VXWORKS內(nèi)核分析

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1． 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
在計(jì)算的早期開發(fā)的操作系統(tǒng)的最原始的結(jié)構(gòu)形式是一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)體(monolithic)。在這樣的系統(tǒng)中，提供的不同功能的模塊，如處理器管理、內(nèi)存管理、輸入輸出等，通常是獨(dú)立的。然而他們?cè)趫?zhí)行過程中并不考慮其他正在使用中的模塊，各個(gè)模塊都以相同的時(shí)間粒度運(yùn)行。
由于現(xiàn)代實(shí)時(shí)環(huán)境需要許多不同的功能，以及在這樣的環(huán)境中存在的并發(fā)活動(dòng)所引起的異步性和非確定性，操作系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。所以早期操作系統(tǒng)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的組織已經(jīng)被更加精確的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所淘汰。層次結(jié)構(gòu)的起點(diǎn)----內(nèi)核
操作系統(tǒng)的最好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型是一個(gè)層次性的結(jié)構(gòu)，最低層是內(nèi)核。這些層次可以看成為一個(gè)倒置的金字塔，每一層都建立在較低層的功能之上。 內(nèi)核僅包含一個(gè)操作系統(tǒng)執(zhí)行的最重要的低層功能。正象一個(gè)統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)，內(nèi)核提供了在高層軟件與下層硬件之間的抽象層。然而，內(nèi)核僅提供了構(gòu)造操作系統(tǒng)其他部分所需的最小操作集。
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)。
快速靈活的任務(wù)間的通信與同步：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。
方便的任務(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。
性能邊界：一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核必須提供最壞情況的性能優(yōu)化，而非針對(duì)吞吐量的性能優(yōu)化。我們更期望一個(gè)系統(tǒng)能夠始終以50微妙執(zhí)行一個(gè)函數(shù)，而不期望系統(tǒng)平均以10微妙執(zhí)行該函數(shù)，但偶爾會(huì)以75微妙執(zhí)行它。
特殊考慮：由于對(duì)實(shí)時(shí)內(nèi)核的要求的增加，必須考慮對(duì)內(nèi)核支持不斷增加的復(fù)雜功能的要求。這包括多進(jìn)程處理，Ada和對(duì)更新的、功能更強(qiáng)的處理器結(jié)構(gòu)如RISC的支持。

擁有其它名字的內(nèi)核
許多商用化的內(nèi)核支持的功能遠(yuǎn)強(qiáng)于上面所列的要求。在這方面，他們不是真正的內(nèi)核，而更象一個(gè)小的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)。因?yàn)樗麄儼?jiǎn)單的內(nèi)存分配、時(shí)鐘管理、甚至一些輸入輸出系統(tǒng)調(diào)用的功能。
這種分類不僅僅是在語義上的爭(zhēng)論，在這篇文章的后面章節(jié)將說明限制內(nèi)核功能和油畫這些功能的重要性。
2． VxWorks內(nèi)核：Wind
