摘 要： 針對CDMA通訊系統基站側的重要單板——基帶信號處理" title="信號處理">信號處理單板的系統故障需要在極短時間內進行自恢復的要求，設計了一種基于VxWorks操作系統的故障快速恢復方法，包括操作系統的任務、消息隊列、信號量等操作設計，同時對設計前后系統故障恢復情況進行了對比測試、驗證。
關鍵詞： VxWorks操作系統；CDMA基站；故障；快速恢復
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在CDMA基站BTS側，EVDO基帶信號處理板" title="信號處理板">信號處理板負責完成基帶信號的調制和解調工作，在整個通訊系統中具有非常重要的作用。基帶處理板的硬件系統包括PPC、高通" title="高通">高通CSM6800等芯片；軟件系統包括VxWorks操作系統、BSP驅動層、信號處理應用層" title="應用層">應用層等部分。基帶信號處理板在運行中對外界條件和組成單元要求苛刻，當運行條件不滿足系統要求時，傳統的方法是采用整板硬復位的方法進行故障恢復。
需要整板復位的情況包括：(1)時鐘信號出現故障，導致調制和解調異常；(2)CSM6800調制解調芯片出現異常；(3)部分應用層任務出現異常；(4)在線修改基于CSM6800的基帶參數，只有硬復位后才能生效；(5)更換新的單板軟件版本等。
在基站系統的實際運行中，上述情況都比較常見。基帶信號處理單板一旦整板復位，通常需要4～5分鐘才能恢復正常工作，期間終端用戶無法進行正常業務應用。對于用戶來說，這個業務中斷的時間長度難以容忍，因此增加了用戶投訴概率和對運營商的壓力。如何解決這個問題已成為當務之急。
1 單板快速恢復設計方案
1.1 單板架構分析
如圖1，基帶信號處理單板硬件由兩個主要組成部分：一個是主控CPU，采用高性能的PowerPC；另外一個是高通公司的基帶信號調制、解調芯片CSM6800。
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主控CPU完成對整個單板的控制，包括對CSM6800的控制、與BSC側進行媒體流數據的交互、單板自身各項功能的實現等。主控CPU采用VxWorks作為實時操作系統，對單板上任務、消息隊列、內存等進行管理，采用百兆網口與BTS其他單板交換數據。
CSM6800是高通推出的支持CDMA3G EVDO第二代的調制解調芯片，它具有支持前向速率3.1Mb/s和反向1.8Mb/s的調制解調能力。CSM6800的工作條件比較苛刻：(1)需要時鐘系統提供精確的PP2S信號和16CHIP信號；(2)修改CSM6800配置參數后，需要復位CSM6800后才能生效。
如圖2，在基帶信號處理板上CPU中的軟件架構是在VxWorks操作系統上完成應用層任務的調度和運行。下面分析單板上軟件系統：
(1)操作系統層。基帶信號處理板對實時性要求很高，因此采用VxWorks作為操作系統，完成任務管理等操作系統工作。
(2)BSP底層驅動程序。該層封裝了一些上層軟件需要時使用的底層或者是硬件的接口，保證上層軟件更好的移植性。
(3)應用層。該層完成處理底層數據，并與BSC側完成數據交互、基帶功能控制以及包括單板的一些應用程序，如告警模塊、性能統計模塊、信令跟蹤模塊等。
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從以上分析，基帶單板從軟件和硬件上基本可以分為相對獨立的主控CPU和CSM6800兩大部分。
1.2 快速啟動" title="快速啟動">快速啟動方案設計
首先分析基帶信號處理板的各種復位場景，并且進行梳理。其場景分為兩大類：一類是不需要整板復位就能解決問題或者故障恢復的場景；另外一類是只有復位整板才能夠解決故障。在實際的商用環境中，第二類故障或場景非常少，主要包括：(1)基站軟件升級；(2)底層操作系統跑死。由于系統升級頻率極低，且選擇升級的時間都是事先進行安排，因此對于用戶業務影響很小。至于底層操作系統跑死的可能性更加低微，無論是實驗室還是商用機都極少出現此類情況。
相對而言，第一類場景比第二類場景出現的概率更高一些，目前都是采用統一整板復位的方式來進行功能恢復或者重新啟動。
在分析各類場景之前，首先分析整板啟動時間消耗在哪里。經過測試和計算，其結果如表1。
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分析表1，整體啟動時間需要253s左右，但是前四步就占用了245s，尤其是第4步高通CSM6800芯片自檢，消耗了170s的時間。
分析了所有的復位源，將可以歸類到第一類場景的復位源進行了細化，具體如下：
(1)更改CSM6800參數，需要重新啟動CSM6800生效；
(2)時鐘系統出錯，應用層診斷后，為防止CSM6800出錯，需要重新啟動CSM6800；
(3)CS6800運行期間報錯，需要重新啟動CSM6800；
(4)啟動時的參數校驗錯誤，需要重新復位系統。
