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[導(dǎo)讀]VxWorks下的異步通用定時(shí)器設(shè)計(jì)


1 概 述
    VxWorks是WindRiver公司開(kāi)發(fā)的高性能實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核。在應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)用到定時(shí)器。VxWorks下要實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能有2個(gè)途徑:一,借助taskDelay函數(shù)實(shí)現(xiàn);二,使用VxWorks提供的看門狗(watchdog)。使用taskDelay函數(shù)實(shí)現(xiàn)定時(shí)器的缺點(diǎn)在于它是基于任務(wù)的,任務(wù)優(yōu)先級(jí)會(huì)導(dǎo)致定時(shí)不準(zhǔn)??撮T狗基于系統(tǒng)時(shí)鐘中斷,定時(shí)精度大大優(yōu)于前者,但是對(duì)用戶的回調(diào)函數(shù)有諸多限制(如不允許使用semTake、printf等需要等待獲取某種資源的函數(shù),否則會(huì)引起死機(jī))。另外,看門狗只觸發(fā)一次回調(diào)函數(shù),如果用戶需要周期定時(shí)器就需要重新啟動(dòng)看門狗。
    本文設(shè)計(jì)了基于看門狗機(jī)制的異步通用定時(shí)器,并根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了周期性定時(shí)和一次性定時(shí)兩種定時(shí)器。異步是指定時(shí)器運(yùn)行于任務(wù)中,對(duì)用戶沒(méi)有任何限制。異步通用定時(shí)器提供類似于Windows下定時(shí)器的操作接口,簡(jiǎn)單、方便。


2 VxWorks下的看門狗
    VxWorks提供看門狗機(jī)制,允許將希望若干時(shí)間延遲后執(zhí)行的用戶函數(shù)連接到看門狗,在定時(shí)時(shí)間到達(dá)后由看門狗自動(dòng)執(zhí)行??撮T狗機(jī)制由操作系統(tǒng)維持在系統(tǒng)時(shí)鐘中斷,連接到看門狗的函數(shù)同樣運(yùn)行在系統(tǒng)時(shí)鐘中斷服務(wù)程序中。如果操作系統(tǒng)由于種種原因(如在系統(tǒng)時(shí)鐘中斷前的中斷或者內(nèi)核狀態(tài)),將不能立即執(zhí)行的函數(shù)存放在tExcTask任務(wù)的隊(duì)列中,則隊(duì)列中的函數(shù)將以tExc-Task任務(wù)的優(yōu)先級(jí)運(yùn)行(通常為0)。操作系統(tǒng)對(duì)中斷服務(wù)程序的各種限制同樣適用于連接到看門狗的用戶函數(shù),如不能使用printf、semTake等。
    對(duì)看門狗的操作函數(shù)有4個(gè):創(chuàng)建看門狗函數(shù),WDOGID wdCreate(void);啟動(dòng)看門狗函數(shù),STATUS wdStart(WDOG_ID wdId,int delay,F(xiàn)UNCPTR pRoutine,intparameter);刪除看門狗函數(shù),STATUS WdDelete(WDOG_ID wdld);取消看門狗計(jì)時(shí)函數(shù),STATUS wdCancel(WDOG_ID wdld)。
    看門狗的簡(jiǎn)單使用如下:

   
    首先創(chuàng)建看門狗,然后在啟動(dòng)看門狗時(shí)連接用戶函數(shù)并設(shè)置延遲時(shí)間。上面程序中的interval即為延遲時(shí)間,單位為系統(tǒng)時(shí)鐘的tick數(shù)。缺省情況下,系統(tǒng)時(shí)鐘每秒的tick數(shù)為60。當(dāng)interval為1時(shí),即延遲1/60 s后執(zhí)行usrFunc。系統(tǒng)時(shí)鐘的tick數(shù)可以通過(guò)sysClkRateSet函數(shù)設(shè)置。


3 異步通用定時(shí)器的設(shè)計(jì)
3.1 設(shè)計(jì)思想
    雖然看門狗提供的定時(shí)機(jī)制相對(duì)簡(jiǎn)單易用,但還有許多局限性:①定時(shí)時(shí)間的單位為tick數(shù),而不是通常使用的s或者ms。②用戶函數(shù)運(yùn)行在系統(tǒng)時(shí)鐘中斷服務(wù)程序中,而不是運(yùn)行在任務(wù)的上下文中。這給用戶函數(shù)帶來(lái)許多限制(比如用戶函數(shù)中不能使用內(nèi)存分配、獲取信號(hào)量、printf打印輸出等),在這些限制下某些功能可能就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。③看門狗的觸發(fā)是一次性的,而通常需要周期性的定時(shí)器。④相對(duì)于Windows下的定時(shí)器接口,看門狗接口不夠簡(jiǎn)潔明了。異步通用定時(shí)器的設(shè)計(jì)基于看門狗,并在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的封裝,提供類似于Windows的使用方式。系統(tǒng)時(shí)鐘每秒的tick數(shù)可以通過(guò)sysClkRateSet函數(shù)設(shè)置,一般設(shè)置為1 000,即每個(gè)tick代表1 ms。這樣就可以提供分辨率為ms級(jí)的定時(shí)器,對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言可以滿足使用要求。每個(gè)定時(shí)器對(duì)應(yīng)一個(gè)看門狗,同時(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)任務(wù),使得用戶函數(shù)運(yùn)行在任務(wù)中,而不是在中斷中,這樣可以避免操作系統(tǒng)對(duì)中斷處理函數(shù)的種種限制。具體的做法是:在生成定時(shí)器時(shí),啟動(dòng)看門狗開(kāi)始定時(shí),同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)等待一個(gè)計(jì)數(shù)信號(hào)量(該信號(hào)量初始為空,任務(wù)處于PEND狀態(tài));當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)看門狗釋放該信號(hào),激活任務(wù),在任務(wù)中調(diào)用用戶函數(shù)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于,提高了效率,減輕了負(fù)載,減少了中斷中的運(yùn)算(僅僅是釋放信號(hào)量);盡管多創(chuàng)建了一個(gè)任務(wù),但是在定時(shí)器沒(méi)有觸發(fā)時(shí)任務(wù)仍處于PEND狀態(tài),對(duì)資源占用很小。[!--empirenews.page--]
3.2 接口設(shè)計(jì)
    提供類似于Windows的接口函數(shù),定時(shí)器的唯一索引是id號(hào),操作定時(shí)器均通過(guò)id完成。分為2種類型定時(shí)器:周期性定時(shí)器和一次性定時(shí)器。周期性定時(shí)器可以周期性地觸發(fā)。一次性定時(shí)器則只觸發(fā)一次,類似于倒計(jì)時(shí)定時(shí)器,觸發(fā)后看門狗自動(dòng)刪除,相應(yīng)的任務(wù)自動(dòng)退出。在用戶對(duì)定時(shí)器模塊進(jìn)行初始化后,用戶可以在程序的任何地方調(diào)用定時(shí)器提供的接口。


