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實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在星載計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用
摘要：介紹在星載計(jì)算機(jī)中應(yīng)用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的兩種方式：使用一種源碼開放的RTOS——RTEMS和自主開發(fā)RTOS，并對(duì)兩種方法進(jìn)行比較。關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 星載計(jì)算機(jī) RTOS
隨著我國航天技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的衛(wèi)星應(yīng)用在通訊、資源探測(cè)、遙感、氣象、對(duì)地觀察等領(lǐng)域。衛(wèi)星的功能越來越強(qiáng)，對(duì)星務(wù)管理和有效載荷控制的星載計(jì)算機(jī)提出了更高的要求。星載計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的星載計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)方法，特別是軟件的設(shè)計(jì)方法和開發(fā)手段已逐漸不適應(yīng)這種要求。引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）能夠有效地解決這些問題。RTOS把任務(wù)管理調(diào)度、任務(wù)間通信、內(nèi)存管理等系統(tǒng)功能以函數(shù)調(diào)用的方式提供給用戶，使用戶能夠?qū)⒕Ψ旁趹?yīng)用程序的開發(fā)上，有助于星載軟件通用化和模塊化設(shè)計(jì)，縮短軟件產(chǎn)品的研制周期，提高星載軟件 可靠性。
RTOS已經(jīng)成功運(yùn)用在包括航天在內(nèi)的許多嵌入式領(lǐng)域，如SJ-5小衛(wèi)星就成功應(yīng)用了pSOS操作系統(tǒng)。但這種無法獲得源碼的操作系統(tǒng)，無法確定其安全性。因此應(yīng)該選用源碼開放的RTOS或者自己獨(dú)立設(shè)計(jì)一種適合自身系統(tǒng)的RTOS。本文將介紹一種適合于航天應(yīng)用，特別是面向關(guān)鍵任務(wù)（Critical Oriented）的源碼開放的RTOS——RTEMS；探索自己開發(fā)RTOS設(shè)計(jì)方法，并對(duì)兩種方案進(jìn)行比較。
1 星載計(jì)算機(jī)與星載操作系統(tǒng)的特點(diǎn)
星載計(jì)算機(jī)是RTOS運(yùn)行的硬件環(huán)境，了解其特點(diǎn)對(duì)于RTOS的選用和設(shè)計(jì)將更有針對(duì)性。星載計(jì)算機(jī)主要用于衛(wèi)星的星務(wù)管理、數(shù)據(jù)處理、姿態(tài)控制以及對(duì)有效載荷進(jìn)行控制等。根據(jù)空間環(huán)境、可靠性、安全性、壽命、功耗、重量等方面的要求，星載計(jì)算機(jī)應(yīng)具有如下特點(diǎn)：
·硬件資源有限，受功耗、尺寸的限制，星載計(jì)算機(jī)只有有限的內(nèi)存空間；
·CPU型號(hào)多樣，但不屬于通用型CPU，配套的調(diào)試工具少。從8位的8031到16位的1750A、8086，到32位的ERC32、80X86，不同的型號(hào)任務(wù)，不同的研制單位采用不同的CPU型號(hào)；
·需要考慮空間抗輻射能力，必須考慮單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）和單粒子鎖定（SEL）對(duì)星載計(jì)算機(jī)的影響；
·對(duì)安全性與可靠性要求高；
·需要具有在軌可編程功能，對(duì)在地面考慮不周和出現(xiàn)意外情況時(shí)，能有所補(bǔ)救。
針對(duì)星載計(jì)算機(jī)的這些特點(diǎn)，星載操作系統(tǒng)也具有如下特征：
·微內(nèi)核，由于硬件資源有限，因此星載RTOS必須做成微內(nèi)核的操作系統(tǒng)；
*可裁減，能夠根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行不同的配置，做到量體裁衣，也能更充分地利用硬件資源，減少軟件多余物；
·強(qiáng)實(shí)時(shí)性，星載系統(tǒng)都是強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)性要求很高；
·高穩(wěn)定性與高可靠性；
·代碼可固化，在現(xiàn)在的星載計(jì)算機(jī)中仍然采用PROM對(duì)代碼進(jìn)行固化，這就要求星載RTOS必須是代碼可固化的。
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2 采用RTEMS作為星載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
2.1 RTEMS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
