詳解vxworks的特點(diǎn)

VxWorks 是美國(guó) Wind River System 公司( 以下簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)河公司 ，即 WRS 公司)推出的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Tornado 是WRS 公司推出的一套實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境，類(lèi)似MicrosoftVisual C，但是提供了更豐富的調(diào)試、仿真環(huán)境和工具。

VxWorks的特點(diǎn)

1、VXWORKS既是一個(gè)操作系統(tǒng)、又是一個(gè)可以運(yùn)行的最小基本程序

2、VXWORKS有BSP(可以認(rèn)為是一種低層驅(qū)動(dòng))，可以減小驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)過(guò)程

3、VXWORKS具有強(qiáng)大的調(diào)試能力，可以在沒(méi)有仿真器的情況下，通過(guò)串口調(diào)試。

4、VXWORKS具有軟件DEBUG功能，可以對(duì)軟件部分進(jìn)行模擬調(diào)試。

5、VXWORKS具有豐富的函數(shù)庫(kù)。

6、同時(shí)VXWORKS自帶TCP/IP協(xié)議棧。

最大可能的減小開(kāi)發(fā)者系統(tǒng)軟硬件開(kāi)發(fā)的難度，縮小開(kāi)發(fā)周期，提高開(kāi)發(fā)效率。 可以部分的保證軟硬件開(kāi)發(fā)的同步進(jìn)行。 一個(gè)好的操作系統(tǒng)的幾大特點(diǎn)：

● 多任務(wù)和可搶占的

● 任務(wù)具有優(yōu)先級(jí)

● 操作系統(tǒng)具備支持可預(yù)測(cè)的任務(wù)同步機(jī)制

● 支持多任務(wù)間的通信

● 操作系統(tǒng)具備消除優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)置的機(jī)制

● 存儲(chǔ)器優(yōu)化管理

● 操作系統(tǒng)的(中斷延遲、任務(wù)切換、驅(qū)動(dòng)程序延遲等)行為是可知的和可預(yù)測(cè)的。

● 實(shí)時(shí)時(shí)鐘服務(wù) ● 中斷管理服務(wù)

可靠性

操作系統(tǒng)的用戶(hù)希望在一個(gè)工作穩(wěn)定，可以信賴(lài)的環(huán)境中工作，所以操作系統(tǒng)的可靠性是用戶(hù)首先要考慮的問(wèn)題。而穩(wěn)定、可靠一直是VxWorks的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。自從對(duì)中國(guó)的銷(xiāo)售解禁以來(lái)，VxWorks以其良好的可靠性在中國(guó)贏得了越來(lái)越多的用戶(hù)。

實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性是指能夠在限定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對(duì)外部的異步事件作出響應(yīng)的能力。實(shí)時(shí)性的強(qiáng)弱是以完成規(guī)定功能和作出響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)衡量的。

VxWorks 的實(shí)時(shí)性做得非常好，其系統(tǒng)本身的開(kāi)銷(xiāo)很小，進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、中斷處理等系統(tǒng)公用程序精練而有效，它們?cè)斐傻难舆t很短。VxWorks 提供的多任務(wù)機(jī)制中對(duì)任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級(jí)搶占(PreempTIve Priority Scheduling)和輪轉(zhuǎn)調(diào)度(Round-Robin Scheduling)機(jī)制，也充分保證了可靠的實(shí)時(shí)性，使同樣的硬件配置能滿(mǎn)足更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求，為應(yīng)用的開(kāi)發(fā)留下更大的余地。

可裁減性

用戶(hù)在使用操作系統(tǒng)時(shí)，并不是操作系統(tǒng)中的每一個(gè)部件都要用到。例如圖形顯示、文件系統(tǒng)以及一些設(shè)備驅(qū)動(dòng)在某些嵌入系統(tǒng)中往往并不使用。

