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基于嵌入式操作系統VxWorks的SCSI硬盤(pán)高速記錄系統
摘要：介紹了由基于VxWorks的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統、多個(gè)SCSI硬盤(pán)陣列以及高幀頻CCD數字相機構成的嵌入式高速記錄系統。在一些特別的科學(xué)研究和工程應用領(lǐng)域，需要采用高幀頻、大面陣的ＣＣＤ相機以獲取高質(zhì)量的圖像數據，用于對變化較快的觀(guān)測對象的運動(dòng)軌跡及其變化特性分析或實(shí)時(shí)計算。由此可產(chǎn)生高達５０ＭＢ／ｓ以上的實(shí)時(shí)數據流，需要持續地實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)圖像記錄任務(wù)的要求，專(zhuān)門(mén)設計開(kāi)發(fā)的ＶｘＷｏｒｋｓ嵌入式操作系統下的高速嵌入式ＳＣＳＩ硬盤(pán)陣列記錄系統。
在本系統中采用的高幀頻ＣＣＤ數字相機其工作幀頻為：２００幀／秒，分辨率為：５３２×５１６像素，８ｂｉｔ灰度級，有效數據率約為５５ＭＢ／ｓ。要求能對其長(cháng)時(shí)間地持續記錄，且不允許中間有丟幀現象。
實(shí)際工程項目中，在技術(shù)上采用了嵌入式計算機和Ｖｘｗｏｒｋｓ嵌入式操作系統以及ＳＣＳＩ硬盤(pán)陣列系統，成功地完成了上述任務(wù)。
１ 系統硬件結構
１．１ 硬件框圖
硬件框圖如圖１所示。
整個(gè)系統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(pán)陣列組成。系統基于ＰＣＩ總線(xiàn)架構。目前使用３２位３３ＭＨｚ的ＰＣＩ總線(xiàn)，可實(shí)現約１３２ＭＢ／ｓ的數據傳輸率。以后將使用６４位６６ＭＨｚ的ＰＣＩ總線(xiàn)，以達到更高的數據傳輸率。來(lái)自ＣＣＤ相機的高速數據流經(jīng)ＰＣＩ采集卡交叉緩沖存儲后送往ＰＣＩ總線(xiàn)，ＳＣＳＩ控制卡與ＰＣＩ采集卡在ＰＣＩ總線(xiàn)上通過(guò)ＤＭＡ方式直接交換數據。記錄存儲介質(zhì)的接口采用ＳＣＳＩ總線(xiàn)接口。
１．２ ＳＣＳＩ總線(xiàn)接口
ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）小型計算機系統接口是一種連接主機與外圍設備的接口，支持包括磁盤(pán)驅動(dòng)器、磁帶機、光驅、掃描儀在內的多種設備。它由ＳＣＳＩ控制器進(jìn)行數據操作。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(pán)讀寫(xiě)數據時(shí)，主機ＣＰＵ只需向ＳＣＳＩ控制卡發(fā)出讀寫(xiě)命令，ＳＣＳＩ控制卡會(huì )自動(dòng)處理并以ＤＭＡ方式執行相應的讀寫(xiě)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、性能和穩定性都要比ＩＤＥ好得多，具體區別如表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(jìn)。在速度上，ＳＣＳＩ接口規范隨時(shí)間有表２所示的規范版本。
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、兼容傳統排線(xiàn)，可以有較長(cháng)的串接距離，也可以兼顧傳輸速度與設備數。這次任務(wù)使用Ｕｌｔｒａ１６０，接口速度可達１６０ＭＢ／ｓ。實(shí)際應用中只需要５５ＭＢ／ｓ的傳輸速度。實(shí)際測出的速度達８０ＭＢ／ｓ以上。
２ 系統軟件結構
２．１ ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統簡(jiǎn)介
系統軟件基于ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統平臺。ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統是目前世界上最先進(jìn)的高性能實(shí)時(shí)操作系統，主要應用于航空、航天、導彈武器系統(包括火星探陸車(chē)、愛(ài)國者導彈系統、Ｆ－１６戰機等)。它包括一個(gè)微內核、強大的網(wǎng)絡(luò )支持，以及文件系統和Ｉ／Ｏ管理、Ｃ＋＋支持的各種模塊。它的多任務(wù)、搶占調度、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(diǎn)。
ＶｘＷｏｒｋｓ特點(diǎn)：
（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(shí)時(shí)性
ＶｘＷｏｒｋｓ系統本身的開(kāi)銷(xiāo)很小，進(jìn)程調度、進(jìn)程間通信、中斷處理等系統公用程序精練而有效，造成的延遲很短。ＶｘＷｏｒｋｓ提供多任務(wù)機制，對任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級搶占（Ｐｒｅｅｍｐｔｉｖｅ Ｐｒｉｏｒｉｔｙ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）和輪轉調度（Ｒｏｕｎｄ－Ｒｏｂｉｎ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）機制，也充分保證了可靠的實(shí)時(shí)性，使同樣的硬件配置能滿(mǎn)足更強的實(shí)時(shí)性要求，為應用的開(kāi)發(fā)留下更大的余地。
（３) 可裁減性
用戶(hù)在使用操作系統時(shí)，并不是操作系統中的每一個(gè)部件都用到。例如圖形顯示、文件系統以及一些設備驅動(dòng)在某些嵌入式系統中并不使用。ＶｘＷｏｒｋｓ 由一個(gè)體積很小的內核及一些可以根據需要進(jìn)行定制的系統模塊組成，可裁剪的組件超過(guò)８０個(gè)。ＶｘＷｏｒｋｓ內核最小為 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(shí)時(shí)、多任務(wù)的系統特征。由于其高度靈活，用戶(hù)可以很容易地對這一操作系統進(jìn)行定制或適當開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足自己的實(shí)際應用需要。
（４) 可靠性
操作系統的可靠性是用戶(hù)首要考慮的問(wèn)題。而穩定、可靠一直是ＶｘＷｏｒｋｓ的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)
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