VxWorks共享看門狗定時機(jī)制的設(shè)計與實現(xiàn)

0 引言

VxWorks是目前應(yīng)用最多的嵌入式實時操作系統(tǒng)之一，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療器械、通信、航空航天以及武器裝備等領(lǐng)域。VxWorks是32位實時嵌入式操作系統(tǒng)，自20世紀(jì)80年代由風(fēng)河公司推出以來，其良好的實時性、對多任務(wù)的支持、體積精簡、可剪裁等優(yōu)點得到眾多公司、開發(fā)者及用戶的喜愛。

在實時性要求高的應(yīng)用系統(tǒng)中，定時器是經(jīng)常被用到的重要器件。而對于VxWorks操作系統(tǒng)本身來說，并未提供一個通用、高效的定時器組件。文章所提出的共享看門狗定時機(jī)制就是針對這種情況實現(xiàn)的一種通用型定時器組件。

1 VxWorks定時的方法

1.1 使用taskDely函數(shù)

函數(shù)原型為：STATUS taskDelay(int ticks)該函數(shù)提供一種簡單的任務(wù)休眠機(jī)制，常用于需要不精確定時或延時的應(yīng)用中，其定時的單位為tick,默認(rèn)情況下60(ticks)為1s (利用sysClkRateSet函數(shù)可以修改系統(tǒng)默認(rèn)的時鐘速率)。在任務(wù)中調(diào)用taskDelay函數(shù)可以在指定的ticks期間空出CPU的使用權(quán)，同時改變該任務(wù)的狀態(tài)為DELAY.由于經(jīng)常受到任務(wù)調(diào)度的影響，該定時機(jī)制并不精確。

1.2 看門狗watchDog

VxWorks提供了一個看門狗定時器(watchDog timer)，它由以下四個函數(shù)維護(hù)：

wdCreate( ) 創(chuàng)建并初始化一個看門狗定時器;wdDelete( ) 終止并刪除一個看門狗定時器;wdStart( ) 啟動看門狗定時器;wdCancel( ) 暫停當(dāng)前看門狗定時器運行。

利用wdCreate函數(shù)，在任何任務(wù)中都可以創(chuàng)建一個看門狗定時器，經(jīng)過設(shè)置的時間段后，實現(xiàn)指定的C函數(shù)。

watchDog定時器作為系統(tǒng)時鐘中斷服務(wù)程序的一部分來維護(hù)。因此看門狗所定時執(zhí)行的程序工作在系統(tǒng)中斷級別具有很高的優(yōu)先級，該程序必須遵守一般ISR程序的規(guī)定，不能使用任何可能被阻塞的程序。文章所介紹的高效定時器就是在看門狗定時器的基礎(chǔ)上設(shè)計的。

1.3 POSIX標(biāo)準(zhǔn)的timer

VxWorks同時也提供IEEE的POSIX 1003.1b標(biāo)準(zhǔn)定時器接口。POSIX標(biāo)準(zhǔn)保證了應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)之間接口的簡易性，利用這些接口編程，可以使得應(yīng)用程序很輕松地從一個操作系統(tǒng)移植到另外的操作系統(tǒng)。使用該定時機(jī)制，在指定時間段后，任務(wù)將向自身發(fā)送SIGNAL,該定時器是建立在時鐘和信號之上。POSIX標(biāo)準(zhǔn)的timer定時器常常用來編寫跨平臺、需要在多個操作系統(tǒng)下運行、易移植的程序。

2 基于看門狗定的高效定時機(jī)制

2.1 共享看門狗高效定時器

在一些基于嵌入式實時系統(tǒng)的項目中，經(jīng)常使用定時器來實現(xiàn)某一時間段后執(zhí)行某一段程序或函數(shù)，而往往計時長度都存在差異，定時器的使用也往往來自不同任務(wù)，既要求實時性，又要保證資源竟?fàn)幍挠行蛐?。鑒于這些特點，經(jīng)常采用的一個定時任務(wù)使用一個看門狗定時器的模式已不再適用，如果按照這種模式構(gòu)建定時器機(jī)制，在定時任務(wù)較多的情況下，由于看門狗定時器運行在中斷級別，資源消耗就會變得很大，從而對系統(tǒng)的實時性產(chǎn)生影響。

共享看門狗定時器的定時機(jī)制可以解決這種資源嚴(yán)重浪費的現(xiàn)象。共享看門狗定時機(jī)制，顧名思義，就是多個定時任務(wù)通過共享同一個看門狗定時器來實現(xiàn)定時操作，其優(yōu)點是資源消耗小、實時性好、無須產(chǎn)生額外的定時任務(wù)。

2.2 定時算法

共享看門狗高效定時器的基本原理是動態(tài)改變看門狗的定時任務(wù)。

如圖1所示，系統(tǒng)中存在A、B、C三個定時任務(wù)。首先A任務(wù)提交一個500ms的定時任務(wù)，200ms后B提交一個200ms的定時任務(wù)，再100ms后C提交一個150ms的定時任務(wù)。除此之外再無其他計時，A、B、C運行情況如圖1所示。