針對(1)、(2)、(3)這三種情況，在PPC上即控制CPU上的程序本身并沒有任何問題，因此不需要復位整個CPU。第4種情況是上層的配置參數有誤，導致單板無法正常運行，但是實際上此時的單板并沒有出現異常，其他各個功能模塊也沒有出現故障。
由此可見，基帶信號處理板在CSM6800需要復位才能實現正常功能時，具有重新設計單板復位機制的基礎。這個基礎就是CSM6800復位，或者是針對CSM6800操作出現故障后，并不影響CPU操作系統上底層任務的正常運行，只是對CPU應用層任務產生了影響。依據這個分析基礎，進行了基于VxWorks的快速恢復機制設計。其具體實施方法為：
(1)流程如圖3，首先判斷是要發起快速恢復啟動還是正常的整個單板復位。
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??? (2)正常的單板復位流程，按照單板原設計方案執行；如果是快速啟動方案，則按照快速啟動方案執行：
①清除各種定時器，包括單板與基站其他單板的握手定時器、任務自身的循環定時器，以及其他各種特殊用途的定時器，防止定時器溢出產生任務切換或者導致硬件中斷。
? ②清除數據堆棧。
③調用msgQDelete()清除各個應用層任務消息隊列[1]；清空后，任務不處理新來的消息，這樣任務不會因為消息的激勵產生任務切換。
??? ④釋放應用層任務的指針變量，防止出現無主內存，最終導致內存不斷變小，單板無法執行正常的功能。
??? ⑤清除各個應用層任務的靜態變量；每個任務都有自己靜態成員變量，因此必須要將這些成員變量的數值歸于初始化值，否則將導致不可預見的錯誤。
??? ⑥清除各個應用層任務的局部變量；盡管局部變量在釋放任務后會自動釋放，但是為了防止不可預知的錯誤，仍然要將其釋放，進行初始化操作。
??? ⑦各個應用層調用taskDelete()任務釋放自己[2]；這個應用層多個任務需要完成的最后一個工作，完成自身釋放后，任務構建時所在單板上申請的堆棧、任務ID、內存等全部從操作系統中抹掉，操作系統將把原先各個應用層任務占用的資源進行無主化管理。
??? ⑧通過邏輯控制復位CSM6800；這是關鍵的一步，如果不能實現，則整個方案意義也就不大。在邏輯中增加可以單獨控制CSM6800復位控制的邏輯，當單板完成應用層的快速啟動準備后，要通過操作系統對CSM6800芯片進行復位。復位后，該芯片會重新啟動恢復正常狀態，并且，重新按照應用層給的新的配置參數進行配置。這樣即滿足了由于某些原因導致其進入到異常狀態而無法正常調制和解調的問題，同時也解決了新的配置參數無法生效的問題。
??? ⑨重新啟動調用taskSpawn()[3]啟動各個應用層任務。按照單板正常情況下進行各個應用層任務的啟動。對于應用層而言，此時并不知道在執行快速啟動后是任務啟動還是在單板完全復位后的啟動。
??? ⑩啟動的各個應用層任務只有在各自正常啟動后，單板才進入到正常的工作狀態，否則將重新執行快速啟動。
1.3 快速恢復啟動效果測試
??? 采用中興CDMA EVDO真實環境進行測試，選擇高通支持第二代協議的手機進行測試。首先，將高通手機撥號進行網絡連接，撥號成功后，再進行ping包，并保持ping包狀態；然后，采用不同的復位策略復位基帶信號處理單板，并進行對比測試。
??? 按照兩種方案進行測試，測試結果如果表2。
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??? 如表2，快速恢復啟動方案的啟動時間比原有正常啟動縮短了95.3％，大大縮短了系統恢復正常功能所需要的時間，達到了系統設計目的。為了保證設計方案的穩定性，連續多天進行上千次快速恢復啟動集成測試，測試表明設計方案穩定，并且對于系統的各方面性能指標無影響。
????兩種啟動方式的區別：正常啟動就是目前的做法，將整個單板上所有的硬件和軟件同時做復位處理，其所需要時間達到了253s，十分漫長；快速恢復啟動方案則并沒有將整個單板復位，而只是在操作的過程中將CSM6800進行了硬復位操作，其主控CPU沒有復位，不僅如此，主控CPU上面駐留的操作系統和操作系統隔離層都沒有受到影響，只有應用層的各個任務被重新啟動了一遍。
2 結論
??? 快速恢復啟動方案的可靠實施是建立在VxWorks操作系統對于任務、消息隊列、信號量的高性能管理基礎上的。連續多次啟動和殺掉多個應用層任務過程中，VxWorks能夠穩定地管理各項資源[2]，沒有產生內存泄漏、資源鎖死等狀況，充分保證了上層應用任務的可靠。同時，在該快速恢復啟動方案的實施中，注意了應用任務中采用的多種定時器、靜態變量、全局變量(包括臨時變量)，以及任務之間的互鎖、任務之間沖突隱患等各種情況的處理，才保證了快速恢復啟動方案的可靠性。
在商用局的應用中，基帶信號處理單板采用快速恢復啟動方案能夠大大縮短啟動時間，極大地降低對終端用戶的業務干擾。這項系統設計對于提高運營商服務質量和顧客滿意度起到了重要作用。
參考文獻
[1] 孔祥營.嵌入式實時操作系統VxWorks及其開發環境Tornado.北京：中國電力出版社，2002.
[2] WindRiver 公司.VxWorks Programmer′s guide，1999.
[3] 鄭宗漢.實時系統軟件基礎.北京：清華大學出版社，2003.