VxWorks 由一個(gè)體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)模塊組成。VxWorks 內(nèi)核最小為 8kB，即便加上其它必要模塊，所占用的空間也很小，且不失其實(shí)時(shí)、多任務(wù)的系統(tǒng)特征。由于它的高度靈活性，用戶(hù)可以很容易地對(duì)這一操作系統(tǒng)進(jìn)行定制或作適當(dāng)開(kāi)發(fā)，來(lái)滿(mǎn)足自己的實(shí)際應(yīng)用需要。

對(duì)一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核的要求

一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核需滿(mǎn)足許多特定的實(shí)時(shí)環(huán)境所提出的基本要求，這些包括：

多任務(wù)：由于真實(shí)世界的事件的異步性，能夠運(yùn)行許多并發(fā)進(jìn)程或任務(wù)是很重要的。多任務(wù)提供了一個(gè)較好的對(duì)真實(shí)世界的匹配，因?yàn)樗试S對(duì)應(yīng)于許多外部事件的多線程執(zhí)行。系統(tǒng)內(nèi)核分配CPU給這些任務(wù)來(lái)獲得并發(fā)性。

搶占調(diào)度：真實(shí)世界的事件具有繼承的優(yōu)先級(jí)，在分配CPU的時(shí)候要注意到這些優(yōu)先級(jí)。基于優(yōu)先級(jí)的搶占調(diào)度，任務(wù)都被指定了優(yōu)先級(jí)，在能夠執(zhí)行的任務(wù)(沒(méi)有被掛起或正在等待資源)中，優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)被分配CPU資源。換句話說(shuō)，當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)變?yōu)榭蓤?zhí)行態(tài)，它會(huì)立即搶占當(dāng)前正在運(yùn)行的較低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。

任務(wù)間的通訊與同步：在一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，可能有許多任務(wù)作為一個(gè)應(yīng)用的一部分執(zhí)行。系統(tǒng)必須提供這些任務(wù)間的快速且功能強(qiáng)大的通信機(jī)制。內(nèi)核也要提供為了有效地共享不可搶占的資源或臨界區(qū)所需的同步機(jī)制。

任務(wù)與中斷之間的通信：盡管真實(shí)世界的事件通常作為中斷方式到來(lái)，但為了提供有效的排隊(duì)、優(yōu)先化和減少中斷延時(shí)，我們通常希望在任務(wù)級(jí)處理相應(yīng)的工作。所以需要雜任務(wù)級(jí)和中斷級(jí)之間存在通信。

VxWorks系統(tǒng)編程方法

實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要包括：多任務(wù)調(diào)度(采用優(yōu)先級(jí)搶占方式)，任務(wù)間的同步和進(jìn)程間通信機(jī)制。

一個(gè)多任務(wù)環(huán)境允許實(shí)時(shí)應(yīng)用程序以一套獨(dú)立任務(wù)的方式構(gòu)筑，每個(gè)任務(wù)擁有獨(dú)立的執(zhí)行線程和它自己的一套系統(tǒng)資源。進(jìn)程間通信機(jī)制使得這些任務(wù)的行為同步、協(xié)調(diào)。 wind使用中斷驅(qū)動(dòng)和優(yōu)先級(jí)的方式。它縮短了上下文轉(zhuǎn)換的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)和中斷的時(shí)延。在 VxWorks 中，任何例程都可以被啟動(dòng)為一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)，擁有它自己的上下文和堆棧。還有一些其它的任務(wù)機(jī)制可以使任務(wù)掛起、繼續(xù)、刪除、延時(shí)或改變優(yōu)先級(jí)。

另一個(gè)重要內(nèi)容是：硬件中斷處理。硬件產(chǎn)生中斷，統(tǒng)治系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的中斷歷程(ISR)，位是系統(tǒng)得到盡快的響應(yīng)，ISR在它自己獨(dú)立的上下文和堆棧中運(yùn)行。它的優(yōu)先級(jí)高于任何任務(wù)優(yōu)先級(jí)。

