基于Windows平臺(tái)的實(shí)時(shí)信息處理方法

段紅亮,2，劉天博，邵春收，王 鵬，朱元元

(1.北京航天長征飛行器研究所，北京 100076；2.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072)

0 引言

大部分武器系統(tǒng)設(shè)備都是強(qiáng)實(shí)時(shí)性的，設(shè)備之間信息交互都有嚴(yán)格的時(shí)間限制，要求毫秒級(jí)或微秒級(jí)，甚至是納秒級(jí)，所以主流的彈上設(shè)備均基于DSP、FPGA、單片機(jī)等架構(gòu)或者是組合架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，也有少部分采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)。地面測(cè)試設(shè)備用于武器設(shè)備的開發(fā)測(cè)試、出廠測(cè)試、上彈總裝前后或者年度定檢等等一系列測(cè)試工作，是所有武器必配設(shè)備，地面測(cè)試設(shè)備是武器設(shè)備的“診斷醫(yī)生”，只有經(jīng)過地面測(cè)試設(shè)備認(rèn)證為“健康”的彈上設(shè)備才允許使用，地面測(cè)試設(shè)備的研制開發(fā)甚至要早于彈上設(shè)備。

地面測(cè)試設(shè)備與彈上設(shè)備進(jìn)行通信和指令交互，完成功能測(cè)試等。微軟的Windows操作系統(tǒng)由于具備良好通用性、圖形用戶界面以及眾多的技術(shù)支持基礎(chǔ)而成為武器地面測(cè)試設(shè)備的首選解決方案。目前絕大部分型號(hào)的地面測(cè)試設(shè)備為了兼顧成本和開發(fā)難度等因素，采用Windows+x86架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。但基于搶占式多任務(wù)調(diào)度策略就決定了Windows系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)性屬性，作為通用高性能操作系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng),不能保證中斷響應(yīng)時(shí)間的確定性,也沒有提供讓線程獲得確定執(zhí)行時(shí)間的機(jī)制。在測(cè)試時(shí)地面測(cè)試軟件上偶爾會(huì)出現(xiàn)某條指令超時(shí)的現(xiàn)象，這時(shí)就很難判斷是彈上設(shè)備指令確實(shí)超時(shí)，還是由于地面測(cè)試設(shè)備非實(shí)時(shí)性而造成的時(shí)間誤判。

針對(duì)Windows平臺(tái)的非實(shí)時(shí)性問題，工業(yè)控制上一般采用RTX硬實(shí)時(shí)解決方案[1-2]，RTX(Real-Time eXtension)是由美國IntervalZero公司開發(fā)的基于Windows平臺(tái)擴(kuò)展的實(shí)時(shí)控制解決方案，但需要單獨(dú)購買RTX軟件擴(kuò)展包，且RTX信息處理軟件獨(dú)立于Windows平臺(tái)需求單獨(dú)開發(fā)，而武器地面測(cè)試設(shè)備由于生產(chǎn)量少、需求變化快等特點(diǎn)，成本與周期上不適于采用RTX[3]。文獻(xiàn)[4]中提出了一種循環(huán)緩存處理方法來提高Windows系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，這種用空間換時(shí)間的方法在操作系統(tǒng)負(fù)載較小時(shí)一定程度上提高了實(shí)時(shí)性，但由于對(duì)緩存讀寫線程仍為操作系統(tǒng)的一個(gè)普通線程，在操作系統(tǒng)負(fù)載較大時(shí)，循環(huán)緩存處理方法的實(shí)時(shí)性不能得到保證。