3.3 具體實(shí)現(xiàn)
3.3.1 對(duì)看門狗的封裝
    基于程序設(shè)計(jì)上的考慮,將定時(shí)器的管理控制和看門狗的具體操作分開(kāi),對(duì)看門狗進(jìn)行封裝,CClkGenerator類封裝了看門狗的所有操作,包括看門狗的創(chuàng)建、刪除、取消和啟動(dòng),保存定時(shí)器id、類型、定時(shí)周期等。值得注意的是:看門狗的回調(diào)函數(shù)并不是用戶的回調(diào)函數(shù),而是看門狗管理控制中提供的統(tǒng)一回調(diào)函數(shù),回調(diào)函數(shù)中的參數(shù)為定時(shí)器的索引號(hào)。封裝代碼如下:


    從類定義可以看出,用戶并不能直接使用CClkGen-erator。也就是說(shuō),該類對(duì)用戶而言是不可見(jiàn)的,屏蔽了對(duì)看門狗的直接操作,只有定時(shí)器管理控制模塊才可以對(duì)其進(jìn)行操作。
3.3.2 定時(shí)器管理與控制
    定時(shí)器管理與控制模塊負(fù)責(zé)模塊初始化、多個(gè)定時(shí)器相關(guān)參數(shù)的存儲(chǔ)管理、定時(shí)器任務(wù)的安全退出,以及用戶接口的實(shí)現(xiàn)。
    定時(shí)器的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):定時(shí)器控制結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

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    使用C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)中的map實(shí)現(xiàn)對(duì)定時(shí)器的存儲(chǔ)。第1個(gè)參數(shù)為定時(shí)器的索引號(hào),第2個(gè)參數(shù)為定時(shí)器控制結(jié)構(gòu)。使用map可以方便地實(shí)現(xiàn)基于定時(shí)器索引號(hào)的存儲(chǔ)管理和索引號(hào)的查找。使用map的定時(shí)器存儲(chǔ)示意圖如圖1所示。


    用戶在調(diào)用SetTimer函數(shù)時(shí),創(chuàng)建一個(gè)初始狀態(tài)為空的計(jì)數(shù)信號(hào)量timerArrv,同時(shí)生成一個(gè)任務(wù)timerTask等待該信號(hào)量,此時(shí)任務(wù)狀態(tài)為PEND;實(shí)例化一個(gè)CClk-Generator對(duì)象,創(chuàng)建看門狗啟動(dòng)定時(shí)器。當(dāng)定時(shí)器超時(shí)時(shí),釋放timerArrv信號(hào)量,解除阻塞在timerArrv上的任務(wù),回調(diào)用戶函數(shù)完成一個(gè)完整的定時(shí)過(guò)程。定時(shí)器的典型運(yùn)行過(guò)程如圖2所示。

    圖2中最底下的虛線指向啟動(dòng)看門狗后的中斷處理流程。中間部分表示定時(shí)器任務(wù)運(yùn)行過(guò)程,可見(jiàn)用戶回調(diào)函數(shù)是運(yùn)行在任務(wù)空間中?!盎卣{(diào)函數(shù)釋放信號(hào)量”到定時(shí)器任務(wù)semTake”的虛線表示釋放信號(hào)量使任務(wù)解鎖。


4 定時(shí)器的應(yīng)用
    定時(shí)器管理控制模塊是用戶的唯一接口,使用Single-ton模式。只要調(diào)用CTimerCtrl::GetTimerCtrl()就可以完成對(duì)異步通用定時(shí)器的初始化,除對(duì)定時(shí)器進(jìn)行相關(guān)操作之外,還包括通過(guò)sysClkRateSet函數(shù)設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘每秒的tick數(shù)為1000。下面的例子包含2個(gè)定時(shí)器:一個(gè)是1 sN期性定時(shí)器;另一個(gè)是周期為5 s的一次性定時(shí)器。

結(jié) 語(yǔ)
    從應(yīng)用實(shí)例中可以看出,異步通用定時(shí)器的使用方法和Windows下的定時(shí)器沒(méi)有太大區(qū)別,接口簡(jiǎn)單清晰。異步通用定時(shí)器可以應(yīng)用于定時(shí)精度為ms的絕大部分應(yīng)用程序中,對(duì)于精度要求高于ms的定時(shí)使用硬件輔助時(shí)鐘中斷更為合適,但是要注意操作系統(tǒng)對(duì)中斷處理函數(shù)的限制。

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