基于Ardence RTX的1553B驅(qū)動程序開發(fā)

金相男

（中國空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽 471009）

飛行控制組件是空空導(dǎo)彈的重要組成部分。隨著空空導(dǎo)彈地位的提高，飛行控制組件的重要性也日益凸顯。其作用主要是控制導(dǎo)彈的飛行，并將導(dǎo)彈飛行狀態(tài)信息傳遞到其他組件，協(xié)作確保導(dǎo)彈按一定軌跡運(yùn)行并最終正確擊中目標(biāo)。

飛行控制組件的測試系統(tǒng)不僅僅強(qiáng)調(diào)結(jié)果的正確性，更重要的是要求得到結(jié)果的時(shí)間，即實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要應(yīng)用于過程控制、數(shù)據(jù)采集、通信、多媒體信息處理等對時(shí)間敏感的場合。飛控組件性能測試系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求非常高，要求在確定的、有限的時(shí)間內(nèi)完成一次測試周期，包括大量數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)對采集到得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算的結(jié)果輸出控制信號，有時(shí)還要對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和顯示。針對測控系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求，從實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和易用性等方面對幾種提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的方法進(jìn)行了比較，選取了Ardence RTX（Real-Time Extension）來對Windows系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)擴(kuò)展。而目前采用的1553B還不支持RTX，所以該設(shè)計(jì)方案主要針對1553B進(jìn)行相應(yīng)的RTX驅(qū)動開發(fā)。

1 硬件部分

飛控組件測試系統(tǒng)主要包括總控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（CTS）、遙測計(jì)算機(jī)系統(tǒng) （BTS）、信號調(diào)理單元 （SCU）等5個(gè)部分，1553B就用于總控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的載機(jī)電氣接口部分，與其他板卡配合實(shí)現(xiàn)簡單的火控算法，模擬載機(jī)對飛控系統(tǒng)發(fā)送飛行任務(wù)等。

1553B總線是飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制命令/響應(yīng)多路復(fù)用數(shù)據(jù)總線，是由美國軍方專為飛機(jī)上設(shè)備定制的一種信息傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)。1553B總線系統(tǒng)主要由三部分組成：總線控制器BC、遠(yuǎn)程終端RT、數(shù)據(jù)總線Data Bus。工作頻率1Mb/s，半雙工工作方式。

1553B有3個(gè)類型的終端，即總線上唯一被安排為執(zhí)行建立和啟動數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的終端—總線控制器（BC）、用戶子系統(tǒng)到數(shù)據(jù)總線上的接口—遠(yuǎn)程終端（RT）、監(jiān)控總線上信息傳輸以完成對總線上數(shù)據(jù)源進(jìn)行記錄和分析的—總線監(jiān)控器（MT）。遠(yuǎn)程終端在總線控制器的控制下提取數(shù)據(jù)或吸收數(shù)據(jù)，總線監(jiān)控器本身不參與總線通信。

1553B的實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)傳輸速率比一般的通訊網(wǎng)高，總線下率高，而且有特有的方式命令以及差錯(cuò)控制措施（反饋重傳糾錯(cuò)方法），確保了數(shù)據(jù)的完整性。由于其價(jià)格相對較高，所以多用于軍事而非普通工業(yè)。

2 軟件部分

飛控系統(tǒng)屬于半實(shí)物仿真的實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)需要硬件支持，更依賴軟件系統(tǒng)，而在軟件中最關(guān)鍵的是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，滿足一些基本的要求：滿足時(shí)間期限、多任務(wù)、搶占調(diào)度以及快速靈活的任務(wù)間的通信與同步[2]。由于Windows操作系統(tǒng)在線程調(diào)度、中斷處理和定時(shí)器精度等方面體現(xiàn)出來的弱實(shí)時(shí)性，所以單純的利用Windows操作系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足測控系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求，因此本設(shè)計(jì)將采用對Windows系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)擴(kuò)展的方式來滿足實(shí)時(shí)要求。通過對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、開發(fā)難易度以及開發(fā)成本等方面考慮最終選擇了Ardence RTX對Windows進(jìn)行擴(kuò)展。

2.1 軟件開發(fā)環(huán)境

RTX (Real Time Extension)程序開發(fā)平臺選擇VisualStudio2005+Ardence RTX7.1。

RTX是美國Ardence公司開發(fā)的基于Windows操作系統(tǒng)的硬實(shí)時(shí)解決方案，其充分利用了Windows良好的可擴(kuò)展性體系結(jié)構(gòu)，增加了一個(gè)實(shí)時(shí)的子系統(tǒng)RTSS修改和擴(kuò)展了Windows系統(tǒng)提供的硬件抽象層（HAL，Hardware Abstract Layers）。RTSS提供了實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境和響應(yīng)的編程接口，其滿足：