中斷延遲(Interrupt Latency) 中斷延遲是指從硬件中斷發(fā)生到開(kāi)始執(zhí)行中斷處理程序第一條指令之間的這段時(shí)間。

優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)(Priority-Driven) 優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)是指多任務(wù)系統(tǒng)中，當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)總是具有最高優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)。

多任務(wù)調(diào)度

兩種方式： 優(yōu)先搶占和輪轉(zhuǎn)調(diào)度(PreempTIve Priority，Round-Robin Scheduling)。

優(yōu)先搶占(PreempTIve Priority)： 每一個(gè)任務(wù)都有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)核心保證優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)運(yùn)行于CPU.如果有任務(wù)優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前的任務(wù)優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)立刻保存當(dāng)前任務(wù)的上下文，切換到優(yōu)先級(jí)高的上下文。

搶占(PreempTIve)： 搶占是指當(dāng)系統(tǒng)處于核心態(tài)運(yùn)行時(shí)， 允許任務(wù)的重新調(diào)度。換句話說(shuō)就是指正在執(zhí)行的任務(wù)可以被打斷，讓另一個(gè)任務(wù)運(yùn)行。搶占提高了應(yīng)用對(duì)異步事件的響應(yīng)性能力。操作系統(tǒng)內(nèi)核可搶占，并不是說(shuō)任務(wù)調(diào)度在任何時(shí)候都可以發(fā)生。例如當(dāng)一個(gè)任務(wù)正在通過(guò)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)時(shí)，重新調(diào)度和中斷都被禁止。

任務(wù)上下文(Task CONtext)： 任務(wù)上下文是指任務(wù)運(yùn)行的環(huán)境。例如，針對(duì)x86的CPU，任務(wù)上下文可包括程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針、通用寄存器的內(nèi)容。

上下文切換(Context Switching)： 多任務(wù)系統(tǒng)中，上下文切換是指CPU的控制權(quán)由運(yùn)行任務(wù)轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)就緒任務(wù)時(shí)所發(fā)生的事件，當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)轉(zhuǎn)為就緒(或者掛起、刪除)狀態(tài)，另一個(gè)被選定的就緒任務(wù)成為當(dāng)前任務(wù)。上下文切換包括保存當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境，恢復(fù)將要運(yùn)行任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境。上下文的內(nèi)容依賴(lài)于具體的CPU.[!--empirenews.page--]

輪轉(zhuǎn)調(diào)度(Round-Robin Scheduling)：使所有相同優(yōu)先級(jí)，狀態(tài)為ready的任務(wù)公平分享CPU(分配一定的時(shí)間間隔，使個(gè)任務(wù)輪流享有CPU)。

系統(tǒng)由256個(gè)優(yōu)先級(jí)，從0到255，0為最高，255為最低。 任務(wù)在被創(chuàng)建時(shí)設(shè)定了優(yōu)先級(jí)。也可用taskPrioritySet ( ) 來(lái)改變?nèi)蝿?wù)優(yōu)先級(jí)。

任務(wù)的主要狀態(tài)： READY，PEND，DELAY，SUSPEND.。。

ready--------》pended -----------semTake(　)/msgQReceive(　)-其他任務(wù)

ready--------》delayed-----------taskDelay(　)

ready--------》suspended---------taskSuspend(　)

pended-------》ready-------------semaGive(　)/msgQSend(　)-其他任務(wù)

pended-------》suspended---------taskSuspend(　)

delayed------》ready-------------expired delay

delayed------》suspended---------taskSuspend(　)

suspended----》ready-------------taskResume(　)/taskActivate(　)

suspended----》pended------------taskResume(　)

suspended----》delayed-----------taskResume(　)