文獻(xiàn)[5]提出了一種Windows操作系統(tǒng)中的排他性線程獨(dú)占技術(shù)，使用該線程可以獨(dú)占一個(gè)CPU邏輯核，而不再受Windows任務(wù)管理器的調(diào)度，物理上將該邏輯核等效DSP使用，保證了信息處理的實(shí)時(shí)性。基于文獻(xiàn)[5-7]的研究成果，面向武器地面測(cè)試設(shè)備，本文提出了一種實(shí)用的實(shí)時(shí)信息處理方法，可以實(shí)時(shí)處理以太網(wǎng)、串口等有線或無線I/O信息，該方法開發(fā)難度低、周期短且不增加設(shè)備成本。

論文結(jié)構(gòu)如下：第1部分簡要分析了Windows非實(shí)時(shí)性機(jī)理，第2部分詳細(xì)闡述高精度軟時(shí)鐘技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法，第3部分地面測(cè)試軟件的實(shí)時(shí)測(cè)試方法，第4部分介紹對(duì)本方法的有效性試驗(yàn)分析，最后一部分對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。

1 Windows非實(shí)時(shí)性機(jī)理

1.1 x86的指令集

x86的GPP架構(gòu)本身不能實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求，這是通用CPU的CISC指令集決定的，有兩個(gè)層次原因，首先是CISC指令集長短不一，所以占用CPU時(shí)鐘周期不一；二是Intel在指令集中有很多優(yōu)化算法，同一條匯編指令在同一個(gè)CPU的不同負(fù)載下可能會(huì)被編譯成不同的匯編指令，目前Intel的CPU的時(shí)鐘周期都是亞納秒級(jí)，所以x86 CPU難以實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的高精度定時(shí)，用于十納秒級(jí)定時(shí)精度是普遍可以接受的。從目前的彈上設(shè)備所要求的毫秒級(jí)或微秒級(jí)實(shí)時(shí)性要求來看，x86 CPU架構(gòu)本身的定時(shí)精度是可以忽略不計(jì)。

1.2 調(diào)度原理

Windows操作系統(tǒng)調(diào)度及響應(yīng)時(shí)延的不確定性。以串口通信為例(并口、以太網(wǎng)口類似)，地面測(cè)試設(shè)備與彈上設(shè)備的信息交互流程如圖1所示，忽略彈上設(shè)備處理時(shí)延(或者假定為一個(gè)確定值)。

圖1 信息流示意圖

例如，有條指令要求彈上設(shè)備在100 ms內(nèi)回復(fù)指令，那么處理過程如下：

1)測(cè)試軟件打開某個(gè)串口，或在軟件初始化時(shí)即打開這個(gè)串口，并配置串口參數(shù)；

2)當(dāng)有個(gè)指令發(fā)送時(shí)，測(cè)試軟件調(diào)用WinAPI串口函數(shù)，發(fā)送該指令，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，設(shè)置100 ms的超時(shí)值;

3)數(shù)據(jù)由用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，操作系統(tǒng)調(diào)度器需要將串口發(fā)送API指令調(diào)入到CPU任務(wù)隊(duì)列中，當(dāng)占用CPU當(dāng)前時(shí)間片時(shí)，CPU執(zhí)行該指令；

4)CPU將發(fā)送數(shù)據(jù)寫入到串口Tx寄存器中，同時(shí)通知串口有數(shù)據(jù)到達(dá)，請(qǐng)發(fā)送；

5)串口通過物理層鏈路發(fā)送給DS設(shè)備，DS設(shè)備響應(yīng)該指令后發(fā)送回令給串口；

6)串口接收回令數(shù)據(jù)，放入到Rx寄存器中，同時(shí)通知操作系統(tǒng)有數(shù)據(jù)到達(dá)，通知消息本身是放入到操作系統(tǒng)的消息隊(duì)列中；

7)操作系統(tǒng)調(diào)度器在消息隊(duì)列中讀到串口的通知后，需要將串口接收API指令調(diào)入到CPU任務(wù)隊(duì)列中，當(dāng)占用CPU當(dāng)前時(shí)間片時(shí)，CPU執(zhí)行該指令；