RTEMS（Real-Time Executive for Multiprocessor Systems）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)最初是美國軍方為了實(shí)時(shí)導(dǎo)彈系統(tǒng)而開發(fā)的。當(dāng)時(shí)RTEMS的全稱是：Real-Time Executive for Missile Systems。隨著該系統(tǒng)功能的逐步完善，應(yīng)用范圍也從Missile擴(kuò)大到Military，再到Multiprocessor，而形成現(xiàn)在的RTEMS。RTEMS從1993年開始開發(fā)，并于1999年開始地外開放源代碼，并由OAR公司進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)�，F(xiàn)在最新版本為4.6.0，在OAR的網(wǎng)站（www.oarcorp.com）上可以下載到相關(guān)資源。RTEMS由于具有開放源代碼的優(yōu)勢(shì)，以及能與最優(yōu)秀的商業(yè)RTOS相的性能，使得它最適合應(yīng)用到星載計(jì)算機(jī)中。RTEMS有如下特點(diǎn)：
·支持多處理器；
·支持事件驅(qū)動(dòng)和基于優(yōu)先級(jí)的多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)；
·支持優(yōu)先級(jí)同級(jí)調(diào)度，支持單調(diào)速率（RMS）算法；
·支持多種任務(wù)間通信與同步方法；
·支持中斷管理；
·支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配與管理；
·支持符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)；
·支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，RTEMS帶有完整的TCP/IP協(xié)議棧，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能；
·RTEMS提供了符合POSIX1003.1b標(biāo)準(zhǔn)，以及ITRON規(guī)范的API接口；
·RTEMS支持C/Ada語言；
·RTEMS現(xiàn)在能支持包括ERC32（歐空局用于航天項(xiàng)目的CPU）在內(nèi)的11種類型的CPU（包括Motorola MC68K系列、ColdFire、Hitachi SH、intel i386、i960、MIPS、PowerPC、SPARC、AMD、A29K、HP PA-RISC）。
2．2 RTEMS的使用與開發(fā)方法
RTEMS的開發(fā)工具采用GNU的相關(guān)開發(fā)工具，但需要打上RTEMS的補(bǔ)丁。如編譯器采用GCC，調(diào)試工具采用GDB。
用戶編寫應(yīng)用程序，就是根據(jù)RTEMS提供的系統(tǒng)服務(wù)，通過API調(diào)用編寫任務(wù)程序。RTEMS提供的系統(tǒng)服務(wù)相當(dāng)豐富，包括：任務(wù)管理、中斷管理、時(shí)鐘管理、定時(shí)器管理、信號(hào)量服務(wù)、消息服務(wù)、事件服務(wù)、信號(hào)服務(wù)、內(nèi)存分區(qū)（Partition）與區(qū)域（Region）管理、雙口內(nèi)存管理、I/O管理以及多任務(wù)調(diào)度等。
當(dāng)需要將開發(fā)完成的程序向硬件板卡下載時(shí)，還需要修改BSP板級(jí)支持包文件。BSP部分是與硬件相關(guān)的，把BSP作為單獨(dú)的一部分是為了使RTEMS具有更好的可移植性。因?yàn)橄嗤拇a，加上不同的BSP就可以應(yīng)用到不同的CPU板上。
在調(diào)試程序時(shí)，可以先把串口打通，這樣可以方便下載程序，也可以利用GDB工具或者它的圖形界面方式DDD調(diào)試程序。方便軟件的開發(fā)與調(diào)試。
采用RTEMS操作系統(tǒng)的開發(fā)方法，可以不用關(guān)心操作系統(tǒng)內(nèi)部如何實(shí)現(xiàn)多任務(wù)之間的協(xié)調(diào)工作等RTOS具體的技術(shù)細(xì)節(jié)，只需要按照RTOS提供的API調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)即可。能夠充分利用成熟的技術(shù)，快速開發(fā)星載軟件。但也有一定局限性，RTEMS是屬于比較復(fù)雜的RTOS，至少需要60KB左右的內(nèi)存空間才能使系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來。因此對(duì)硬件要求相對(duì)苛刻一些。而且有些CPU，RTEMS還不支持，如國內(nèi)在航天領(lǐng)域常用的1750ACPU，RTEMS就不不支持。
因此，使用RTEMS有一定的局限性，當(dāng)RTEMS不適合使用時(shí)，可以考慮自行研制星載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。下面以筆者開發(fā)的SAR-RTOS為例介紹星載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
3 星載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核的原理
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的核心是其內(nèi)核。筆者認(rèn)為：通用操作系統(tǒng)的本質(zhì)特點(diǎn)是硬件資源的管理者，而RTOS的本質(zhì)特點(diǎn)是引入了多任務(wù)和實(shí)時(shí)性的保證。當(dāng)然引入多任務(wù)也是提高實(shí)時(shí)性的一種方法。實(shí)時(shí)性的保證主要是靠任務(wù)調(diào)度方法和任務(wù)調(diào)度時(shí)機(jī)來決定。引入多任務(wù)相應(yīng)地帶來了任務(wù)競爭與同步、任務(wù)的切換等問題。而這些問題在現(xiàn)代操作系統(tǒng)理論里已經(jīng)有了比較完備的解決方案。