VxWorks操作系統(tǒng)是一種功能最全的現(xiàn)在可以獲得的獨(dú)立于處理器的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。然而，VxWorks是帶有一個(gè)相當(dāng)小的真正微內(nèi)核的層次結(jié)構(gòu)。內(nèi)核僅提供多任務(wù)環(huán)境、進(jìn)程間通信和同步功能。這些功能模塊足夠支持VxWorks在較高層次所提供的豐富的性能的要求。 通常內(nèi)核操作對(duì)于用戶是不可見的。應(yīng)用程序?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)需要內(nèi)核參與的任務(wù)管理和同步使用一些系統(tǒng)調(diào)用，但這些調(diào)用的處理對(duì)于調(diào)用任務(wù)是不可見的。應(yīng)用程序僅鏈接恰當(dāng)?shù)腣xWorks例程（通常使用VxWorks的動(dòng)態(tài)鏈接功能），就象調(diào)用子程序一樣發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用。這種接口不象有些系統(tǒng)需要一個(gè)笨拙的跳轉(zhuǎn)表接口，用戶需要通過一個(gè)整數(shù)來指定一個(gè)內(nèi)核功能調(diào)用。
多任務(wù)
內(nèi)核的基本功能是提供一個(gè)多任務(wù)環(huán)境。多任務(wù)使得許多程序在表面上表現(xiàn)為并發(fā)執(zhí)行，而事實(shí)上內(nèi)核是根據(jù)基本的調(diào)度算法使他們分段執(zhí)行。每個(gè)明顯獨(dú)立的程序被成為一個(gè)任務(wù)。每個(gè)任務(wù)擁有自己的上下文，其中包含在內(nèi)核調(diào)度使該任務(wù)執(zhí)行的時(shí)候它所看到的CPU環(huán)境和系統(tǒng)資源。
任務(wù)狀態(tài)
內(nèi)核維護(hù)系統(tǒng)中的每個(gè)任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)。狀態(tài)遷移發(fā)生在應(yīng)用程序調(diào)用內(nèi)核功能服務(wù)的時(shí)候。下面定義了wind內(nèi)核狀態(tài)：
就緒態(tài)----一個(gè)任務(wù)當(dāng)前除了CPU不等待任何資源
阻塞態(tài)----一個(gè)任務(wù)由于某些資源不可獲得而被阻塞
延遲態(tài)----一個(gè)任務(wù)睡眠一段時(shí)間
掛起態(tài)----主要用于調(diào)試的一個(gè)輔助狀態(tài)，掛起禁止任務(wù)的執(zhí)行
任務(wù)被創(chuàng)建以后進(jìn)入掛起態(tài)，需要通過特定的操作使被創(chuàng)建的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，這一操作執(zhí)行速度很快，使應(yīng)用程序能夠提前創(chuàng)建任務(wù)，并以一種快捷的方式激活該任務(wù)。
調(diào)度控制
多任務(wù)需要一個(gè)調(diào)度算法分配CPU給就緒的任務(wù)。在VxWorks中默認(rèn)的調(diào)度算法是基于優(yōu)先級(jí)的搶占調(diào)度，但應(yīng)用程序也可以選擇使用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。
基于優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度：基于優(yōu)先級(jí)的搶占調(diào)度，每個(gè)任務(wù)被指定一個(gè)優(yōu)先級(jí)，內(nèi)核分配CPU給處于就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。調(diào)度采用搶占的方式，是因?yàn)楫?dāng)一個(gè)優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)變?yōu)榫途w態(tài)時(shí)，內(nèi)核將立即保存當(dāng)前任務(wù)的上文，并切換到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的上文。VxWorks有從0到255共256個(gè)優(yōu)先級(jí)。在創(chuàng)建的時(shí)候任務(wù)被指定一個(gè)優(yōu)先級(jí)，在任務(wù)運(yùn)行的過程中可以動(dòng)態(tài)地修改優(yōu)先級(jí)以便跟蹤真實(shí)世界的事件優(yōu)先級(jí)。外部
中斷被指定優(yōu)先于任何任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，這樣能夠在任何時(shí)候搶占一個(gè)任務(wù)。
