VxWorks系統(tǒng)概念妙喻

 當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)已無(wú)所不在，應(yīng)用于各行各業(yè)。在嵌入式系統(tǒng)中，有一類很重要的成員，即實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)。其中，WindRiver公司的 VxWorks是目前軟件工程師采用最多的，用于開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的商用實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，以其可靠性及強(qiáng)大的工具支持著稱。很多程序開(kāi)發(fā)人員由 Windows編程轉(zhuǎn)向嵌入式編程時(shí)感到困難，因?yàn)樵赪indows的API函數(shù)中有不少操作系統(tǒng)內(nèi)核機(jī)制都進(jìn)行了封裝(如信號(hào)量、消息等)，往往不必了解這些概念，而優(yōu)秀的VxWorks編程者則需要更加了解與內(nèi)核相關(guān)的概念。下面通過(guò)現(xiàn)實(shí)生活中的一些事例進(jìn)行類比來(lái)說(shuō)明這些概念，即使是初學(xué)者也能輕松領(lǐng)悟。

1 實(shí)時(shí)性與非實(shí)時(shí)性

VxWorks作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性指的是對(duì)外部事件的響應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。舉個(gè)工作中的例子，有一種情況：假如你的公司規(guī)定對(duì)客戶的投訴必須在當(dāng)天予以解決，因而當(dāng)接到投訴時(shí)，你馬上去往客戶處交涉并解決問(wèn)題。另一種情況：公司在收到客戶投訴后，并不馬上解決，而是在一段時(shí)間后匯總并根據(jù)客戶所在地集中解決。第一種情況就好比實(shí)時(shí)系統(tǒng)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)外部事件進(jìn)行響應(yīng);第二種情況好比非實(shí)時(shí)系統(tǒng)。很可能出現(xiàn)的一種情形就是，剛解決好一個(gè)客戶的問(wèn)題后回公司，得知又一位同一地點(diǎn)的客戶要求你去，因此懊悔不已，接到投訴后不如不馬上行動(dòng)。同樣，非實(shí)時(shí)系統(tǒng)也需要付出額外的代價(jià)，因此不能簡(jiǎn)單地說(shuō)哪種系統(tǒng)效率更高或性能更好。第一種公司制度更讓客戶滿意，因?yàn)樗茉谝?guī)定時(shí)間內(nèi)給客戶反饋，雖然效率不一定最高。具體選用哪一種管理制度應(yīng)該結(jié)合實(shí)際經(jīng)營(yíng)情況而定，同理，實(shí)時(shí)系統(tǒng)也有它適合的應(yīng)用。比如汽車控制設(shè)備、國(guó)防系統(tǒng)中，不在預(yù)定時(shí)間內(nèi)對(duì)外部隨機(jī)事件作出響應(yīng)是很不合理的;而在 Windows系統(tǒng)中，鼠標(biāo)點(diǎn)擊在系統(tǒng)繁忙時(shí)可能好幾秒才響應(yīng)過(guò)來(lái)。

2 多任務(wù)與單任務(wù)

多任務(wù)好比一個(gè)團(tuán)隊(duì)的多個(gè)人分工合作完成一項(xiàng)工作，而單任務(wù)則是一個(gè)人獨(dú)立完成一項(xiàng)工作。假如這項(xiàng)工作就是去郵局郵寄一份文件，那么一個(gè)人足以勝任，多個(gè)人反而顯得多余。假如這項(xiàng)工作包括去郵局郵寄文件，收取客戶Email并及時(shí)回復(fù)，接聽(tīng)電話，那么一個(gè)人就顯得雜亂無(wú)章，不能及時(shí)回復(fù)郵件，或錯(cuò)過(guò)電話。如果安排兩個(gè)人完成此項(xiàng)工作就容易得多，一人去郵寄文件，一人留單位接聽(tīng)電話并收取Email.從程序設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，單任務(wù)或多任務(wù)都沒(méi)有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)用程序是采用何種任務(wù)劃分，需根據(jù)具體應(yīng)用而定。

還有一個(gè)問(wèn)題，畢竟CPU資源是固定的，如果同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，那么每個(gè)任務(wù)的處理能力都降低了，整體性能是否提高了呢?假如需要將兩個(gè)文件從 A地分別送往B地和C地，如圖1所示。一個(gè)行走速度極快的運(yùn)動(dòng)員從A地到B地需要10 min，交接文件需10 min，從B地返回A地需10 min，再?gòu)腁地到C地需15 min，交接文件需10 min，總共花費(fèi)55 min.而兩個(gè)行走較慢的人共同完成該任務(wù)，一人從A地到B地需20 min，交接文件10 min，30 min完成;另一人從A地往C地需30 min，交接文件需10 min，總共也就40 min.交接文件時(shí)間越長(zhǎng)，兩個(gè)人的優(yōu)勢(shì)越明顯。在程序中等待慢設(shè)備的應(yīng)答信號(hào)就是這種情況，不能將整個(gè)CPU的時(shí)間花費(fèi)在等待中。但假如任務(wù)就是將文件從A送到B，那么多個(gè)行走慢的人就不如一個(gè)速度快的人了。

圖1 文件派送兩地示意圖

3 信號(hào)量(semaphore)