8)CPU從串口Rx寄存器讀取數(shù)據(jù)，交給測(cè)試軟件，由內(nèi)核態(tài)進(jìn)入用戶態(tài)；

9)測(cè)試軟件根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議解析該數(shù)據(jù)，確認(rèn)為當(dāng)前指令的有效回令后，停止計(jì)時(shí)器，同時(shí)判斷計(jì)時(shí)器是否超100 ms。至此一個(gè)完整的信息交互結(jié)束。

Windows是基于消息響應(yīng)機(jī)制的多線程的非實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)，盡管微軟沒有公開Windows操作系統(tǒng)內(nèi)核，當(dāng)通過一些公開資料和微軟的技術(shù)文檔可知，一個(gè)線程一旦調(diào)入到CPU中，那么最少占有一個(gè)時(shí)間片的時(shí)間長度才會(huì)有可能被調(diào)出，而一個(gè)時(shí)間片長為1/16 s。

在Windows的任務(wù)管理器的進(jìn)程欄可以看到，假如用戶未打開任何一個(gè)應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)都會(huì)有約100個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行，地面測(cè)試軟件運(yùn)行時(shí)，也只是其中之一個(gè)進(jìn)程。這些進(jìn)程都有不同的優(yōu)先級(jí)，所以當(dāng)一個(gè)進(jìn)程從進(jìn)入CPU調(diào)度隊(duì)列到占用CPU時(shí)間片，這個(gè)時(shí)間是不可預(yù)知的，這是Windows非實(shí)時(shí)性的最主要根源所在。具體到我們的串口收發(fā)數(shù)據(jù)流程中，第3)步和第7)步是時(shí)延不確定的最主要環(huán)節(jié)。

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文進(jìn)行了一項(xiàng)測(cè)試，當(dāng)?shù)孛鏈y(cè)試設(shè)備只運(yùn)行測(cè)試軟件，其他所有應(yīng)用軟件都停止(包括殺毒軟件)，程序循環(huán)發(fā)送指令，等待100 ms，若超時(shí)未收到回令則停止循環(huán)并報(bào)錯(cuò)，若正常則繼續(xù)循環(huán)。測(cè)試6個(gè)小時(shí)左右，發(fā)生2次超時(shí)。

作為對(duì)比測(cè)試，在運(yùn)行測(cè)試軟件循環(huán)測(cè)試的同時(shí)，打開殺毒軟件，進(jìn)行全盤查殺病毒，測(cè)試1個(gè)小時(shí)左右，發(fā)生了12次超時(shí)。主要原因是殺毒時(shí)頻繁的磁盤IO操作占用CPU資源，殺毒軟件進(jìn)程也需要大量占用CPU時(shí)間片，從而提高了與地面測(cè)試軟件的碰撞沖突概率，造成了大量的超時(shí)現(xiàn)象。

2 高精度軟時(shí)鐘

高精度時(shí)鐘源是實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)處理的前提和基準(zhǔn)。例如通信設(shè)備上多采用外部時(shí)鐘源或衛(wèi)星授時(shí)方法，而在地面測(cè)試設(shè)備上外掛時(shí)鐘源或增加衛(wèi)星授時(shí)模塊的方法會(huì)顯著增加復(fù)雜度和成本，不易實(shí)現(xiàn)。

為了使各種實(shí)時(shí)處理任務(wù)能在Windows平臺(tái)上正確地執(zhí)行，利用操作系統(tǒng)API函數(shù)實(shí)現(xiàn)軟時(shí)鐘是可行的。然而Windows目前提供的延時(shí)函數(shù)最小時(shí)間粒度都是ms級(jí)，且理想情況下精度僅能達(dá)到百ms級(jí)，所以直接調(diào)用API函數(shù)也不能保證時(shí)間精度。