時(shí)間片輪轉(zhuǎn)：基于優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度可以擴(kuò)充時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度允許在相同優(yōu)先級(jí)的處于就緒態(tài)的任務(wù)公平地共享CPU。沒有時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，當(dāng)有多個(gè)任務(wù)在同一優(yōu)先級(jí)共享處理器時(shí)，一個(gè)任務(wù)可能獨(dú)占CPU，不會(huì)被阻塞直到被一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶占，而不給同一優(yōu)先級(jí)的其他任務(wù)運(yùn)行的機(jī)會(huì)。如果時(shí)間片輪轉(zhuǎn)被使能，執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間計(jì)數(shù)器在每個(gè)時(shí)鐘滴答遞增。當(dāng)指定的時(shí)間片耗盡，計(jì)數(shù)器會(huì)被清零，該任
務(wù)被放在同一優(yōu)先級(jí)任務(wù)隊(duì)列的隊(duì)尾。加入特定優(yōu)先級(jí)組的新任務(wù)被放在該組任務(wù)的隊(duì)尾，并將運(yùn)行計(jì)數(shù)器初始化為零。
基本的任務(wù)函數(shù)
用于狀態(tài)控制的基本任務(wù)函數(shù)包括一個(gè)任務(wù)的創(chuàng)建、刪除、掛起和喚醒。一個(gè)任務(wù)也可以使自己睡眠一個(gè)特定的時(shí)間間隔不去運(yùn)行。許多其他任務(wù)例程提供由任務(wù)上下文獲得的狀態(tài)信息。這些例程包括訪問一個(gè)任務(wù)當(dāng)前處理器寄存器控制。
任務(wù)刪除問題
wind內(nèi)核提供防止任務(wù)被意外刪除的機(jī)制。通常，一個(gè)執(zhí)行在臨界區(qū)或訪問臨界資源的任務(wù)要被特別保護(hù)。我們?cè)O(shè)想下面的情況：一個(gè)任務(wù)獲得一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的互斥訪問權(quán)，當(dāng)它正在臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行時(shí)被另一個(gè)任務(wù)刪除。由于任務(wù)無法完成對(duì)臨界區(qū)的操作，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可能還處于被破壞或不一致的狀態(tài)。而且，假想任務(wù)沒有機(jī)會(huì)釋放該資源，那麼現(xiàn)在其他任何任務(wù)現(xiàn)在就不能獲得該資源，資源被凍結(jié)了。
任何要?jiǎng)h除或終止一個(gè)設(shè)定了刪除保護(hù)的任務(wù)的任務(wù)將被阻塞。當(dāng)被保護(hù)的任務(wù)完成臨界區(qū)操作以后，它將取消刪除保護(hù)以使自己可以被刪除，從而解阻塞刪除任務(wù)
。
正如上面所展示的，任務(wù)刪除保護(hù)通常伴有互斥操作。
這樣，為了方便性和效率，互斥信號(hào)量包含了刪除保護(hù)選項(xiàng)。（參見"互斥信號(hào)量"）
任務(wù)間通信
為了提供完整的多任務(wù)系統(tǒng)的功能，wind內(nèi)核提供了一套豐富的任務(wù)間通信與同步的機(jī)制。這些通信功能使一個(gè)應(yīng)用中各個(gè)獨(dú)立的任務(wù)協(xié)調(diào)他們的活動(dòng)。
共享地址空間
wind內(nèi)核的任務(wù)間通信機(jī)制的基礎(chǔ)是所有任務(wù)所在的共享地址空間。通過共享地址空間，任務(wù)能夠使用共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針自由地通信。管道不需要映射一塊內(nèi)存區(qū)到兩個(gè)互相通信任務(wù)的尋址空間。
不幸的是，共享地址空間具有上述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，帶來了未被保護(hù)內(nèi)存的重入訪問的危險(xiǎn)。UNIX操作系統(tǒng)通過隔離進(jìn)程提供這樣的保護(hù)，但同時(shí)帶來了對(duì)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來說巨大的性能損失。
互斥操作