圖1 共享看門狗定時器計時機(jī)制

圖1 共享看門狗定時器計時機(jī)制(參見下頁)定時器A在時間軸50ms處向共享定時器發(fā)起定時申請，共享定時器在其維護(hù)的定時列表中加入A的時延與執(zhí)行程序的函數(shù)指針，并計算出定時器下一執(zhí)行時刻TA(系統(tǒng)運行時間加上A的定時時延)，此時由于還沒有其他定時器申請定時任務(wù)，該列表中只存在A的定時信息。當(dāng)時間軸到達(dá)250ms時，定時器B發(fā)起定時申請，由于定時器A的時延為500ms,B的時延為200ms,也就是說B將在時間軸450ms處執(zhí)行，比A提前了100ms(550ms減去450ms)，此時定時列表將完成兩件事情，一是修改下一執(zhí)行時刻TB為系統(tǒng)運行時間加上B的時延，二是針對執(zhí)行時刻TA、TB對列表進(jìn)行從小到大的順序排序。此時列表中B為表頭，A在B之后。同樣的道理當(dāng)時間軸到達(dá)350ms時，定時器C發(fā)起定時申請，定時任務(wù)C被加入到定時列表，計算得出TC為系統(tǒng)運行時刻加上C的時延，然后依據(jù)TA、TB、TC重新進(jìn)行排序，此時列表順序為B、C、A.當(dāng)時間軸執(zhí)行到450ms時，定時器B的ISR將被執(zhí)行，同時B定時任務(wù)將從定時列表中刪除;同理，500ms、550ms時C任務(wù)與A任務(wù)將分別從列表中刪除。

此時所有定時任務(wù)執(zhí)行結(jié)束，定時列表為空，共享看門狗定時器進(jìn)入休眠狀態(tài)。

2.3 定時器實現(xiàn)

2.3.1 定時器軟件結(jié)構(gòu)

共享定時器軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 共享看門狗定時器計時機(jī)制

CWatchDogTimer類完成了對看門狗定時器的封裝，它由一些通用的函數(shù)來維護(hù)一個看門狗定時器。其中Create()函數(shù)用來創(chuàng)建一個看門狗定時器;Delete()用來刪除該定時器;Start()用來啟動定時任務(wù);Cancel()用來暫停定時器工作，此時再使用Start()函數(shù)可以恢復(fù)定時器的運行。

TimerInfo數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由tExe與tInterval兩個屬性構(gòu)成，tExe記錄定時器的執(zhí)行時間，tInterval表示定時器的時間間隔。

TimerList用來維護(hù)多個TimerInfo結(jié)構(gòu)的變量，每個TimerInfo變量記錄一個定時器參數(shù)信息。

CEfficientTimer類完成對多個定時任務(wù)的管理，包括RegistTimer()函數(shù)實現(xiàn)注冊一個定時器;UnRegistTimer()用來注銷一個定時器;ClearTimerList()用來清空定時器列表中所有定時器任務(wù);IsEmpty()用來判斷定時器列表是否為空。

2.3.2 看門狗定時模塊實現(xiàn)

看門狗定時模塊處理流程如圖3所示。

圖3 看門狗定時模塊處理流程

看門狗定時器模塊是共享定時器的基礎(chǔ)，它實現(xiàn)了單一定時器的建立、啟動、刪除、取消等功能。首先通過Create()函數(shù)建立一個看門狗定時器，同時設(shè)定定時器時延、定時次數(shù)等參數(shù);然后通過Start()函數(shù)啟動定時器;看門狗程序判斷是否到達(dá)時間間隔，如果到達(dá)則開始執(zhí)行ISR程序，如果沒有到達(dá)則繼續(xù)等待;當(dāng)執(zhí)行完ISR程序后，定時器將判斷當(dāng)前執(zhí)行次數(shù)是否到達(dá)執(zhí)行總次數(shù)，如果是則結(jié)束該次定時任務(wù)，若不是程序?qū)⑻D(zhuǎn)到重新啟動定時器后依次執(zhí)行。

2.3.3 定時器管理模塊實現(xiàn)

定時器管理模塊是共享定時機(jī)制的核心，用來維護(hù)定時器的注冊、注銷以及定時器鏈表的排序、刪除、清空等操作。

定時器的注冊流程如圖4所示，首先使用RegistTimer()函數(shù)注冊一個新的定時器任務(wù)， 并將該定時器的TimerInfo結(jié)構(gòu)插入鏈表中維護(hù)，然后針對該結(jié)構(gòu)中的tExe變量對鏈表按照升序排列，執(zhí)行時間最小的將置于表頭;若在插入該定時器任務(wù)之前鏈表中為空，則定時器處于休眠狀態(tài)，此時置定時器狀態(tài)為運行;若插入前鏈表中已存在其他定時器任務(wù)，則無須重啟定時器。

圖4 看門狗定時器注冊流程

定時器的注銷流程如圖5所示， 首先使用UnRegistTimer ()函數(shù)注銷一個已注冊的定時器任務(wù)，并將該定時器的TimerInfo結(jié)構(gòu)從鏈表中刪除，然后針對該結(jié)構(gòu)中的tExe變量對鏈表按照升序排列，執(zhí)行時間最小的將置于表頭;若在刪除該定時器任務(wù)之前鏈表中除了該定時任務(wù)沒有其他定時任務(wù)時，則置定時器為休眠狀態(tài);反之，則無須重置定時器狀態(tài)。

圖5 看門狗定時器注銷流程

3 結(jié)束語

共享定時器提供了簡單、高效、通用的定時方法，使用者可以拋開管理諸多看門狗定時器的煩惱，從而專心于系統(tǒng)其他方面的設(shè)計。作為一個通用的系統(tǒng)組件，開發(fā)人員不僅可以直接使用，縮短開發(fā)時間，也可以繼承此定時器類，實現(xiàn)更多豐富的功能，提供了良好的擴(kuò)展性與靈活性。

該機(jī)制在VxWorks的網(wǎng)絡(luò)報文應(yīng)答、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等方面得到了廣泛應(yīng)用，在有效節(jié)省系統(tǒng)資源的同時提高了系統(tǒng)定時機(jī)制的靈活性。