1）任何時(shí)間其優(yōu)先級都高于Windows。

2）執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，能夠延遲Windows的中斷和錯(cuò)誤。

3）執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，能夠處理實(shí)時(shí)中斷。

RTX的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

RTX被實(shí)現(xiàn)為一套庫的集合，提供了一套被乘坐RTWinAPI的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)庫，可以被標(biāo)準(zhǔn)Win32環(huán)境和RTSS環(huán)境調(diào)用。Windows服務(wù)控制管理器直接將RTX進(jìn)程和動態(tài)鏈接庫(DLL)的可執(zhí)行映像裝入內(nèi)核的非分頁內(nèi)存中，確保在運(yùn)行過程中不被置換出內(nèi)存，保證了對外部事件響應(yīng)的確定性。

當(dāng)運(yùn)行RTSS線程時(shí)，所有Windows控制的中斷都被屏蔽掉。當(dāng)Windows線程請求設(shè)置中斷屏蔽時(shí)，作為實(shí)際管理中斷屏蔽的軟件，HAL確保沒有任何RTSS中斷被屏蔽。RTSS執(zhí)行自己的基于搶占的線程調(diào)度，并支持128級線程優(yōu)先級。

Windows提供的計(jì)時(shí)器的定時(shí)周期為1000微秒 (1毫秒)。RT-HAL將其降到了100微秒并且提供了同步(與計(jì)時(shí)器)的時(shí)鐘，其最小分辨率為100納秒。

2.2 硬件環(huán)境配置

圖1 RTX體系結(jié)構(gòu)Fig.1 RTX structure

因?yàn)橛布ぷ髟赗TX環(huán)境下，所以要將硬件導(dǎo)入到RTX。首先安裝板卡的Windows驅(qū)動，在RTX Properties的Hardware標(biāo)簽頁下選擇設(shè)備設(shè)置，在Windows設(shè)備中右鍵點(diǎn)擊1553B的板卡選擇“Add RTX INF Support”，應(yīng)用即可。在RTX環(huán)境下，設(shè)備要獨(dú)占中斷號以保證其正常運(yùn)行。

2.3 驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

2.3.1 驅(qū)動程序框架

安裝好VS2005之后安裝RTX7.1，RTX程序工程的建立直接嵌入到Visual Studio的開發(fā)環(huán)境中，如圖2所示，多出了3個(gè)選項(xiàng)，選擇Rtx Device Driver根據(jù)向?qū)Ъ纯缮沈?qū)動程序框架，RTX的包含文件和庫文件的路徑已默認(rèn)設(shè)置好，生成的文件類型為*.rtss。

通過RTX驅(qū)動生成向?qū)Э焖偕傻腜CI設(shè)備驅(qū)動程序框架提供函數(shù)接口有：

1)設(shè)備管理函數(shù)

使用DeviceSearch（）函數(shù)通過VenderID和DeviceID在總線上輪詢查找設(shè)備，若找到則獲得設(shè)備的總線號。使用DeviceInit（）函數(shù)獲得設(shè)備的硬件資源如中斷號、內(nèi)存、輸入輸出I/O和DMA等。使用DeviceClean（）函數(shù)清除設(shè)備并釋放硬件資源。

圖2 VisualStudio2005工程選項(xiàng)卡Fig.2 VisualStudio2005 project tab control

2)中斷管理函數(shù)

當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生中斷后，程序首先進(jìn)入DeviceISR，首先判斷是不是該設(shè)備的中斷，如果不是則傳到下一個(gè)共享該中斷號的設(shè)備，如果是則進(jìn)入DeviceIST處理中斷，注意，處理時(shí)先要禁止該板卡的中斷然后查看獲得的中斷類型，釋放信號通知相應(yīng)的線程進(jìn)行相應(yīng)的中斷處理，然后清中斷并使能板卡中斷繼續(xù)工作。

在中斷處理的過程中使用到的函數(shù)包括：DisableInterrupts OnChip （）、EnableInterruptsOnChip （）、IsMyInterrups（）等。

2.3.2 驅(qū)動內(nèi)部自定義函數(shù)

為了滿足用戶需求，將自定義一些結(jié)構(gòu)體和函數(shù)用于對硬件進(jìn)行初始化、讀寫配置、寄存器訪問、本地控件訪問等。該部分函數(shù)不向用戶開放，僅內(nèi)部調(diào)用。以設(shè)置為BC模式時(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)體為例[5]：

結(jié)構(gòu)體中包含了數(shù)據(jù)傳輸方向、傳輸方式等基本信息，利用結(jié)構(gòu)體將這些信息進(jìn)行簡單封裝可使開發(fā)更加簡潔。

其他相關(guān)函數(shù)例如：寫9054本地寄存器函數(shù)void WriteLocalReg_1553B （USHORT offset， UINT32 regVal）、 讀PCI配置空間void ReadPciConfigReg_1553B （USHORT offset,UINT32*pRegVal， DATA_WIDTH_MODE dataWidth）、 軟件復(fù)位芯片void SoftReset_1553B（）等。

