嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks簡(jiǎn)介

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和分時(shí)操作系統(tǒng)的區(qū)別

    從操作系統(tǒng)能否滿足實(shí)時(shí)性要求來區(qū)分，可把操作系統(tǒng)分成分時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

    分時(shí)操作系統(tǒng)按照相等的時(shí)間片調(diào)度進(jìn)程*流運(yùn)行，分時(shí)操作系統(tǒng)由調(diào)度程序自動(dòng)計(jì)算進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，而不是由用戶控制進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。這樣的系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)響應(yīng)外部異步事件。
  
    實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠在限定的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完所規(guī)定的功能，并能在限定的時(shí)間內(nèi)對(duì)外部的異步事件作出響應(yīng)。 分時(shí)系統(tǒng)主要應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算和一般實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合。實(shí)時(shí)性系統(tǒng)主要應(yīng)用于過程控制、數(shù)據(jù)采集、通信、多媒體信息處理等對(duì)時(shí)間敏感的場(chǎng)合。

VxWorks的特點(diǎn)

可靠性

    操作系統(tǒng)的用戶希望在一個(gè)工作穩(wěn)定，可以信賴的環(huán)境中工作，所以操作系統(tǒng)的可靠性是用戶首先要考慮的問題。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)的銷售解禁以來，VxWorks以其良好的可靠性在中國(guó)贏得了越來越多的用戶。

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)短來衡量的。

    VxWorks 的實(shí)時(shí)性做得非常好，其系統(tǒng)本身的開銷很小，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*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足更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求，為應(yīng)用的開發(fā)留下更大的余地。

可裁減性

    用戶在使用操作系統(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)開發(fā)，來滿足自己的實(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)?；趦?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，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，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。

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)間開銷和中斷的時(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*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)正在通過一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用訪問共享數(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)容依賴于具體的CPU.

    *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)*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()
　

    *轉(zhuǎn)調(diào)度 (Round-Robin): *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,*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(　) 來定義時(shí)間長(zhǎng)度.

    taskLock()和 taskUnlock()用來取消優(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 **ailable */
. .　. .　critical 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)用在開發(fā)設(shè)計(jì)過程中外，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)

    互斥是用來控制多任務(wù)對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行串行訪問的同步機(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?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
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)列中以優(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 semaphoren");
...
/* process event */
}
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)可用來解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題。

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)繼承可用來解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題。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).