VxWorks下實時多任務(wù)程序的實現(xiàn)
1 引言
隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，計算機(jī)的發(fā)展正顯示出微型化和專業(yè)化的趨勢。目前，嵌入式系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用，實時系統(tǒng)在各高精尖技術(shù)領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展,具有實時操作系統(tǒng)的計算機(jī)系統(tǒng)也得到了廣泛的應(yīng)用。實時操作系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺,它不同于分時操作系統(tǒng),它的主要任務(wù)是對事件進(jìn)行實時的處理。雖然事件可能在無法預(yù)知的時刻到達(dá),但是軟件必須在事件發(fā)生時在嚴(yán)格的時限內(nèi)做出響應(yīng)。在實時操作系統(tǒng)下設(shè)計實時多任務(wù)程序是實現(xiàn)實時系統(tǒng)的重要一環(huán)，本文介紹了VxWorks操作系統(tǒng)的技術(shù)特點，給出了一種在VxWorks操作系統(tǒng)下實時多任務(wù)程序的設(shè)計方法，經(jīng)過仿真，驗證了這種設(shè)計方法的可行性和有效性。
2 VxWorks操作系統(tǒng)簡介
Vxworks就是一個由WRS公司推出的嵌入式實時操作系統(tǒng),具有多任務(wù)、可裁減、可靠性好、實時性高等特點, 是業(yè)界公認(rèn)的性能出色的一種實時操作系統(tǒng)。VxWorks實時操作系統(tǒng)由400多個相對獨立的、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：高效的實時內(nèi)核Wind、兼容實時系統(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、板級支持包、VxWorks仿真器（VxSim）。
VxWorks中與構(gòu)建實時多任務(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)先級的搶占式調(diào)度法作為它的缺省策略，同時它也提供了輪轉(zhuǎn)調(diào)度法。
基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度，具有很多優(yōu)點。這種調(diào)度方法為每個任務(wù)指定不同的優(yōu)先級。沒有處于阻塞或懸置態(tài)的最高優(yōu)先級任務(wù)將一直運(yùn)行下去。當(dāng)更高優(yōu)先級的任務(wù)由就緒態(tài)進(jìn)入運(yùn)行時，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)先級的任務(wù)。而輪轉(zhuǎn)調(diào)度法分配給處于就緒態(tài)的每個同優(yōu)先級的任務(wù)一個相同的執(zhí)行時間片。
2）信號量
VxWorks信號量是提供任務(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 種信號量來解決不同的問題。
a. 二進(jìn)制信號量：二進(jìn)制信號量（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)一個任務(wù)調(diào)用semTake()請求一個信號量時,如果此時信號量可用,信號量會被清零,并且任務(wù)立即繼續(xù)執(zhí)行；如果信號量不可用,任務(wù)會被阻塞來等待信號量。
b. 互斥：互斥信號量（Mutex）用來實現(xiàn)對共享資源的保護(hù)，當(dāng)兩個以上的任務(wù)共享同一塊內(nèi)存緩沖區(qū)或同一個I/O設(shè)備之類的資源時,可能會發(fā)生競爭狀態(tài)?；コ庑盘柫靠梢酝ㄟ^對共享資源上鎖,實現(xiàn)高效的互斥訪問。
c. 計數(shù)器信號量：計數(shù)器信號量（Count）是實現(xiàn)任務(wù)同步和互斥的另一種手段。計數(shù)器信號量除了像二進(jìn)制信號量那樣工作外,還保持對信號量釋放次數(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)啟動時就已根據(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 實時多任務(wù)程序設(shè)計
在一個實時系統(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,并對外部事件作出處理,系統(tǒng)對中斷的響應(yīng)速度和中斷服務(wù)程序的處理速度直接反映了實時系統(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。這個指定的Ｃ函數(shù)就是這個中斷的中斷服務(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)時受到約束，這時可以使用信號量來將中斷與任務(wù)相聯(lián)系，用任務(wù)來完成IRS的功能，建立實時多任務(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，利用semTake(semID)使該任務(wù)等待信號量而處于阻塞狀態(tài)，只有當(dāng)相應(yīng)的中斷到來時，中斷服務(wù)程序執(zhí)行semGive(semID)給出信號量，任務(wù)得到相應(yīng)的信號量而執(zhí)行。任務(wù)間通信利用互斥信號量實現(xiàn)內(nèi)存共享。
下面以一個數(shù)據(jù)采集的程序?qū)嵗齺碚f明這種實時多任務(wù)程序的設(shè)計方法。
對于一個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，系統(tǒng)劃分為三個任務(wù)，按優(yōu)先級高低排列的任務(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通過信號量分別與定時中斷和外部數(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量實現(xiàn)內(nèi)存共享。當(dāng)沒有中斷到來時，任務(wù)得不到信號量而處于阻塞狀態(tài)，執(zhí)行tmonitor；當(dāng)中斷到來時，中斷服務(wù)程序產(chǎn)生信號量，相應(yīng)的高優(yōu)先級任務(wù)得到信號量而搶先執(zhí)行，當(dāng)高優(yōu)先級的任務(wù)執(zhí)行完后再執(zhí)行低優(yōu)先級任務(wù)。程序如下：
1）主程序創(chuàng)建三個任務(wù)和兩個中斷連接。
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)的信號量。
void intSample(void){semGive(sampleSemID)；}
void intDataprocess(void){semGive(dataprocessSemID)；}
3)高優(yōu)先級任務(wù)等待信號量而處于阻塞狀態(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)行過程是，任務(wù)tmonitor執(zhí)行à中斷intrupptà中斷服務(wù)程序給出信號量semGive(sampleSemID)à中斷tintà中斷服務(wù)程序給出信號量semGive(dataprocessSemID)à任務(wù)tsample得到信號量semTake(sampleSemID)à任務(wù)tsample執(zhí)行完后退出à任務(wù)dateprocess得到信號量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)行過程是：任務(wù)tmonitor執(zhí)行à中斷tintà中斷服務(wù)程序給出信號量semGive(dataprocessSemID)à任務(wù)dataprocess得到信號量semTake(dataprocessSemID)à任務(wù)tdataprocess執(zhí)行à中斷intrupptà中斷服務(wù)程序給出信號量semGive(sampleSemID)à任務(wù)tsample得到信號量 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，與中斷對應(yīng)的任務(wù)在得到信號量后沒有立即執(zhí)行，當(dāng)中斷服務(wù)程序返回中斷點后，有幾微秒的延遲（Pentium ,100M），這是由于任務(wù)切換上下文造成的，這一延遲量對于系統(tǒng)的實時性影響不大，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：在VxWorks實時操作系統(tǒng)中，使用信號量將中斷與任務(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，該方法建立實時多任務(wù)系統(tǒng)是可行的。
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