如果讀寫數(shù)據(jù)量比較大的情況下，可以采用DMA傳輸方式。軟件上配合DMA操作需要以下步驟：選擇DMA通道；填寫DMA模式控制寄存器和傳輸相關(guān)的寄存器包括PCI地址、LOCAL地址、傳輸數(shù)據(jù)量大小、傳輸方向等信息；啟動DMA傳輸。相關(guān)的函數(shù)例如：DMA控制與配置模塊BOOLEAN DMACtrl_1553B （PLX9054_DMA_CMD cmd， UINT32*pData）、初始化設(shè)備結(jié)構(gòu)體中描述DMA的元素BOOLEAN DMAInit_1553B （）、DMA 塊 讀 寫 BOOLEAN DMARead WriteBlock_1553B （CH_NUM_1553B chNum， UINT32 dwLocalAddr,UINT8*buffer， BOOL IsLocal2PCI）等。

2.3.3 用戶接口函數(shù)

軟件上需要實(shí)現(xiàn)的接口主要包括[6]：打開關(guān)閉板卡、工作模式設(shè)置、填充相關(guān)消息、啟動停止發(fā)送、讀取狀態(tài)字等，例如int OpenCard_1553B（）、int CloseCard_1553B（）等。 用戶只要完成應(yīng)用層面的工作，需要關(guān)心驅(qū)動是如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞的。

2.4 RTX驅(qū)動開發(fā)中設(shè)備共享中斷問題及解決方法

2.4.1 Windows設(shè)備與RTX設(shè)備

由于RTX技術(shù)說明文檔中明確指出RTX設(shè)備必須獨(dú)占中斷號，所以是不能與Windows設(shè)備共享中斷，如果出現(xiàn)中斷號沖突，RTX設(shè)備的圖標(biāo)會帶有嘆號表示不能整成使用，只能將與其沖突中斷號的Windows設(shè)備停用并刷新重啟。

2.4.2 RTX設(shè)備之間

1）打開RTX Property中的設(shè)備管理器，找到RTX下的設(shè)備，如果兩個(gè)或以上的設(shè)備共享了中斷號，其前面的圖標(biāo)均有嘆號表示沒有獲得有效的中斷資源，雙擊打開，顯示了板卡的一些資源信息，設(shè)置Disposition，默認(rèn)的是Device Exclusive表示獨(dú)占中斷資源，需要改成Shared By RTX將該設(shè)備設(shè)成中斷共享的，如圖3所示。確定后需更新驅(qū)動程序并重啟計(jì)算機(jī)，共享設(shè)備可正常工作了；

2）在打開板卡的代碼中RtxAttachInterruptsEx（）函數(shù)有一個(gè)參數(shù)BOOLEAN ShareVector，設(shè)置為TRUE；

3）中斷服務(wù)例程ISR和中斷服務(wù)線程IST：

RtAttachInterruptsEx（）函數(shù)為每個(gè)中斷向量掛接ISR和IST，在指明了該中斷是共享中斷時(shí)，RTX會將所有共享該中斷的ISR組成一個(gè)函數(shù)鏈，這樣每次發(fā)生該中斷時(shí)都會依據(jù)ISR將這個(gè)鏈調(diào)用一遍，僅當(dāng)是本設(shè)備產(chǎn)生中斷才被處理。進(jìn)入ISR后首先調(diào)用IsMyInterrupt函數(shù)讀取PLX9054中斷寄存器的值，查看DMA中斷和Local中斷是否被使能，如果都沒有表示不是本設(shè)備產(chǎn)生的中斷，ISR返回PassToNextDevice將該中斷傳遞給鏈表中的下一個(gè)ISR處理，如果是本設(shè)備產(chǎn)生的中斷，則ISR返回CallInterruptThread進(jìn)入IST處理。在IST中先要向PLX9054中斷寄存器中相應(yīng)位置零禁止該設(shè)備其它中斷的產(chǎn)生，然后根據(jù)中斷類型進(jìn)行相應(yīng)處理，最后向相應(yīng)寄存器中寫入數(shù)值清中斷，再使能設(shè)備中斷繼續(xù)工作。流程如圖3所示。

圖3 共享中斷流程圖Fig.3 Flow chart of share interrupt

3 結(jié) 論

論文研究的1553B驅(qū)動程序開發(fā)是基于Windows+RTX環(huán)境的，實(shí)現(xiàn)了在Windows操作系統(tǒng)中嵌入RTX實(shí)時(shí)子系統(tǒng)，有效地將Windows系統(tǒng)強(qiáng)大的界面開發(fā)能力和RTX的實(shí)時(shí)性能結(jié)合起來，并使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化緊湊，為今后在Windows系統(tǒng)平臺下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測控奠定了良好的基礎(chǔ)。

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