VxWorks下實(shí)時(shí)多任務(wù)程序的實(shí)現(xiàn)

摘要：本文介紹了VxWorks操作系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，給出了一種VxWorks操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)程序的一種方法，并利用軟件邏輯分析儀WindView對(duì)程序運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞:嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng);信號(hào)量;中斷服務(wù)程序

　　1  引言

　　隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，計(jì)算機(jī)的發(fā)展正顯示出微型化和專業(yè)化的趨勢(shì)。目前，嵌入式系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用，實(shí)時(shí)系統(tǒng)在各高精尖技術(shù)領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展,具有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái),它不同于分時(shí)操作系統(tǒng),它的主要任務(wù)是對(duì)事件進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理。雖然事件可能在無法預(yù)知的時(shí)刻到達(dá),但是軟件必須在事件發(fā)生時(shí)在嚴(yán)格的時(shí)限內(nèi)做出響應(yīng)。在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)多任務(wù)程序是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的重要一環(huán)，本文介紹了VxWorks操作系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，給出了一種在VxWorks操作系統(tǒng)下實(shí)時(shí)多任務(wù)程序的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過仿真，驗(yàn)證了這種設(shè)計(jì)方法的可行性和有效性。

　　2  VxWorks操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　Vxworks就是一個(gè)由WRS公司推出的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),具有多任務(wù)、可裁減、可靠性好、實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn), 是業(yè)界公認(rèn)的性能出色的一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)由400多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的、短小精煉的目標(biāo)模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當(dāng)模塊來裁剪和配置系統(tǒng)，這有效地保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。系統(tǒng)的鏈接器可按應(yīng)用的需要自動(dòng)鏈接一些目標(biāo)模塊。這樣，通過目標(biāo)模塊之間的按需組合，可得到許多滿足功能需求的應(yīng)用。VxWorks操作系統(tǒng)的基本構(gòu)成模塊主要包括以下部分：高效的實(shí)時(shí)內(nèi)核Wind、兼容實(shí)時(shí)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)POSIX、I/O系統(tǒng)、本機(jī)文件系統(tǒng)、文件I/O系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)特性、虛擬內(nèi)存（可選單元VxVMI）、共享內(nèi)存（可選單元VxMP）、駐留目標(biāo)工具、Wind基類、工具庫、性能優(yōu)化、目標(biāo)代理、板級(jí)支持包、VxWorks仿真器（VxSim）。

　　VxWorks中與構(gòu)建實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)有關(guān)的內(nèi)容如下：

　　1）wind內(nèi)核任務(wù)調(diào)度策略

　　Wind內(nèi)核采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度法作為它的缺省策略，同時(shí)它也提供了輪轉(zhuǎn)調(diào)度法。

　　基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度，具有很多優(yōu)點(diǎn)。這種調(diào)度方法為每個(gè)任務(wù)指定不同的優(yōu)先級(jí)。沒有處于阻塞或懸置態(tài)的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)將一直運(yùn)行下去。當(dāng)更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)由就緒態(tài)進(jìn)入運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)核立即保存當(dāng)前任務(wù)的上下文，切換到更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。而輪轉(zhuǎn)調(diào)度法分配給處于就緒態(tài)的每個(gè)同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一個(gè)相同的執(zhí)行時(shí)間片。

　　2）信號(hào)量

　　VxWorks信號(hào)量是提供任務(wù)間通信、同步和互斥的最優(yōu)選擇,也是提供任務(wù)間同步和互斥的主要手段。VxWorks 提供3 種信號(hào)量來解決不同的問題。

　　a.  二進(jìn)制信號(hào)量：二進(jìn)制信號(hào)量（Binary）能夠滿足任務(wù)間的互斥和同步,需要的系統(tǒng)開銷最小。當(dāng)一個(gè)任務(wù)調(diào)用semTake()請(qǐng)求一個(gè)信號(hào)量時(shí),如果此時(shí)信號(hào)量可用,信號(hào)量會(huì)被清零,并且任務(wù)立即繼續(xù)執(zhí)行；如果信號(hào)量不可用,任務(wù)會(huì)被阻塞來等待信號(hào)量。

　　b.  互斥：互斥信號(hào)量（Mutex）用來實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的保護(hù)，當(dāng)兩個(gè)以上的任務(wù)共享同一塊內(nèi)存緩沖區(qū)或同一個(gè)I/O設(shè)備之類的資源時(shí),可能會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)?；コ庑盘?hào)量可以通過對(duì)共享資源上鎖,實(shí)現(xiàn)高效的互斥訪問。

　　c.  計(jì)數(shù)器信號(hào)量：計(jì)數(shù)器信號(hào)量（Count）是實(shí)現(xiàn)任務(wù)同步和互斥的另一種手段。計(jì)數(shù)器信號(hào)量除了像二進(jìn)制信號(hào)量那樣工作外,還保持對(duì)信號(hào)量釋放次數(shù)的跟蹤。

