王 豐，劉 娜，肖雅靜，趙歲花

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)一直在不斷尋求更高的精度和速度，因此實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)在越來(lái)越多的方面得到應(yīng)用。無(wú)論是在航空、航天、醫(yī)療、軍事還是在工業(yè)制造、仿真測(cè)試上，都可以看到實(shí)時(shí)系統(tǒng)的身影。

所謂的實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)在接收到一個(gè)不可預(yù)測(cè)的事件后，能夠迅速對(duì)其做出正確響應(yīng)。它的最大特點(diǎn)在于：一個(gè)正確的程序運(yùn)行不僅取決于結(jié)果的準(zhǔn)確，更取決于功能實(shí)現(xiàn)的時(shí)間。當(dāng)然，“實(shí)時(shí)”并不意味著“快”，它指的是系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)特性。換句話說(shuō)，實(shí)時(shí)性的衡量標(biāo)準(zhǔn)不是系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間而是最壞情況下的響應(yīng)時(shí)間。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有不同的分類，按實(shí)時(shí)性能來(lái)分，實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以分為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求是嚴(yán)格的、絕對(duì)的，響應(yīng)時(shí)間為微秒級(jí)或更強(qiáng)；軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)允許有一些小的誤差，響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)。通常情況下我們所說(shuō)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)都是指硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)除了其響應(yīng)時(shí)間確定外，還具有其他一些優(yōu)點(diǎn)：多線程優(yōu)先級(jí)調(diào)度器；可預(yù)測(cè)的線程同步機(jī)制；具有優(yōu)先級(jí)繼承；快速的時(shí)鐘和定時(shí)器。

Windows系統(tǒng)作為一種通用操作系統(tǒng)平臺(tái)，以其友好的人機(jī)界面交互功能，在工業(yè)控制中被廣泛應(yīng)用。但不足之處在于Windows系統(tǒng)屬于一個(gè)軟實(shí)時(shí)、多任務(wù)系統(tǒng)，其響應(yīng)時(shí)間無(wú)法滿足某些高精度的控制領(lǐng)域。雖然隨著微處理芯片領(lǐng)域的發(fā)展，其處理能力和響應(yīng)時(shí)間得到顯著提高，但是其最差響應(yīng)時(shí)間的提高不能總是被保證，而且其線程優(yōu)先級(jí)太少，隱含著不確定的線程調(diào)度機(jī)制。因此，對(duì)Windows平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)擴(kuò)展就顯得尤為必要。

1 RTX簡(jiǎn)介

美國(guó)Ardence公司推出了一套純軟件的硬實(shí)時(shí)擴(kuò)展子系統(tǒng)Real-Time Extension for Windows(即RTX)，提供了專門針對(duì)Windows系統(tǒng)的嵌入式實(shí)時(shí)解決方案。相比其他的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，RTX具有開發(fā)周期短，成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且RTX支持VC++6.0與VS.NET開發(fā)環(huán)境。RTX并不對(duì)Windows系統(tǒng)本身進(jìn)行任何封裝或修改，通過(guò)在HAL層(硬件抽象層)增加實(shí)時(shí)HAL擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)基于優(yōu)先級(jí)的搶占式實(shí)時(shí)任務(wù)的管理和調(diào)度。RTX實(shí)時(shí)子系統(tǒng)的線程優(yōu)先于所有Windows線程，提供了對(duì)IRQ、I/O、內(nèi)存的精確直接控制，以確保實(shí)時(shí)任務(wù)的可靠性。通過(guò)高速的IPC通信和同步機(jī)制，RTX方便地實(shí)現(xiàn)與Windows之間的數(shù)據(jù)交換。Windows的定時(shí)器時(shí)鐘分辨率為1 ms，而RTX的定時(shí)器時(shí)鐘分辨率為100 ns，最低定時(shí)器周期為 100 μs。