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核原理，概括起來就是：引入了多任務(wù)，并且為每個(gè)任務(wù)分配自己的堆�？臻g，由任務(wù)調(diào)度器來決定讓哪個(gè)任務(wù)獲得CPU。被掛起的任務(wù)把當(dāng)前的CPU狀態(tài)保存在自己的堆棧區(qū)中，獲得CPU的任務(wù)把它被掛起時(shí)保存的CPU寄存器從堆棧區(qū)中恢復(fù)，這樣新任務(wù)就從掛起時(shí)的狀態(tài)重新執(zhí)行，從而完成了一次任務(wù)切換。而信號(hào)量、消息隊(duì)列、郵箱、事件等系統(tǒng)提供的服務(wù)是為了解決多任務(wù)間對(duì)資源的競爭以及任務(wù)間的通信和同步。它們的共同點(diǎn)是從實(shí)現(xiàn)的角度，有效為復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作支撐，而對(duì)于用戶來講用法很簡單。例如信號(hào)量（Semaphore），建立好（Create）后，對(duì)其進(jìn)行的操作就只有等信號(hào)（Pend）和發(fā)展信號(hào)（Post）。
3.2 星載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要素
（1）總體設(shè)計(jì)
星載RTOS的設(shè)計(jì)屬于復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)，因此應(yīng)該按照軟件工程規(guī)定的V型模型的開發(fā)方法實(shí)話開發(fā)。在總體設(shè)計(jì)中，應(yīng)確定操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、支持的任務(wù)數(shù)、采用的調(diào)度方案、提供哪些系統(tǒng)服務(wù)等問題。在SARRTOS的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了將整體式和客戶/服務(wù)器模型結(jié)合的方法。將它定義為四個(gè)層次：硬件層、硬件接口層、OS層和應(yīng)用層，如圖1所示。
（2）任務(wù)調(diào)度
為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，可以采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度，也就是一旦更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就緒，就能獲得CPU的使用權(quán)，使任務(wù)響應(yīng)時(shí)間最短。SAR-RTOS中就是采和了這種調(diào)度方案，調(diào)度時(shí)間確定、速度快、實(shí)時(shí)性好。
SAR-RTOS中關(guān)于任務(wù)管理的實(shí)現(xiàn)方法為：考慮到星載系統(tǒng)的ROM和RAM資源有限，為了保證SAR-RTOS的微內(nèi)核性，將其設(shè)計(jì)為最多能支持64個(gè)任務(wù)。給每個(gè)任務(wù)賦予不同的優(yōu)先級(jí)，以優(yōu)先級(jí)為基礎(chǔ)建立任務(wù)就緒表。當(dāng)某個(gè)任務(wù)就緒時(shí)，將就緒表中相應(yīng)位置位，執(zhí)行任務(wù)調(diào)度時(shí)按照優(yōu)先級(jí)矢量位圖算法查找任務(wù)就緒表，找出最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)切換。
任務(wù)切換需要完成以下工作，但需要注意的是執(zhí)行任務(wù)切換屬于臨界區(qū)代碼（不可被中斷），必須關(guān)中斷，切抽象完成后再開中斷：
*判斷需要調(diào)度的任務(wù)是否是當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)，如果是就不切換，避免不必要的切換，縮短CPU執(zhí)行時(shí)間；
*將被掛起的任務(wù)CPU寄存器壓入堆棧；
*將當(dāng)前堆棧指針保存在即將掛起任務(wù)的任務(wù)控制塊中；
*把高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的CPU寄存器從堆棧中恢復(fù)；
*將高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的任務(wù)控制塊中保存的堆棧指針恢復(fù)；
*執(zhí)行中斷返回指令，讓高優(yōu)先級(jí)任務(wù)運(yùn)行。
（3）任務(wù)管理
任務(wù)在RTOS中通常同時(shí)作為系統(tǒng)調(diào)度和資源分配的最小單位，也是用戶編寫應(yīng)用程序的基礎(chǔ)，對(duì)任務(wù)的管理是RTOS最基本的功能。對(duì)任務(wù)的管理內(nèi)容包括任務(wù)狀態(tài)的設(shè)計(jì)以及任務(wù)狀態(tài)變遷的實(shí)現(xiàn)。在SAR-RTOS中任務(wù)的狀態(tài)總共有四種，如表1所示。
表1 SAR-RTOS中的任務(wù)狀態(tài)
任務(wù)狀態(tài)的變遷如圖2所示。
（4）任務(wù)間通信與同步