　　3) 中斷服務(wù)程序

　　VxWorks的所有中斷服務(wù)程序使用同一中斷堆棧，它在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)就已根據(jù)具體的配置參數(shù)進(jìn)行了分配和初始化，因此，必須保證它的大小，以使它能滿足最壞的多中斷情況。為了快速響應(yīng)中斷，中斷服務(wù)程序ISR運(yùn)行在特定的空間，不同于其它任何任務(wù)，中斷處理沒有任務(wù)的上下文切換。中斷也有缺陷：ISR不運(yùn)行在常規(guī)的任務(wù)上下文，它沒有任務(wù)控制塊。對(duì)于ISR的基本約束就是它們不能激活那些可能使調(diào)用程序阻塞的函數(shù)。

　　3  實(shí)時(shí)多任務(wù)程序設(shè)計(jì)

　　在一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中,中斷處理是至關(guān)重要的，系統(tǒng)通過中斷機(jī)制響應(yīng)外部事件,并對(duì)外部事件作出處理,系統(tǒng)對(duì)中斷的響應(yīng)速度和中斷服務(wù)程序的處理速度直接反映了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的性能。VxWorks提供函數(shù)intconnect(),它允許將指定的Ｃ函數(shù)與任何中斷相聯(lián)系。這個(gè)指定的Ｃ函數(shù)就是這個(gè)中斷的中斷服務(wù)程序, 中斷服務(wù)程序必須盡快結(jié)束,以免阻塞低優(yōu)先級(jí)的中斷,它不同于普通的任務(wù)模塊,必須滿足特殊的要求就是不許阻塞。為了既保證中斷服務(wù)程序盡快結(jié)束而且又避免ISR在調(diào)用函數(shù)時(shí)受到約束，這時(shí)可以使用信號(hào)量來將中斷與任務(wù)相聯(lián)系，用任務(wù)來完成IRS的功能，建立實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。
 具體的做法為，先利用函數(shù)taskSpamn()來創(chuàng)建多個(gè)任務(wù)，建立多任務(wù)環(huán)境，與中斷相聯(lián)系的任務(wù)處于高優(yōu)先級(jí)，利用semTake(semID)使該任務(wù)等待信號(hào)量而處于阻塞狀態(tài)，只有當(dāng)相應(yīng)的中斷到來時(shí)，中斷服務(wù)程序執(zhí)行semGive(semID)給出信號(hào)量，任務(wù)得到相應(yīng)的信號(hào)量而執(zhí)行。任務(wù)間通信利用互斥信號(hào)量實(shí)現(xiàn)內(nèi)存共享。

　　下面以一個(gè)數(shù)據(jù)采集的程序?qū)嵗齺碚f明這種實(shí)時(shí)多任務(wù)程序的設(shè)計(jì)方法。
 對(duì)于一個(gè)需要定周期采樣并且還要等待外部數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，讀入數(shù)據(jù)并與采樣數(shù)據(jù)融合的系統(tǒng)，我們進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)，系統(tǒng)劃分為三個(gè)任務(wù)，按優(yōu)先級(jí)高低排列的任務(wù)為：

　　a. 采樣與數(shù)字濾波（tsample）; 

　　b. 讀入數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理（tdataprocess）; 

　　c. 系統(tǒng)監(jiān)控（tmonitor）。

　　其中，tsample和tdataprocess通過信號(hào)量分別與定時(shí)中斷和外部數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好中斷相聯(lián)系，它們之間的通信利用互斥信號(hào)量實(shí)現(xiàn)內(nèi)存共享。當(dāng)沒有中斷到來時(shí)，任務(wù)得不到信號(hào)量而處于阻塞狀態(tài)，執(zhí)行tmonitor；當(dāng)中斷到來時(shí)，中斷服務(wù)程序產(chǎn)生信號(hào)量，相應(yīng)的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)得到信號(hào)量而搶先執(zhí)行，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)執(zhí)行完后再執(zhí)行低優(yōu)先級(jí)任務(wù)。程序如下：

