基于嵌入式操作系统VxWorks的SCSI硬盘高速记录系统

摘要：介绍了由基于VxWorks的实时嵌入式操作系统、多个SCSI硬盘阵列以及高帧频CCD数字相机构成的嵌入式高速记录系统。     关键词： 在一些特别的科学研究和工程应用领域，需要采用高帧频、大面阵的ＣＣＤ相机以获取高质量的图像数据，用于对变化较快的观测对象的运动轨迹及其变化特性分析或实时计算。由此可产生高达５０ＭＢ／ｓ以上的实时数据流，需要持续地实时记录，以便于事后分析。 本文介绍中科院光电技术研究所针对高速实时图像记录任务的要求，专门设计开发的ＶｘＷｏｒｋｓ嵌入式操作系统下的高速嵌入式ＳＣＳＩ硬盘阵列记录系统。 在本系统中采用的高帧频ＣＣＤ数字相机其工作帧频为：２００帧／秒，分辨率为：５３２×５１６像素，８ｂｉｔ灰度级，有效数据率约为５５ＭＢ／ｓ。要求能对其长时间地持续记录，且不允许中间有丢帧现象。 实际工程项目中，在技术上采用了嵌入式计算机和Ｖｘｗｏｒｋｓ嵌入式操作系统以及ＳＣＳＩ硬盘阵列系统，成功地完成了上述任务。 １ 系统硬件结构 １．１ 硬件框图 硬件框图如图１所示。 整个系统在硬件上由嵌入式计算机、ＣＣＤ相机、ＰＣＩ采集卡、ＳＣＳＩ控制卡及ＳＣＳＩ硬盘阵列组成。系统基于ＰＣＩ总线架构。目前使用３２位３３ＭＨｚ的ＰＣＩ总线，可实现约１３２ＭＢ／ｓ的数据传输率。以后将使用６４位６６ＭＨｚ的ＰＣＩ总线，以达到更高的数据传输率。来自ＣＣＤ相机的高速数据流经ＰＣＩ采集卡交叉缓冲存储后送往ＰＣＩ总线，ＳＣＳＩ控制卡与ＰＣＩ采集卡在ＰＣＩ总线上通过ＤＭＡ方式直接交换数据。记录存储介质的接口采用ＳＣＳＩ总线接口。 １．２ ＳＣＳＩ总线接口 ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）小型计算机系统接口是一种连接主机与外围设备的接口，支持包括磁盘驱动器、磁带机、光驱、扫描仪在内的多种设备。它由ＳＣＳＩ控制器进行数据操作。ＳＣＳＩ控制器相当于一块小型ＣＰＵ，有自己的命令集和缓存。ＳＣＳＩ 接口是智能化的，可以彼此通信而不增加ＣＰＵ 的负担。当向ＳＣＳＩ硬盘读写数据时，主机ＣＰＵ只需向ＳＣＳＩ控制卡发出读写命令，ＳＣＳＩ控制卡会自动处理并以ＤＭＡ方式执行相应的读写操作，完全不需要主机的干预，使主机和ＳＣＳＩ卡可以并行地工作。与ＩＤＥ接口相比，速度、性能和稳定性都要比ＩＤＥ好得多，具体区别如表１。 表1 SCSI接口与IDE接口比较 　 SCSI接口 IDE接口 最快速度 Ultra320 ATA133 可连接设备 最多15台 最多4台 硬盘转速 10000～15000r/s以上 5400～7200r/s以上 占CPU资源 极少 较多 成本 较高 十分便宜 ＳＣＳＩ接口几经变革，传输率、支持设备等功能都有大幅度的改进。在速度上，ＳＣＳＩ接口规范随时间有表２所示的规范版本。 表2 SCSI接口发展历史 　 Narrow(8位) Wide(16位） 最长连线长度 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 　 从Ｕｌｔｒａ２之后，ＳＣＳＩ采用全新的ＬＶＤ(Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ)串接模块。ＬＶＤ的特性为低电压、信号干扰少、兼容传统排线，可以有较长的串接距离，也可以兼顾传输速度与设备数。这次任务使用Ｕｌｔｒａ１６０，接口速度可达１６０ＭＢ／ｓ。实际应用中只需要５５ＭＢ／ｓ的传输速度。实际测出的速度达８０ＭＢ／ｓ以上。 ２ 系统软件结构 ２．１ ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统简介 系统软件基于ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统平台。ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统是目前世界上最先进的高性能实时操作系统，主要应用于航空、航天、导弹武器系统(包括火星探陆车、爱国者导弹系统、Ｆ－１６战机等)。它包括一个微内核、强大的网络支持，以及文件系统和Ｉ／Ｏ管理、Ｃ＋＋支持的各种模块。它的多任务、抢占调度、快速上下文切换、低中断延迟和快速灵活的通信机制更是ＶｘＷｏｒｋｓ的突出优点。 