲卡。在本設計應用中，火控系統通過以太網接收各分系統設備信息，并發送控制命令給各被控設備，實時輸出目標現在點諸元給火控計算機，用于打擊目標。由于此計算機涉及外部接口設備較多，任務調度復雜，本文對在火控系統軟件設計中遇到的問題進行了研究，經理論分析與實際驗證，使系統軟件功能滿足要求，各任務合理調度，運行穩定可靠。

1 軟件平臺

火控系統中心計算機任務繁多，調度復雜，需要一個高性能的實時多任務操作系統作為軟件的開發平臺，目前美國WindRiver System(WRS)公司推出VxWorks實時操作系統在前嵌入式系統領域使用最廣泛， 市場占有率最高的操作系統。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛應用在軍事、航空和航天等實時性要求高的領域中，如導彈發射，衛星導航等。

2 開發流程

火控系統中心計算機是整個系統的接口和控制核心，對外接口復雜，處理任務繁多實時性要求又高，是一個極其復雜的系統，因此設計需嚴格遵循實時多任務程序開發設計過程，即：需求分析、數流分析、分解任務、定義任務間接口、任務級的設計、模塊構筑、任務與系統集成、系統測試。

2.1任務劃分

在系統分析的時候， 首先看到的是系統的功能。把各種功能分解成任務，火控系統中心計算機對上通過以太網實時收發來自操控終端和各測量設備的數據及命令，對下則要實時輸出處理跟蹤數據。因此我們對任務的劃分遵循H．Gomma原則。

圖 1 數據接收任務調度

(1)I/O依賴性。

(2)時間關鍵性的功能。

(3)計算量大的功能。

(4)功能內聚。

(5)時間內聚。

(6)周期執行的功能。

根據系統需求分析，將火控系統中心機軟件劃分為數據接收、定時數據處理、操控命令接收三大類任務。

數據接收類任務包含跟蹤雷達數據接收任務、視頻跟蹤器數據接收任務、激光測距機數據接收任務、坐標測定儀數據接收任務。此類任務接收各設備測量數據及其狀態，要求相互獨立(某個設備異常不影響其他設備的數據接收)，且實時性高，所以此類任務具有最高的優先級。

定時數據處理類任務，根據性能要求及數據率需求原則，分為40ms定時調度任務、200ms定時調度任務。40ms定時任務主要完成如下任務：對接收到的數據進行融合、濾波，得到目標現在點位置；由當前系統主工作模式確定各分系統設備的工作模式及參數；發送控制數據到被控設備；發送目標位置數據到火控計算機。200ms定時任務向操控終端周期的輸出系統跟蹤數據及狀態，以供操控終端顯示。

操控命令接收任務是系統進行人機交互的通道，主要接收來自操作手的操控命令，對系統工作模式和工作參數進行設置，此類任務屬非實時的任務，因此優先級較低。

2.2 任務間接口及通信

該軟件中各任務相對獨立，但相互之間又有通信，VxWorks操作系統中各任務的內存空間在系統管理下是互不干擾的，但是在任務間通信時，需要對一些內存空間進行共享。實現內存共享最簡單的辦法是將需要共享的數據(包括各種數據結構)定義成全局變量。共享內存最大的好處就是便利、高速，這也有利于系統實時性的要求。但也有很大的危險性，當該內存區域同時被不同任務訪問和修改時就很難保證數據的整合性。解決這一問題的辦法對共享內存部分進行訪問上鎖，即使用互斥信號量。

互斥信號量更加嚴格地保護共享資源以及共享資源的任務，同時也為任務間的同步提供了保障。申請不到互斥信號量的任務即轉入阻塞態被放入信號量等待隊列中，讓出對CPU的使用權。若任務得到了互斥信號量，則可以對共享資源進行訪問。互斥信號量只能由申請該信號量的任務來釋放。互斥信號量提供選擇字參數options，可以按優先級(SEM_Q_PRIOR ITY)與先入先出隊列(SEM_Q_FIFO)兩種方式排列等待對信號量進行上鎖的任務，在選用優先級方式時，系統提供優先級反轉的保護。

2.3 任務模塊化

該火控系統中心機是全系統接口，與之進行數據交互的設備多，為使程序結構清晰，便于調試，我們以每個設備作為一個程序模塊，與該設備通信的所有任務的實現均放在此模塊中。例如跟蹤雷達模塊，該模塊中包含了與跟蹤雷達通信端口的初始化、跟蹤雷達數據接收任務函數，數據的解析函數，對跟蹤雷達的控制數據生成函數，控制數據發送函數等。將這些函數申明為外部函數，系統中的任務(如40ms任務)可以方便的進行調用，或將函數直接作為任務的執行函數。這樣對程序調試、添加新的功能以及今后的維護工作帶來極大的便利。

2.4 任務調度

數據接收類任務實時性要求高，此類任務均通過以太網接收，采用UDP協議，調度此類任務使用網絡套接字來實現，即操作系統檢測到網絡套接字有數據到達，相應任務立即搶占CPU，接收數據到緩存數組，無數據到達時任務處于阻塞態，等待操作系統下次調度，如圖1。此類任務的通信數據量不大，耗時短，優先級最高。

系統中操控命令接收任務實時性要求不高，此類任務的調度同數據接收任務，不同點是此類任務優先級低，接收數據后即處理，即使處理過程被打斷，也不會影響任務的執行和系統性能。

系統設計中40ms定時任務是由硬件產生的中斷來觸發執行，由于VxWorks中斷服務程序不在固定的任務上下文中執行，而且沒有任務控制塊，所有中斷服務程序必須共享一個單獨的堆棧，這導致許多VxWorks函數在中斷服務程序中被禁止使用。解決此問題的辦法是拆分中斷服務程序，即將原來的中斷服務程序拆分為中斷服務程序和中斷服務任務兩個部分：新的中斷服務程序僅僅執行最基本的中斷處理，例如禁止中斷、判斷中斷類型；絕大多數的任務處理，特別是會造成阻塞的任務應該在中斷服務任務中執行。中斷服務程序和中斷服務任務使用信號燈同步，其程序框架如下。

3 結語

本文介紹了一種實時多任務軟件設計方法，通過C語言實現了該設計，經測試和實際使用表明，該方法優化了火控系統軟件結構劃分，提高了軟件運行效率，系統的實時性，準確性均達到設計標準要求，驗證了該方法可行有效。該方法對今后此類軟件設計有一定的參考價值。

[1]VxWorks Programmer’s Guide 5.5 [M].Edition 1.USA:Wind River Systems,Inc,2002.

[2]孔祥營,柏桂枝.嵌入式實時操作系統VxWorks及其開發環境Tornado[M].北京:中國電力出版社,2001.

韋金生(1981—),男,漢族,天津武清人,本科,工程師,主要從事雷達電子線路設計。