　　1）主程序創(chuàng)建三個(gè)任務(wù)和兩個(gè)中斷連接。

　　STATUS main (void)
　　{…
　　tidsample=taskSpawn("tsample",200,0,STACK_SIZE,(FUNCPTR)sample,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0); tiddataprocess=taskSpawn("tDataprocess",210,0,STACK_SIZE,(FUNCPTR)dataprocess,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0);
　　…}

　　2) 中斷服務(wù)程序只產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)量。

　　void intSample(void){semGive(sampleSemID)；}
　　void intDataprocess(void){semGive(dataprocessSemID)；}

　　3)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)等待信號(hào)量而處于阻塞狀態(tài)，要取得相應(yīng)的中斷服務(wù)程序發(fā)出的信號(hào)量才能運(yùn)行。

　　void sample (void)
　　{semTake(sampleSemID，WAIT_FOREVER)；
　　…}
　　void dataprocess (void)
　　{semTake(DataprocessSemID，WAIT_FOREVER)；
　　…}

　　該程序在WxSim下運(yùn)行，在軟件邏輯分析儀WindView下顯示的運(yùn)行結(jié)果如圖1-4。

　　其中，圖3顯示的運(yùn)行過程是，任務(wù)tmonitor執(zhí)行'中斷intruppt'中斷服務(wù)程序給出信號(hào)量semGive(sampleSemID)'中斷tint'中斷服務(wù)程序給出信號(hào)量semGive(dataprocessSemID)'任務(wù)tsample得到信號(hào)量semTake(sampleSemID)'任務(wù)tsample執(zhí)行完后退出'任務(wù)dateprocess得到信號(hào)量semTake(dataprocessSemID)'任務(wù)tdataprocess執(zhí)行完后退出'任務(wù)tmonitor繼續(xù)執(zhí)行。

　　圖4顯示的運(yùn)行過程是：任務(wù)tmonitor執(zhí)行'中斷tint'中斷服務(wù)程序給出信號(hào)量semGive(dataprocessSemID)'任務(wù)dataprocess得到信號(hào)量semTake(dataprocessSemID)'任務(wù)tdataprocess執(zhí)行'中斷intruppt'中斷服務(wù)程序給出信號(hào)量semGive(sampleSemID)'任務(wù)tsample得到信號(hào)量 semTake(sampleSemID)'任務(wù)tsample執(zhí)行完后退出'任務(wù)tdataprocess繼續(xù)執(zhí)行，執(zhí)行完后退出' 任務(wù)tmonitor繼續(xù)執(zhí)行。

　　由運(yùn)行結(jié)果可以看出，與中斷對(duì)應(yīng)的任務(wù)在得到信號(hào)量后沒有立即執(zhí)行，當(dāng)中斷服務(wù)程序返回中斷點(diǎn)后，有幾微秒的延遲（Pentium ,100M），這是由于任務(wù)切換上下文造成的，這一延遲量對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性影響不大，是可以接受的，程序的運(yùn)行結(jié)果達(dá)到了預(yù)期要求。

　　4  結(jié)束語

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，使用信號(hào)量將中斷與任務(wù)相聯(lián)系,中斷服務(wù)程序只產(chǎn)生信號(hào)量，保證了中斷服務(wù)程序盡快結(jié)束,以免阻塞低優(yōu)先級(jí)的中斷；用任務(wù)來完成中斷服務(wù)程序所需要完成的功能，避免了VxWorks對(duì)中斷服務(wù)程序的約束。在軟件邏輯分析儀WindView下看到的程序運(yùn)行結(jié)果表明，該方法建立實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)是可行的。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]  Vxworks Programmer's Guide 5.5 Edition [Z] . USA:WindRiver System Inc,2003.
　　[2]  Tornado User's Guide [Z]. USA:WindRiver System Inc,2003.
　　[3]  WindView User's Reference[Z]. USA:WindRiver System Inc,2003.
　　[4]  陳智育,溫彥軍,陳　琪. VxWorks 程序開發(fā)實(shí)踐[ M]. 北京:人民郵電出版社,2004.
　　[5]  張林，王芙蓉.VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)間機(jī)制的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2005(3):11-13.
　　[6]  趙佑春. VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中信號(hào)量用于多任務(wù)同步與互斥的討論[J].微計(jì)算機(jī)信息，2004,20(3):78-80

　　作者簡(jiǎn)介: 李洪亮(1966- ) , 男(漢族), 博士生, 主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)，智能控制。