任務(wù)間的同步與通信是多任務(wù)操作系統(tǒng)都需要解決的問題。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的核心就是要支持多任務(wù)的并發(fā)執(zhí)行，相應(yīng)地也就引入了任務(wù)與任務(wù)之間、任務(wù)與中斷服務(wù)程序之間必須協(xié)調(diào)動(dòng)作、相互配合的問題。即常說的任務(wù)間的同步與通信問題。所謂任務(wù)間的同步是指多個(gè)任務(wù)中發(fā)生的事件存在某種時(shí)序關(guān)系，必須協(xié)同動(dòng)作、相互配合，以共同完成一個(gè)任務(wù)。任務(wù)間通信就是任務(wù)在運(yùn)行時(shí)與別的任務(wù)進(jìn)行信息交換。其實(shí)，同步本質(zhì)上也是一種信息交換，是為了保證在正確的時(shí)間和條件下進(jìn)行信息交換，使任務(wù)間不會(huì)產(chǎn)生混亂。在現(xiàn)場(chǎng)操作系統(tǒng)中已經(jīng)對(duì)任務(wù)的同步與通信有比較完備的解決辦法。信號(hào)量以及事件機(jī)制等都是RTOS常用的同步機(jī)制，RTOS為任務(wù)間通信提供郵箱及消息隊(duì)列等服務(wù)。
在SAR-RTOS中，提供的任務(wù)間通信的服務(wù)包括：消息郵箱（Message Mailbox）和消息隊(duì)列（Message Queue）;提供的任務(wù)間同步的服務(wù)包括：信號(hào)量（Semaphore）和事件標(biāo)志（Event Flag）。
（5）時(shí)間管理
RTOS由于其實(shí)時(shí)性，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中必須提供可靠的時(shí)間保證，因此RTOS通常都在硬件定時(shí)器的基礎(chǔ)上提供系統(tǒng)時(shí)鐘服務(wù)。每一個(gè)時(shí)鐘滴答（Tick）就是一次系統(tǒng)的脈動(dòng)，指揮系統(tǒng)各部分協(xié)調(diào)工作，因此定時(shí)管理是RTOS的基礎(chǔ)。時(shí)間管理一般提供以下功能：
*管理日歷時(shí)間和日期，有的系統(tǒng)也可以是相對(duì)時(shí)間；
*任務(wù)等候消息、信號(hào)量、事件的超時(shí)時(shí)間或者任務(wù)長期占用CPU的超時(shí)時(shí)間；
*在預(yù)定時(shí)間間隔或指定時(shí)間到達(dá)后喚醒一個(gè)指定任務(wù)。
（6）其它服務(wù)
內(nèi)存管理和I/O管理，以及中斷管理等服務(wù)不是系統(tǒng)必需的服務(wù)，可根據(jù)不同的應(yīng)用需要決定是否提供上述服務(wù)，在SAR-RTOS中上述三種服務(wù)都提供。
（7）星載操作系統(tǒng)的可靠性措施
星載軟件的可靠性設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，通常可以采用如下措施：
*將任務(wù)的重要參數(shù)以“三取二”的方式保存在任務(wù)控制塊中；
*通過任務(wù)的狀態(tài)檢查，對(duì)檢測(cè)不正常的任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的出錯(cuò)處理；
*采用看門狗技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冷熱啟動(dòng)的判定。當(dāng)盾門狗啟動(dòng)后，從程序跑飛的地方自動(dòng)往下執(zhí)行；
*可以在內(nèi)存中開辟一段系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)，定時(shí)將CPU環(huán)境和主要參數(shù)放入其中。
4 兩種方法的比較
選用成熟的RTOS（如RTEMS）可以有效地縮短開發(fā)周期，代碼質(zhì)量可以得到保證；自行開發(fā)RTOS代碼需要經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試，難度相對(duì)更大，開發(fā)周期更長。但可以根據(jù)需要增減相關(guān)功能，有更大的靈活性。如果使用RTEMS支持的CPU，那么推薦使用RTEMS作為星載軟件的開發(fā)，畢竟RTEMS經(jīng)過了十多年的驗(yàn)證，源代碼公開也有幾年的時(shí)間，這樣的代碼質(zhì)量和可靠性應(yīng)該是很高的。如果由于條件限制不能使用RTEMS，可以自行研制星載RTOS，但必須按照軟件工程的開發(fā)方法，從設(shè)計(jì)、編程到測(cè)試，每一項(xiàng)都需要嚴(yán)格把關(guān)。
把RTOS引腳到星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，能使星載軟件從傳統(tǒng)的單線程前后臺(tái)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向多任務(wù)編程，不至于一個(gè)環(huán)節(jié)的失效就引起整個(gè)軟件的失效，增加了可靠性。另一方面，使用操作系統(tǒng)后，使星載軟件的平臺(tái)軟件和功能軟件分離，用戶可以集中精力編寫應(yīng)用程序，提高開發(fā)效率。而且如果使用相同的RTOS，一些通用的模塊或任務(wù)可以在不同型號(hào)繼承和使用，提高軟件的復(fù)用性。引入 星載RTOS將帶來星載軟件開發(fā)的一次技術(shù)變革。
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