對(duì)于單核CPU，Intel匯編指令RDTSC可以獲得納秒級(jí)的精度[8]。然而，這項(xiàng)技術(shù)不再適用于多核環(huán)境[9]。為了構(gòu)造高精度的軟件時(shí)鐘，本文采用了文獻(xiàn)[5]所提出的排他性線程獨(dú)占技術(shù)，它為輸出實(shí)時(shí)行為的特定任務(wù)分配一個(gè)獨(dú)占的處理器內(nèi)核。一個(gè)線程被創(chuàng)建并專用于在一個(gè)獨(dú)占的CPU邏輯核上執(zhí)行。該線程所做的一切就是調(diào)用RDTSC來計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間。由于線程是不可中斷的，這種方法為內(nèi)核模式的實(shí)時(shí)過程獲得了一個(gè)高精度的時(shí)鐘實(shí)用程序。圖2為構(gòu)造這種時(shí)鐘的偽代碼。

圖2 高精度時(shí)鐘源偽代碼

通過設(shè)置軟件時(shí)鐘，可以在每一個(gè)閾值時(shí)間段中執(zhí)行一次TIME_OUT事件。例如，將閾值定義為1 ms或1 μs，在主頻為2.8 GHz頻率的CPU上，觀察到實(shí)際的超時(shí)時(shí)間周期比閾值大幾納秒，這是合理的，因?yàn)樵贑PU中執(zhí)行單個(gè)匯編指令所需的時(shí)間為納秒級(jí)。所以本方法所生成的軟時(shí)鐘可以達(dá)到十納秒級(jí)精度。

3 測(cè)試軟件實(shí)時(shí)信息處理方法

3.1 測(cè)試軟件實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)

為保證地面測(cè)試軟件實(shí)時(shí)性，信息交互線程也采用排他性線程獨(dú)占技術(shù)，獨(dú)占一個(gè)CPU邏輯核，由于Intel的i5系列之后都是至少包含了4個(gè)物理核(單核雙線程技術(shù)，等效為8個(gè)邏輯核)，所以地面測(cè)試設(shè)備中被獨(dú)占2～3個(gè)邏輯核后并不會(huì)顯著操作系統(tǒng)的其他功能，如圖3所示。

由圖3可以看到，邏輯核3、5、7分別被3個(gè)線程獨(dú)占，在運(yùn)行中被獨(dú)占的邏輯核的CPU使用率始終為100%，不會(huì)被操作系統(tǒng)任務(wù)管理器中斷，從而保證了實(shí)時(shí)性。

信息交互線程在與彈上設(shè)備發(fā)生信息交互時(shí)，使用本文第2章所設(shè)計(jì)的高精度時(shí)鐘源來作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，可以精確計(jì)算出彈上設(shè)備回令是否超時(shí)。

3.2 測(cè)試軟件高速計(jì)算設(shè)計(jì)

地面測(cè)試軟件與彈上設(shè)備接口分為有線和無線接口兩類，其中有線接口多為串口、并口、1553B接口和以太網(wǎng)口等，無線接口多為各類專用無線通信接口，如遙測(cè)系統(tǒng)無線接口等。

一般來說，有線接口的計(jì)算量不大，若地面測(cè)試軟件與彈上設(shè)備接口為無線接口，無線通信協(xié)議的計(jì)算量是非常巨大的，尤其是物理層，包含了信道編碼與解調(diào)、FFT等。一般來說，GPP的運(yùn)算能力是不能勝任基帶數(shù)字信號(hào)處理計(jì)算的，這也是為什么到目前為止商用無線通信都是用專用基帶芯片的原因。為了突破這個(gè)計(jì)算瓶頸，可充分借鑒FPGA的原理，地面測(cè)試軟件可將所有輸入與輸出結(jié)果映射為一個(gè)查找表(LUT)，然后將LUT裝載到CPU的二級(jí)緩存中。一方面節(jié)省了計(jì)算的時(shí)間開銷，另一方面減少了查找的時(shí)間[10-14]。在通用CPU中，不同存儲(chǔ)器的典型容量和訪問時(shí)間如圖4所示。

