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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。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
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
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