當(dāng)一個(gè)共享地址空間簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)交換，通過互斥訪問避免資源競(jìng)爭(zhēng)就變?yōu)楸匾牧?。用來獲得一個(gè)資源的互斥訪問的許多機(jī)制僅在這些互斥所作用的范圍上存在差別。實(shí)現(xiàn)互斥的方法包括禁止中斷、禁止任務(wù)搶占和通過信號(hào)量進(jìn)行資源鎖定。
中斷禁止：最強(qiáng)的互斥方法是屏蔽中斷。這樣的鎖定保證了對(duì)CPU的互斥訪問。這種方法當(dāng)然能夠解決互斥的問題，但它對(duì)于實(shí)時(shí)是不恰當(dāng)?shù)?，因?yàn)樗阪i定期間阻止系統(tǒng)響應(yīng)外部事件。長(zhǎng)的中斷延時(shí)對(duì)于要求有確定的響應(yīng)時(shí)間的應(yīng)用來說是不可接受的。
搶占禁止：禁止搶占提供了強(qiáng)制性較弱的互斥方式。 當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行的過程中不允許其他任務(wù)搶占，而中斷服務(wù)程序可以執(zhí)行。這也可能引起較差的實(shí)時(shí)響應(yīng)，就象被禁止中斷一樣，被阻塞的任務(wù)會(huì)有相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的搶占延時(shí)，就緒態(tài)的高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可能會(huì)在能夠執(zhí)行前被強(qiáng)制等待一段不可接受的時(shí)間。為避免這種情況，在可能的情況下盡量使用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)互斥。
互斥信號(hào)量：信號(hào)量是用于鎖定共享資源訪問的基本方式。不象禁止中斷或搶占，信號(hào)量限制了互斥操作僅作用于相關(guān)的資源。一個(gè)信號(hào)量被創(chuàng)建來保護(hù)資源。VxWorks的信號(hào)量遵循Dijkstra的P()和V()操作模式。
當(dāng)一個(gè)任務(wù)請(qǐng)求信號(hào)量，P()， 根據(jù)在發(fā)出調(diào)用時(shí)信號(hào)量的置位或清零的狀態(tài)， 會(huì)發(fā)生兩種情況。如果信號(hào)量處于置位態(tài)， 信號(hào)量會(huì)被清零，并且任務(wù)立即繼續(xù)執(zhí)行。如果信號(hào)量處于清零態(tài)，任務(wù)會(huì)被阻塞來等待信號(hào)量。
當(dāng)一個(gè)任務(wù)釋放信號(hào)量，V()，會(huì)發(fā)生幾種情況。如果信號(hào)量已經(jīng)處于置位態(tài)，釋放信號(hào)量不會(huì)產(chǎn)生任何影響。如果信號(hào)量處于清零態(tài)且沒有任務(wù)等待該信號(hào)量，信號(hào)量只是被簡(jiǎn)單地置位。如果信號(hào)量處于清零態(tài)且有一個(gè)或多個(gè)任務(wù)等待該信號(hào)量，最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)被解阻塞，信號(hào)量仍為清零態(tài)。
通過將一些資源與信號(hào)量關(guān)聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)互斥操作。當(dāng)一個(gè)任務(wù)要操作資源，它必須首先獲得信號(hào)量。只要任務(wù)擁有信號(hào)量，所有其他的任務(wù)由于請(qǐng)求該信號(hào)量而被阻塞。當(dāng)一個(gè)任務(wù)使用完該資源，它釋放信號(hào)量，允許等待該信號(hào)量的另一個(gè)任務(wù)訪問該資源。
Wind內(nèi)核提供了二值信號(hào)量來解決互斥操作所引起的問題。 這些問題包括資源擁有者的刪除保護(hù)，由資源競(jìng)爭(zhēng)引起的優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)。
刪除保護(hù)----互斥引起的一個(gè)問題會(huì)涉及到任務(wù)刪除。在由信號(hào)量保護(hù)的臨界區(qū)中，需要防止執(zhí)行任務(wù)被意外地刪除。刪除一個(gè)在臨界區(qū)執(zhí)行的任務(wù)是災(zāi)難性的。資源會(huì)被破壞，保護(hù)資源的信號(hào)量會(huì)變?yōu)椴豢色@得，從而該資源不可被訪問。通常刪除保護(hù)是與互斥操作共同提供的。由于這個(gè)原因，互斥信號(hào)量通常提供選項(xiàng)來隱含地提供前面提到的任務(wù)刪除保護(hù)的機(jī)制。