輪轉(zhuǎn)調(diào)度 (Round-Robin)： 輪轉(zhuǎn)調(diào)度可以擴(kuò)充到優(yōu)先搶占方式中，當(dāng)多個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)相同的情況下，輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法使任務(wù)按平等的時(shí)間片運(yùn)行于CPU，共享CPU.避免一個(gè)任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間占用CPU，而導(dǎo)致其他任務(wù)不能運(yùn)行。可以用 kernelTimeSlice(　) 來(lái)定義時(shí)間長(zhǎng)度。

taskLock ( )和 taskUnlock ( ) 用來(lái)取消優(yōu)先搶占方式 和恢復(fù)優(yōu)先搶占方式。

注意： 一個(gè)任務(wù)可以調(diào)用taskDelete ( ) 刪除另一個(gè)任務(wù)，但是如果一個(gè)當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)被刪除后，該任務(wù)的內(nèi)存沒(méi)有釋放，而其他任務(wù)不知道，依然在等待，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)STop.用 taskSafe ( ) 和 taskUnsafe ( ) 來(lái)保證正在運(yùn)行的任務(wù)不被刪除。

用法如下：

taskSafe ();

semTake (semId， WAIT_FOREVER);

/* Block until semaphore available */

。 ?！　??！ritical region 。

semGive (semId);　semGive (semId);

/* Release semaphore */

taskUnsafe ();

任務(wù)間的同步和進(jìn)程間協(xié)調(diào)

信號(hào)量作為任務(wù)間同步和互斥的機(jī)制。在 wind 核中有幾種類(lèi)型的信號(hào)量，它們分別針對(duì)不同的應(yīng)用需求：二進(jìn)制信號(hào)量、計(jì)數(shù)信號(hào)量、互斥信號(hào)量和 POSIX 信號(hào)量。所有的這些信號(hào)量是快速和高效的，它們除了被應(yīng)用在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中外，還被廣泛地應(yīng)用在VxWorks 高層應(yīng)用系統(tǒng)中。對(duì)于進(jìn)程間通信，wind 核也提供了諸如消息隊(duì)列、管道、套接字和信號(hào)等機(jī)制。

任務(wù)間的同步和進(jìn)程間協(xié)調(diào)的幾種方式：

內(nèi)存共享(Shared Memory)，對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)共享而言。

信號(hào)量(Semaphore)，基本的互斥和同步。

消息隊(duì)列(Message queues)和管道(Pipe)，單個(gè)CPU中，任務(wù)間的信息傳遞。

套結(jié)字(Socket)和遠(yuǎn)程調(diào)用(Remote procedure calls)，相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)任務(wù)間的通信。

信號(hào)(Signals)，出錯(cuò)處理(Exception handling)。

互斥(Mutual Exclusion)

互斥是用來(lái)控制多任務(wù)對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行串行訪問(wèn)的同步機(jī)制。在多任務(wù)應(yīng)用中，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)任務(wù)同時(shí)訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)時(shí)，可能會(huì)造成數(shù)據(jù)破壞?；コ馐顾鼈兇械卦L問(wèn)數(shù)據(jù)，從而達(dá)到保護(hù)數(shù)據(jù)的目的。

解決互斥的幾種方法：

1. 關(guān)閉中斷的方法(intLock)： 能解決任務(wù)和中斷ISR之間產(chǎn)生的互斥。

funcA ()

{ int lock = intLock();

。 。 critical region that cannot be interrupted 。

intUnlock (lock); }

但在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中采取這個(gè)辦法會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)外部中斷及時(shí)響應(yīng)和處理的能力。

2. 關(guān)閉系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)(taskLock)： 關(guān)閉系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)，這樣在當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行時(shí)，除了中斷外，不會(huì)有其他優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)來(lái)?yè)屨糃PU，影響當(dāng)前程序運(yùn)行。

funcA ()

{ taskLock ();

。 。 critical region that cannot be interrupted 。

taskUnlock (); }

這種方法阻止了高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶先運(yùn)行，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中也是不適合的，除非關(guān)閉優(yōu)先級(jí)的時(shí)間特別短。

