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基于嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks的SCSI硬盤高速記錄系統(tǒng)
摘要：介紹了由基于VxWorks的實時嵌入式操作系統(tǒng)、多個SCSI硬盤陣列以及高幀頻CCD數(shù)字相機構(gòu)成的嵌入式高速記錄系統(tǒng)。在一些特別的科學研究和工程應用領域，需要采用高幀頻、大面陣的ＣＣＤ相機以獲取高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)，用于對變化較快的觀測對象的運動軌跡及其變化特性分析或?qū)崟r計算。由此可產(chǎn)生高達５０ＭＢ／ｓ以上的實時數(shù)據(jù)流，需要持續(xù)地實時記錄，以便于事后分析。
本文介紹中科院光電技術(shù)研究所針對高速實時圖像記錄任務的要求，專門設計開發(fā)的ＶｘＷｏｒｋｓ嵌入式操作系統(tǒng)下的高速嵌入式ＳＣＳＩ硬盤陣列記錄系統(tǒng)。
在本系統(tǒng)中采用的高幀頻ＣＣＤ數(shù)字相機其工作幀頻為：２００幀／秒，分辨率為：５３２×５１６像素，８ｂｉｔ灰度級，有效數(shù)據(jù)率約為５５ＭＢ／ｓ。要求能對其長時間地持續(xù)記錄，且不允許中間有丟幀現(xiàn)象。
實際工程項目中，在技術(shù)上采用了嵌入式計算機和Ｖｘｗｏｒｋｓ嵌入式操作系統(tǒng)以及ＳＣＳＩ硬盤陣列系統(tǒng)，成功地完成了上述任務。
１ 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
１．１ 硬件框圖
硬件框圖如圖１所示。
整個系統(tǒng)在硬件上由嵌入式計算機、ＣＣＤ相機、ＰＣＩ采集卡、ＳＣＳＩ控制卡及ＳＣＳＩ硬盤陣列組成。系統(tǒng)基于ＰＣＩ總線架構(gòu)。目前使用３２位３３ＭＨｚ的ＰＣＩ總線，可實現(xiàn)約１３２ＭＢ／ｓ的數(shù)據(jù)傳輸率。以后將使用６４位６６ＭＨｚ的ＰＣＩ總線，以達到更高的數(shù)據(jù)傳輸率。來自ＣＣＤ相機的高速數(shù)據(jù)流經(jīng)ＰＣＩ采集卡交叉緩沖存儲后送往ＰＣＩ總線，ＳＣＳＩ控制卡與ＰＣＩ采集卡在ＰＣＩ總線上通過ＤＭＡ方式直接交換數(shù)據(jù)。記錄存儲介質(zhì)的接口采用ＳＣＳＩ總線接口。
１．２ ＳＣＳＩ總線接口
ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）小型計算機系統(tǒng)接口是一種連接主機與外圍設備的接口，支持包括磁盤驅(qū)動器、磁帶機、光驅(qū)、掃描儀在內(nèi)的多種設備。它由ＳＣＳＩ控制器進行數(shù)據(jù)操作。ＳＣＳＩ控制器相當于一塊小型ＣＰＵ，有自己的命令集和緩存。ＳＣＳＩ 接口是智能化的，可以彼此通信而不增加ＣＰＵ 的負擔。當向ＳＣＳＩ硬盤讀寫數(shù)據(jù)時，主機ＣＰＵ只需向ＳＣＳＩ控制卡發(fā)出讀寫命令，ＳＣＳＩ控制卡會自動處理并以ＤＭＡ方式執(zhí)行相應的讀寫操作，完全不需要主機的干預，使主機和ＳＣＳＩ卡可以并行地工作。與ＩＤＥ接口相比，速度、性能和穩(wěn)定性都要比ＩＤＥ好得多，具體區(qū)別如表１。
表1 SCSI接口與IDE接口比較
ＳＣＳＩ接口幾經(jīng)變革，傳輸率、支持設備等功能都有大幅度的改進。在速度上，ＳＣＳＩ接口規(guī)范隨時間有表２所示的規(guī)范版本。
表2 SCSI接口發(fā)展歷史
從Ｕｌｔｒａ２之后，ＳＣＳＩ采用全新的ＬＶＤ(Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ)串接模塊。ＬＶＤ的特性為低電壓、信號干擾少、兼容傳統(tǒng)排線，可以有較長的串接距離，也可以兼顧傳輸速度與設備數(shù)。這次任務使用Ｕｌｔｒａ１６０，接口速度可達１６０ＭＢ／ｓ。實際應用中只需要５５ＭＢ／ｓ的傳輸速度。實際測出的速度達８０ＭＢ／ｓ以上。
２ 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
２．１ ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)簡介
系統(tǒng)軟件基于ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)平臺。ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)是目前世界上最先進的高性能實時操作系統(tǒng)，主要應用于航空、航天、導彈武器系統(tǒng)(包括火星探陸車、愛國者導彈系統(tǒng)、Ｆ－１６戰(zhàn)機等)。它包括一個微內(nèi)核、強大的網(wǎng)絡支持，以及文件系統(tǒng)和Ｉ／Ｏ管理、Ｃ＋＋支持的各種模塊。它的多任務、搶占調(diào)度、快速上下文切換、低中斷延遲和快速靈活的通信機制更是ＶｘＷｏｒｋｓ的突出優(yōu)點。
ＶｘＷｏｒｋｓ特點：
（１) 支持多種ＣＰＵ
包括ｘ８６、ＰｏｗｅｒＰＣ、６８Ｋ、ｉ９６０、ＳＰＡＲＣ、Ｍｉｐｓ等。還支持ＲＩＳＣ和ＤＳＰ技術(shù)。
（２) 實時性
ＶｘＷｏｒｋｓ系統(tǒng)本身的開銷很小，進程調(diào)度、進程間通信、中斷處理等系統(tǒng)公用程序精練而有效，造成的延遲很短。ＶｘＷｏｒｋｓ提供多任務機制，對任務的控制采用了優(yōu)先級搶占（Ｐｒｅｅｍｐｔｉｖｅ Ｐｒｉｏｒｉｔｙ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）和輪轉(zhuǎn)調(diào)度（Ｒｏｕｎｄ－Ｒｏｂｉｎ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）機制，也充分保證了可靠的實時性，使同樣的硬件配置能滿足更強的實時性要求，為應用的開發(fā)留下更大的余地。
（３) 可裁減性
用戶在使用操作系統(tǒng)時，并不是操作系統(tǒng)中的每一個部件都用到。例如圖形顯示、文件系統(tǒng)以及一些設備驅(qū)動在某些嵌入式系統(tǒng)中并不使用。ＶｘＷｏｒｋｓ 由一個體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進行定制的系統(tǒng)模塊組成，可裁剪的組件超過８０個。ＶｘＷｏｒｋｓ內(nèi)核最小為 ８ＫＢ，即便加上其它必要模塊，所占用的空間也很小，且不失其實時、多任務的系統(tǒng)特征。由于其高度靈活，用戶可以很容易地對這一操作系統(tǒng)進行定制或適當開發(fā)，滿足自己的實際應用需要。
（４) 可靠性
操作系統(tǒng)的可靠性是用戶首要考慮的問題。而穩(wěn)定、可靠一直是ＶｘＷｏｒｋｓ的一個突出優(yōu)點
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