圖4 通用存儲(chǔ)器容量及訪問時(shí)間

3.3 測(cè)試軟件低時(shí)延傳輸設(shè)計(jì)

由圖1可以看到串口在Windows平臺(tái)下的信息流，是包含了多個(gè)環(huán)節(jié)。

在信息流中，每一個(gè)環(huán)節(jié)意味著數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移和傳遞，為了避免程度中內(nèi)存拷貝所引入的處理時(shí)延，要在地面測(cè)試軟件設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)盡可能多地采用數(shù)據(jù)“零”拷貝，即利用MDL(memory descriptor list)來進(jìn)行內(nèi)存操作，這樣可顯著減小信息傳輸時(shí)延，避免造成地面測(cè)試設(shè)備向彈上設(shè)備回令時(shí)超時(shí)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

用兩臺(tái)地面測(cè)試設(shè)備搭建試驗(yàn)場(chǎng)景。為不失一般性，測(cè)試設(shè)備之間采用串口(RS422)通信，兩臺(tái)測(cè)試設(shè)備均是Windows平臺(tái)，安裝了采用了本文所述實(shí)時(shí)信息處理方法的軟件。試驗(yàn)方法如下：

1)測(cè)試設(shè)備1通過串口向測(cè)試設(shè)備2發(fā)送一個(gè)串口數(shù)據(jù)幀1，同時(shí)記錄時(shí)間戳T1；

2)測(cè)試設(shè)備2收到數(shù)據(jù)幀1后，立即向測(cè)試設(shè)備1返回一個(gè)數(shù)據(jù)幀2；

3)測(cè)試設(shè)備1收到數(shù)據(jù)幀2后，記錄時(shí)間戳T2，計(jì)算出時(shí)間差ΔT=T2-T1；

4)重復(fù)上述步驟1)～ 3)，記錄1 000次時(shí)間差數(shù)據(jù)；

5)打開測(cè)試設(shè)備1上殺毒軟件，執(zhí)行全盤掃描，重復(fù)上述步驟1)～4)，記錄1 000次時(shí)間差數(shù)據(jù)；

6)關(guān)閉測(cè)試設(shè)備1上殺毒軟件，打開測(cè)試設(shè)備2上殺毒軟件，執(zhí)行全盤掃描，重復(fù)上述步驟1)～4)，記錄1 000次時(shí)間差數(shù)據(jù)；

7)同時(shí)打開測(cè)試設(shè)備1和測(cè)試設(shè)備2上殺毒軟件，執(zhí)行全盤掃描，重復(fù)上述步驟1)～4)，記錄1 000次時(shí)間差數(shù)據(jù)。

4次測(cè)試結(jié)果分別如圖5所示。

圖5 測(cè)試結(jié)果及對(duì)比

由測(cè)試結(jié)果分析，4次測(cè)試均值依次為12.2 μs，12.5 μs，12.1 μs，12.0 μs，相差不大。由圖5可見，4次結(jié)果均方差也分布在2～4之間，數(shù)據(jù)一致性較好，從而證明了本方法的有效性。

5 結(jié)束語

面向Windows平臺(tái)下的地面測(cè)試設(shè)備，本文提出了一種基于排他性線程獨(dú)占技術(shù)和高精度軟時(shí)鐘技術(shù)的實(shí)時(shí)信息處理方法，可以實(shí)時(shí)處理以太網(wǎng)、串口等有線或無線I/O信息，該方法開發(fā)難度低、周期短且不增加設(shè)備成本。首先簡要分析了Windows非實(shí)時(shí)性機(jī)理，進(jìn)而詳細(xì)闡述高精度軟時(shí)鐘技術(shù)和地面測(cè)試軟件的實(shí)時(shí)信息處理方法，最后對(duì)本方法的有效性試驗(yàn)驗(yàn)證分析，測(cè)試數(shù)據(jù)一致性較好。