VxWorks系統(tǒng)中，信號(hào)量包括互斥信號(hào)量、二進(jìn)制信號(hào)量和計(jì)數(shù)信號(hào)量，其他操作系統(tǒng)基本上也是如此。按作用劃分為同步和互斥機(jī)制。通過(guò)信號(hào)量的同步和互斥機(jī)制可以方便、高效地協(xié)調(diào)任務(wù)?；コ夥绞降墓δ苁遣煌蝿?wù)可以利用信號(hào)量互斥地訪問(wèn)臨界資源?，F(xiàn)實(shí)生活中也是如此，比如單位會(huì)議室只有一個(gè)，可能有多個(gè)部門使用會(huì)議室，單位采取如下管理方式：使用前向負(fù)責(zé)人申請(qǐng)，若會(huì)議室空閑就可以使用，會(huì)議結(jié)束后通知負(fù)責(zé)人;否則，等待負(fù)責(zé)人通知。這里的會(huì)議室就好比臨界資源，申請(qǐng)和通知這種方式就好比信號(hào)量的互斥機(jī)制，如圖2所示。

圖2 信號(hào)量互斥機(jī)制與會(huì)議室管理機(jī)制對(duì)比

信號(hào)量的同步機(jī)制有所不同，提供的任務(wù)同步功能是指一個(gè)任務(wù)可以利用信號(hào)量控制自己的執(zhí)行進(jìn)度，使自己同步于一組外部事件。好比甲等待乙的電話再一起吃飯。甲接電話之前沒(méi)有任何行動(dòng)，好比這個(gè)任務(wù)阻塞;接到電話好比獲取信號(hào)量(乙打電話好比釋放信號(hào)量);去吃飯就好比繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

計(jì)數(shù)信號(hào)量與二進(jìn)制信號(hào)量都可以用于任務(wù)之間的同步與互斥，不同之處在于，計(jì)數(shù)信號(hào)量能夠記錄信號(hào)量釋放的次數(shù)，可以用來(lái)監(jiān)視某一資源的使用狀況。好比存錢與消費(fèi)：存入的金額計(jì)數(shù)累加(釋放信號(hào)量計(jì)數(shù))，消費(fèi)時(shí)金額減少(獲取信號(hào)量計(jì)數(shù)減少)，只要金額不為零就還有消費(fèi)能力(信號(hào)量可用)，金額為零就只能等待存入(獲取信號(hào)量但無(wú)信號(hào)量可用只能等待其他任務(wù)釋放信號(hào)量)。

4 消息機(jī)制

僅通過(guò)信號(hào)量的同步、互斥是無(wú)法提供完善的響應(yīng)式交互信息的。消息(message)機(jī)制通過(guò)消息隊(duì)列保存多個(gè)消息，一般來(lái)說(shuō)，消息是按照 FIFO的順序通過(guò)消息隊(duì)列的。信號(hào)量好比是兩人相互約定，電話鈴響，不用接聽(tīng)，直接出門迎接;而消息機(jī)制發(fā)送就是，接聽(tīng)電話并根據(jù)電話內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)操作。接聽(tīng)電話并根據(jù)電話內(nèi)容辦理相應(yīng)事情，比電話鈴響就按約定辦理事情多花費(fèi)時(shí)間，同樣，消息機(jī)制比信號(hào)量更耗費(fèi)時(shí)間;但接聽(tīng)電話后根據(jù)電話內(nèi)容辦事比前者更加靈活，適應(yīng)更多的場(chǎng)合，同樣，消息機(jī)制的使用比信號(hào)量更加靈活，并且電話內(nèi)容可以是臨時(shí)增加的，類似消息內(nèi)容的可擴(kuò)展性。

5 信號(hào)

信號(hào)(signal)與信號(hào)量聽(tīng)起來(lái)很相似，其實(shí)是完全不同的兩種機(jī)制，一定需要明確區(qū)分。信號(hào)是一種由事件觸發(fā)的軟件中斷，它可以異步地改變信號(hào)接收任務(wù)的執(zhí)行流程，使其轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)的信號(hào)處理程序執(zhí)行。即使該任務(wù)當(dāng)前處于阻塞狀態(tài)，一旦接收信號(hào)后就會(huì)處于準(zhǔn)備執(zhí)行狀態(tài)，但是當(dāng)信號(hào)處理程序執(zhí)行之后繼續(xù)處于阻塞狀態(tài)。舉個(gè)例子，上班時(shí)你可以隨意安排你的工作，就好比任務(wù)中程序的順序執(zhí)行;單位出現(xiàn)突發(fā)事件需要你立刻解決，當(dāng)前工作被打斷，就好比該任務(wù)接收到信號(hào)，當(dāng)前程序被打斷;處理完突發(fā)事件后繼續(xù)工作，就好比信號(hào)處理程序執(zhí)行完返回原來(lái)被打斷的地方繼續(xù)執(zhí)行。這個(gè)突發(fā)事件就好比一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)影響的任務(wù)立刻跳轉(zhuǎn)到指定的程序;這個(gè)突發(fā)事件是隨機(jī)、不可預(yù)料的，就好比信號(hào)接收的不可預(yù)料性，在程序中信號(hào)機(jī)制常用于異常處理。不同于信號(hào)量用顯式語(yǔ)句表示何時(shí)需要獲取或釋放信號(hào)量，信號(hào)機(jī)制允許程序在任何地方被信號(hào)中斷而轉(zhuǎn)向相應(yīng)的處理程序。[!--empirenews.page--]

以上是對(duì)VxWorks操作系統(tǒng)一些相關(guān)概念的理解和總結(jié)，在技術(shù)交流中很容易被接受，希望能分享給更多的朋友。