優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)/優(yōu)先級(jí)繼承----優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)發(fā)生在一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)被強(qiáng)制等待一段不確定的時(shí)間以便一個(gè)較低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)完成執(zhí)行?？紤]下面的假設(shè)：
T1，T2和T3分別是高、中、低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。T3通過擁有信號(hào)量而獲得相關(guān)的資源。當(dāng)T1搶占T3，為競(jìng)爭(zhēng)使用該資源而請(qǐng)求相同的信號(hào)量的時(shí)候，它被阻塞。如果我們假設(shè)T1僅被阻塞到T3使用完該資源為止，情況并不是很糟。畢竟資源是不可被搶占的。然而，低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)并不能避免被中優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶占，一個(gè)搶占的任務(wù)如T2將阻止T3完成對(duì)資源的操作。這種情況可能會(huì)持續(xù)阻塞T1等待一段不可確定的時(shí)間。這種情況成為優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)，因?yàn)楸M管系統(tǒng)是基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度，但卻使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)等待一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)完成執(zhí)行。
互斥信號(hào)量有一個(gè)選項(xiàng)允許實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)繼承的算法。優(yōu)先級(jí)繼承通過在T1被阻塞期間提升T3的優(yōu)先級(jí)到T1解決了優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)引起的問題。這防止了T3，間接地防止T1，被T2搶占。通俗地說，優(yōu)先級(jí)繼承協(xié)議使一個(gè)擁有資源的任務(wù)以等待該資源的任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)執(zhí)行。當(dāng)執(zhí)行完成，任務(wù)釋放該資源并返回到它正常的或標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)先級(jí)。因此，繼承優(yōu)先級(jí)的任務(wù)避免了被任何中間優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶占。
同步
信號(hào)量另一種通常的用法是用于任務(wù)間的同步機(jī)制。在這種情況下，信號(hào)量代表一個(gè)任務(wù)所等待的條件或事件。最初，信號(hào)量是在清零態(tài)。一個(gè)任務(wù)或中斷通過置位該信號(hào)量來指示一個(gè)事件的發(fā)生。等待該信號(hào)量的任務(wù)將被阻塞直到事件發(fā)生、該信號(hào)量被置位。一旦被解阻塞，任務(wù)就執(zhí)行恰當(dāng)?shù)氖录幚沓绦颉Ｐ盘?hào)量在任務(wù)同步中的應(yīng)用對(duì)于將中斷服務(wù)程序從冗長(zhǎng)的事件處理中解放出來以縮短中斷響應(yīng)時(shí)間是很有用的。
消息隊(duì)列
消息隊(duì)列提供了在任務(wù)與中斷服務(wù)程序或其他任務(wù)間交換變長(zhǎng)消息的一種較低層的機(jī)制。這種機(jī)制在功能上類似于管道，但有較少的開銷。
管道、套接字、遠(yuǎn)程過程調(diào)用和更多
許多高層的VxWorks機(jī)制提供任務(wù)間通信的更高層的抽象，包括管道、TCP/IP套接字、遠(yuǎn)程過程調(diào)用和更多。為了保持裁減內(nèi)核為僅包含足夠支持高層功能的一個(gè)最小函數(shù)集的設(shè)計(jì)目標(biāo)，這些特性都是基于上面描述的內(nèi)核同步方式的。