RTX被實(shí)現(xiàn)為一套庫(kù)的集合 (動(dòng)態(tài)庫(kù)與靜態(tài)庫(kù))，RTSS(Real-Time Sub System)作為 Windows 的內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動(dòng)與HAL擴(kuò)展，其主要目的是管理實(shí)時(shí)任務(wù)的強(qiáng)占運(yùn)行，為應(yīng)用提供各種便利，快速響應(yīng)外部事件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。RTSS通過(guò)RtWinAPI動(dòng)態(tài)庫(kù)的實(shí)時(shí)API提供對(duì)外部對(duì)象的訪問(wèn)方法。RtWinAPI可以被標(biāo)準(zhǔn)Win32環(huán)境和RTSS環(huán)境調(diào)用，將Win32程序轉(zhuǎn)化為RTX程序只需要重新鏈接一套不同的庫(kù)，Windows服務(wù)控制管理器直接將RTX進(jìn)程和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)的可執(zhí)行映像裝入內(nèi)核的不分頁(yè)內(nèi)存中。

RTX的主要體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RTX體系架構(gòu)

2 RTX下驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

2.1 在RTX環(huán)境中導(dǎo)入硬件設(shè)備

大多數(shù)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，都是基于Windows環(huán)境開發(fā)的，無(wú)法在RTX環(huán)境中使用。如果要在RTX環(huán)境中訪問(wèn)此類設(shè)備，就必須把該設(shè)備導(dǎo)入到RTX環(huán)境中，編寫專門的驅(qū)動(dòng)程序。

如圖2所示 (以RTX8.1.2版本為例)，打開RTX Properties面板，選擇Hardware選項(xiàng)，在Devices欄點(diǎn)擊Setting按鈕，在彈出的Pnp Devices Setting面板上可以看到當(dāng)前Windows系統(tǒng)下所有的即插即用設(shè)備，選擇需要在RTX下訪問(wèn)的設(shè)備，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇Add RTX INF Support，確認(rèn)后在Windows設(shè)備管理器中即可把設(shè)備導(dǎo)入到RTX環(huán)境中（圖2）。

圖2 RTX中導(dǎo)入硬件設(shè)備

2.2 編寫RTX環(huán)境下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

RTX下編寫驅(qū)動(dòng)程序相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)閼?yīng)用程序可以直接訪問(wèn)硬件設(shè)備的I/O端口。以PCI設(shè)備為例，RTX提供了相關(guān)的頭文件與庫(kù)函數(shù)，開發(fā)人員可以使用RTX Driver Wizard創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)程序框架，在創(chuàng)建的過(guò)程中根據(jù)應(yīng)用需要可以添加中斷服務(wù)程序，共享中斷，I/O訪問(wèn)，內(nèi)存映射等功能函數(shù)。創(chuàng)建好的驅(qū)動(dòng)程序包含2個(gè)重要部分：

(1)初始化設(shè)備。RTX下的硬件驅(qū)動(dòng)程序首先使用DeviceSearch()函數(shù)查找PCI設(shè)備，通過(guò)指定的廠商號(hào)與設(shè)備號(hào)，遍歷查找所有的PCI的插槽，找到匹配的設(shè)備以后，記錄下當(dāng)前的總線編號(hào)、內(nèi)存與I/O端口的基地址以及相關(guān)的中斷資源。

(2)內(nèi)核與硬件的數(shù)據(jù)交換。開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的目的就是為了與硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但硬件設(shè)備讀寫數(shù)據(jù)使用的是物理地址，而應(yīng)用程序讀寫數(shù)據(jù)使用的是虛擬地址，RTX中提供RtTranslateBusAddress()和 RtMapMemory()函數(shù)來(lái)完成物理地址到虛擬地址的轉(zhuǎn)化，從而完成應(yīng)用程序與硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。

3 RTX與Windows的IPC通訊

一般的設(shè)備控制程序需要有一個(gè)良好的圖形操作界面，RTX作為一個(gè)嵌入式的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，并不直接提供支持類似MFC的圖形界面類庫(kù)。因此，在一個(gè)通用的控制程序中RTX常用來(lái)完成實(shí)時(shí)控制部分，而Windows用來(lái)完成與用戶的交互部分，二者之間通過(guò)共享內(nèi)存與互斥信號(hào)量來(lái)完成數(shù)據(jù)通訊。

