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[導(dǎo)讀]VxWorks下實(shí)時(shí)多任務(wù)程序的實(shí)現(xiàn)

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(wú)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(guò)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(lái)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(guò)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(kù)、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(méi)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)

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(lái)解決不同的問(wèn)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(lái)等待信號(hào)量。

b.  互斥:互斥信號(hào)量(Mutex)用來(lái)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(guò)對(duì)共享資源上鎖,實(shí)現(xiàn)高效的互斥訪問(wèn)。

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(méi)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(méi)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)。

 

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(guò)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(lái)將中斷與任務(wù)相聯(lián)系,用任務(wù)來(lái)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(lái)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(lái)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?lái)說(shuō)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(guò)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(méi)有中斷到來(lái)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(lái)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。     

 

      

              圖 3                                       圖 4

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

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

 

結(jié)束語(yǔ)

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(lái)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。

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