3． 內(nèi)核設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)
wind內(nèi)核的一個(gè)重要的設(shè)計(jì)特性是最小的搶占延時(shí)。其他的主要設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)包括史無前例的可配置性，對(duì)不可預(yù)見的應(yīng)用需求的可擴(kuò)展性，在各種微處理器應(yīng)用開發(fā)中的移植性。
最小的搶占延時(shí)
正如前面所討論的，禁止搶占是獲得代碼臨界資源互斥操作的通常手段。這種技巧的不期望的負(fù)面影響是高的搶占延時(shí)，這可以通過盡量使用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)互斥和保持臨界區(qū)盡量緊湊被減小。但即使廣泛地使用信號(hào)量也不能解決所有的可能導(dǎo)致?lián)屨佳訒r(shí)的根源。內(nèi)核本身就是一個(gè)導(dǎo)致?lián)屨佳訒r(shí)的根源。為了理解其原因，我們必須更好地理解內(nèi)核所需的互斥操作。
內(nèi)核級(jí)和任務(wù)級(jí)
在任何多任務(wù)系統(tǒng)中，大量的應(yīng)用是發(fā)生在一個(gè)或多個(gè)任務(wù)的上下文。然而，有些CPU時(shí)間片不在任何任務(wù)的上下文。這些時(shí)間片發(fā)生在內(nèi)核改變內(nèi)部隊(duì)列或決定任務(wù)調(diào)度。在這些時(shí)間片中，CPU在內(nèi)核級(jí)執(zhí)行，而非任務(wù)級(jí)。
為了內(nèi)核安全地操作它的內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，必須有互斥操作。內(nèi)核級(jí)沒有相關(guān)的任務(wù)上下文，內(nèi)核不能使用信號(hào)量保護(hù)內(nèi)部鏈表。內(nèi)核使用工作延期作為實(shí)現(xiàn)互斥的方式。當(dāng)有內(nèi)核參與時(shí)，中斷服務(wù)程序調(diào)用的函數(shù)不是被直接激活，而是被放在內(nèi)核的工作
隊(duì)列中。內(nèi)核完成這些請(qǐng)求的執(zhí)行而清空內(nèi)核工作隊(duì)列。
當(dāng)內(nèi)核正在執(zhí)行已經(jīng)被請(qǐng)求服務(wù)時(shí)系統(tǒng)將不響應(yīng)到達(dá)內(nèi)核的函數(shù)調(diào)用?？梢院?jiǎn)單地認(rèn)為內(nèi)核狀態(tài)類似于禁止搶占。如前面所討論的，搶占延時(shí)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中是不期望有的，因?yàn)樗黾恿藢?duì)于會(huì)引起應(yīng)用任務(wù)重新調(diào)度的事件的響應(yīng)時(shí)間.
管操作系統(tǒng)在內(nèi)核級(jí)（此時(shí)禁止搶占）完全避免消耗時(shí)間是不可能的，但減少這些時(shí)間是很重要的。這是減少由內(nèi)核執(zhí)行的函數(shù)的數(shù)量的主要原因， 也是不采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的原因。例如，有一種流行的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的每個(gè)函數(shù)都是在內(nèi)核級(jí)執(zhí)行。這意味著當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在執(zhí)行分配內(nèi)存、獲得任務(wù)信息的函數(shù)時(shí)所有高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)被禁止搶占。
一個(gè)最小的內(nèi)核
已經(jīng)說明了一個(gè)最小內(nèi)核的優(yōu)點(diǎn)和構(gòu)造高層操作系統(tǒng)功能的必要功能，我們使用這些操作原語來執(zhí)行一個(gè)傳統(tǒng)的內(nèi)核級(jí)功能，而在VxWorks中作為任務(wù)級(jí)功能執(zhí)行，內(nèi)存管理。 在這個(gè)例子中，考慮用戶可調(diào)用的子例程malloc， 用于分配所請(qǐng)求大小的內(nèi)存區(qū)并返回一個(gè)指向該內(nèi)存區(qū)的指針。假定空閑內(nèi)存區(qū)是通過搜索一個(gè)空閑內(nèi)存塊的隊(duì)列找到的，一個(gè)信號(hào)量必須被用來保護(hù)這個(gè)非搶占多用戶資源。分配內(nèi)存的操作如下：