3.1 共享內(nèi)存

共享內(nèi)存是在內(nèi)存中開辟一塊指定大小的區(qū)域，不同的進(jìn)程都可以共享此區(qū)域，包括RTSS進(jìn)程與Win32進(jìn)程都可以對(duì)其進(jìn)行讀寫訪問(wèn)。要使用共享內(nèi)存通訊，首先必須創(chuàng)建共享內(nèi)存對(duì)象，然后在另外一個(gè)需要通訊的進(jìn)程中打開該共享內(nèi)存對(duì)象。RTX中使用RtCreateSharedMeory()和RtOpenSharedMeory()來(lái)實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存的創(chuàng)建與打開。通常情況下是在RTX應(yīng)用程序中創(chuàng)建一個(gè)共享內(nèi)存對(duì)象，創(chuàng)建的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)該對(duì)象的句柄，其他進(jìn)程通過(guò)獲取該句柄來(lái)完成不同進(jìn)程間的數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 互斥信號(hào)量

由于Windows與RTX都可以對(duì)共享內(nèi)存進(jìn)行讀寫操作，為避免出現(xiàn)讀寫沖突，所以需要引入信號(hào)量機(jī)制。當(dāng)RTX需要訪問(wèn)共享內(nèi)存時(shí)，首先會(huì)向共享內(nèi)存發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求訪問(wèn)的信號(hào)量，共享內(nèi)存收到此信號(hào)量后會(huì)向Windows發(fā)送一個(gè)詢問(wèn)的信號(hào)量。如果Windows此時(shí)已經(jīng)準(zhǔn)備好，就會(huì)給共享內(nèi)存發(fā)回一個(gè)準(zhǔn)備好的信號(hào)量，共享內(nèi)存收到后再給RTX發(fā)回一個(gè)可以訪問(wèn)的信號(hào)量，RTX就可以對(duì)共享內(nèi)存進(jìn)行讀寫操作了。同理，當(dāng)Windows需要訪問(wèn)共享內(nèi)存時(shí)，也需要同樣的操作，如圖3所示。

4 RT-TCP/IP

圖3 Windows與RTX通訊

在一臺(tái)主機(jī)上，RTX與Windows之間可以通過(guò)共享內(nèi)存來(lái)通訊。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，有時(shí)候需要實(shí)現(xiàn)2臺(tái)主機(jī)之間互相通訊，普通的以太網(wǎng)通訊無(wú)法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。但RTX提供了實(shí)時(shí)性能較好的RT-TCP/IP，它通過(guò)RTSS實(shí)現(xiàn)對(duì)底層網(wǎng)卡的實(shí)時(shí)支持。RTX在子系統(tǒng)中建立獨(dú)立的TCP/IP協(xié)議。該協(xié)議棧建立在NetSilicon公司的Fusion TCP/IP協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)更好的實(shí)時(shí)性能，RTX對(duì)TCP/IP協(xié)議棧作了部分修改。RTX將TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)和硬件的操作集成在網(wǎng)卡的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)中，用戶無(wú)需加載額外的鏈接庫(kù)。RT-TCP/IP給終端用戶提供了許多重要參數(shù)設(shè)置，使其更加適合實(shí)時(shí)傳輸。另外，RTX開放了大量網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序源代碼，給用戶開發(fā)RTX下的網(wǎng)絡(luò)通訊程序帶來(lái)了極大的幫助。

5 結(jié)束語(yǔ)

RTX可靠的實(shí)時(shí)性已經(jīng)在眾多的平臺(tái)上得到了驗(yàn)證，本文簡(jiǎn)單介紹了RTX下開發(fā)實(shí)時(shí)控制程序的一個(gè)大概流程。由于RTX只是對(duì)Windows系統(tǒng)的一個(gè)擴(kuò)展，并不對(duì)Windows系統(tǒng)本身做任何改變，而且RTX對(duì)微軟編譯環(huán)境的支持，使得需要更高實(shí)時(shí)性能的Windows程序可以很容易地移植到RTX下，相信RTX會(huì)在實(shí)時(shí)控制中得到更多的應(yīng)用。

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