3. 信號(hào)量(Semaphore)： 信號(hào)量是解決互斥和同步協(xié)調(diào)進(jìn)程最好的方法

當(dāng)一個(gè)Semaphore創(chuàng)建時(shí)，指定了任務(wù)隊(duì)列的種類(lèi)

semBCreat( SEM_Q_PRIORITY， SEM_FULL)， SEM_Q_PRIORITY 指明處于等待狀態(tài)的任務(wù)在等待隊(duì)列中以?xún)?yōu)先級(jí)的順序排列

semBCreat(SEM_Q_FIFO，SEM_FULL)， SEM_Q_FIFO指明 處于等待狀態(tài)的任務(wù)在等待隊(duì)列中以先進(jìn)先出的順序排列

當(dāng)一個(gè)Semaphore創(chuàng)建時(shí)，指定了這個(gè)semaphore是用在解決互斥還是用來(lái)同步任務(wù)

semBCreat( SEM_Q_FIFO， SEM_FULL) ， SEM_FULL 指明用于任務(wù)間互斥。

SEM_ID semMutex;

semMutex = semBCreate (SEM_Q_PRIORITY， SEM_FULL);

。。.。。.。。.

semTake (semMutex， WAIT_FOREVER);

。 。 critical region， only accessible by a single task at a time 。

semGive (semMutex);

semBCreat(SEM_Q_FIFO，SEM_EMPTY)， SEM_EMPTY 指明用于任務(wù)間同步。

/* includes */

#include “vxWorks.h”

#include “semLib.h”

SEM_ID syncSem;

/* ID of sync semaphore */

init ( int someIntNum )

{ /* connect interrupt service routine */

intConnect (INUM_TO_IVEC (someIntNum)， eventInterruptSvcRout， 0);

/* create semaphore */

syncSem = semBCreate (SEM_Q_FIFO， SEM_EMPTY);

/* spawn task used for synchronization. */

taskSpawn (“sample”， 100， 0， 20000， task1， 0，0，0，0，0，0，0，0，0，0);

}

task1 (void)

{ 。。.

semTake (syncSem， WAIT_FOREVER);

/* wait for event to occur */

printf (“task 1 got the semaphore\n”);

。。.

/* process event */[!--empirenews.page--]

}

eventInterruptSvcRout (void)

{ 。。.

semGive (syncSem);

/* let task 1 process event */

。。.

}

函數(shù)介紹：

semTake(semID，time out)--------有Semaphore空閑，就Take， 如果沒(méi)有，由time out 定，超時(shí)則向下執(zhí)行

優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)(Priority INVErsion)

優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)是指一個(gè)任務(wù)等待比它優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)釋放資源而被阻塞，如果這時(shí)有中等優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)，阻塞會(huì)進(jìn)一步惡化。優(yōu)先級(jí)繼承技術(shù)可用來(lái)解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。

Priority inversion arises when a higher-priority task is forced to wait an indefinite period of time for a lower-priority task to complete.

優(yōu)先級(jí)繼承(Priority Inheritance)

優(yōu)先級(jí)繼承可用來(lái)解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。當(dāng)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的任務(wù)被暫時(shí)地提高它的優(yōu)先級(jí)，使得該任務(wù)能盡快執(zhí)行，釋放出優(yōu)先級(jí)較高的任務(wù)所需要的資源。

The mutual-exclusion semaphore has the option SEM_INVERSION_SAFE， which enables a priority-inheritance algorithm. The priority-inheritance protocol assures that a task that owns a resource executes at the priority of the highest-priority task blocked on that resource. Once the task priority has been elevated， it remains at the higher level until all mutual-exclusion semaphores that the task owns are released; then the task returns to its normal， or standard， priority. Hence， the “inheriting” task is protected from preemption by any intermediate-priority tasks. This option must be used in conjunction with a priority queue (SEM_Q_PRIORITY)。