ＶｘＷｏｒｋｓ特点： （１) 支持多种ＣＰＵ 包括ｘ８６、ＰｏｗｅｒＰＣ、６８Ｋ、ｉ９６０、ＳＰＡＲＣ、Ｍｉｐｓ等。还支持ＲＩＳＣ和ＤＳＰ技术。 （２) 实时性 ＶｘＷｏｒｋｓ系统本身的开销很小，进程调度、进程间通信、中断处理等系统公用程序精练而有效，造成的延迟很短。ＶｘＷｏｒｋｓ提供多任务机制，对任务的控制采用了优先级抢占（Ｐｒｅｅｍｐｔｉｖｅ Ｐｒｉｏｒｉｔｙ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）和轮转调度（Ｒｏｕｎｄ－Ｒｏｂｉｎ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）机制，也充分保证了可靠的实时性，使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余地。 （３) 可裁减性 用户在使用操作系统时，并不是操作系统中的每一个部件都用到。例如图形显示、文件系统以及一些设备驱动在某些嵌入式系统中并不使用。ＶｘＷｏｒｋｓ 由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成，可裁剪的组件超过８０个。ＶｘＷｏｒｋｓ内核最小为 ８ＫＢ，即便加上其它必要模块，所占用的空间也很小，且不失其实时、多任务的系统特征。由于其高度灵活，用户可以很容易地对这一操作系统进行定制或适当开发，满足自己的实际应用需要。 （４) 可靠性 操作系统的可靠性是用户首要考虑的问题。而稳定、可靠一直是ＶｘＷｏｒｋｓ的一个突出优点。ＶｘＷｏｒｋｓ以其良好的可靠性在一些实时关键任务领域赢得了广泛的用户。     ２．２ 系统软件功能 系统软件结构如图２所示。记录系统完全通过接收来自ＲＳ－２３２串口或ＴＣＰ网络的命令字进行工作。记录结束后通过ＴＣＰ网络下载记录数据。 首先进行系统初始化，对各硬件进行必要的初始设置，确定其工作状态。包括：网络部件的初始化、ＳＣＳＩ卡的初始化、ＳＣＳＩ硬盘的初始化、ＰＣＩ采集卡的初始化以及处理来自ＰＣＩ采集卡硬件中断的信号量的初始化。 然后进行系统自检，包括对ＳＣＳＩ硬盘记录速度测试自检以判定是否能达到要求的记录速度、硬盘的读写自检，以及对自己定义在硬盘前一段当作数据检索用的信息头的自检。 系统自检成功后将会调用ｔａｓｋＳｐａｗｎ()系统调用使处理串口和网络命令的模块运行起来。根据主控计算机发来的命令字调用相应的功能模块并给主控计算机相应的回答响应。具体命令包括：Ａ查询系统版本、Ｂ自检、Ｃ开始记录、Ｄ停止记录、Ｅ查询硬盘剩余容量、Ｆ开始图像数据下载、Ｇ查询系统状态、Ｈ硬盘清空、Ｉ查询单次任务信息。系统最重要的工作是记录任务。ＰＣＩ采集卡每７５ｍｓ发出一个中断，在这段时间里采集卡已经完成了一个缓冲区共４ＭＢ数据的采集，此时来的图像数据流存储在另外一个４ＭＢ缓冲区中，即所谓的交叉存储技术，以保证数据不会丢失。在这７５ｍｓ时间内必须完成记录４ＭＢ的任务，记录速度约为５４ＭＢ／ｓ。在实际测试中，记录４ＭＢ的数据一般５０ｍｓ即可完成，记录速度约为８０ＭＢ／ｓ，因此较好地完成了记录任务。实际编程，在硬件中断服务程序中只是用ｓｅｍＧｉｖｅ()系统函数放出一个信号量，由发起任务具体处理记录操作。中断服务程序不象一般的任务那样运行在普通的任务上下文中，它没有任务控制块，所有的中断服务程序共享一个堆栈。所以对中断服务程序的基本要求就是不能引起阻塞。例如在中断服务程序不能调用ｐｒｉｎｔｆ()函数用于输出信息。 此外，在中断服务程序中也不能通过ＶｘＷｏｒｋｓ驱动执行Ｉ／Ｏ操作。此项目中阵列了三个ＳＣＳＩ硬盘，每个硬盘容量为３６ＧＢ，共计１０８ＧＢ。由于一个硬盘物理的持续读写速度在３０ＭＢ／ｓ左右，因此必须阵列地读写多个ＳＣＳＩ硬盘，在处理中断服务程序的任务中利用每个硬盘物理的读写间隙，按一定时隙分别写入每个硬盘一定的数据量，实现了硬盘的并行工作，达到了高速存储记录的目的。 本系统成功地应用于实际工程项目中，其可靠性和实时性已在严格的实际应用环境中得到检验。下一步，将进一步提高记录系统的性能指标，采用基于６４位６６ＭＨｚ的ＰＣＩ总线、ＳＣＳＩ Ｕｌｔｒａ ３２０接口、千兆网络接口以及阵列更多的ＳＣＳＩ硬盘，使系统的记录速度、记录容量、下载传输速度和可靠性都有更大的提高。本系统虽然是专门为我所实时测控系统中高速记录任务而设计，但实际上也广泛地应用于图像处理、雷达、声纳等对实时图像记录有要求的领域。