獲得互斥信號(hào)量
搜索空閑內(nèi)存塊鏈表
釋放互斥信號(hào)量
值得注意的是搜索一個(gè)足夠大的空閑內(nèi)存塊的可能的冗長(zhǎng)的時(shí)間是發(fā)生在調(diào)用任務(wù)的上下文中。這是可以被高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶占的（除了信號(hào)量調(diào)用的這段執(zhí)行時(shí)間）。

在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)內(nèi)核中，內(nèi)存分配例程操作如下：
進(jìn)入內(nèi)核
搜索空閑內(nèi)存塊鏈表
退出內(nèi)核
整個(gè)內(nèi)存分配發(fā)生在內(nèi)核級(jí)，任務(wù)搶占被禁止如果高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在此時(shí)變?yōu)榫途w態(tài)，它必須等待直到內(nèi)核為低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)完成內(nèi)存分配。有些操作系統(tǒng)甚至在這段市時(shí)間禁止中斷。
任務(wù)級(jí)操作系統(tǒng)服務(wù)
Wind River System的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，VxWorks，顯示了這樣設(shè)計(jì)的一個(gè)最小內(nèi)核是能夠滿足需求的。VxWorks是現(xiàn)在能夠獲得的獨(dú)立于任何處理器的、擁有相當(dāng)小內(nèi)核的、功能完全的層次結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
VxWorks在內(nèi)核之上提供了大量的功能。它包括內(nèi)存管理，一個(gè)完整的BSD4.3網(wǎng)絡(luò)包，TCP/IP，網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS），遠(yuǎn)程過程調(diào)用（RPC），UNIX兼容的鏈接加載模塊，C語言的解釋界面，各種類型的定時(shí)器，性能監(jiān)測(cè)組件，調(diào)試工具，額外的通信工具如管道、信號(hào)和套接字，I/O和文件系統(tǒng)，和許多功能例程。這些都不是運(yùn)行在內(nèi)核級(jí)，所以不會(huì)禁止中斷或任務(wù)搶占。
可配置性
實(shí)時(shí)應(yīng)用有多種內(nèi)核需求。沒有哪個(gè)內(nèi)核有一個(gè)用來滿足每種需求的很好的設(shè)計(jì)折衷。然而，一個(gè)內(nèi)核可以通過配置來調(diào)整特定的性能特性，裁減實(shí)時(shí)系統(tǒng)來最好地適應(yīng)一個(gè)應(yīng)用的要求。不可預(yù)見的內(nèi)核配置性以用戶可選擇的內(nèi)核排隊(duì)算法的形式提供給應(yīng)用。
排隊(duì)策略
VxWorks中的排隊(duì)庫是獨(dú)立于使用他們的內(nèi)核隊(duì)列功能而執(zhí)行的，這樣提供了將來增加新的排隊(duì)方式的靈活性。
在VxWorks中有各種內(nèi)核隊(duì)列。就緒隊(duì)列是一個(gè)按優(yōu)先級(jí)索引的所有等待調(diào)度的任務(wù)隊(duì)列。滴答隊(duì)列用于定時(shí)功能。信號(hào)量是一個(gè)等待信號(hào)量的被阻塞任務(wù)的鏈表?；顒?dòng)隊(duì)列是一個(gè)系統(tǒng)中所有任務(wù)的一個(gè)先進(jìn)先出（FIFO）的鏈表。這些隊(duì)列中的每個(gè)隊(duì)列都需要一個(gè)不同的排隊(duì)算法。這些算法不是被內(nèi)嵌在內(nèi)核中，而是被抽取到一個(gè)自治的、可轉(zhuǎn)換的排隊(duì)庫中。這種靈活的組織形式是滿足特殊的配置需求的基礎(chǔ)。
可擴(kuò)展性
支持不可預(yù)見的內(nèi)核擴(kuò)展的能力與以有功能的可配置性是同樣重要的。簡(jiǎn)單的內(nèi)核接口和互斥方法使內(nèi)核級(jí)功能擴(kuò)展相當(dāng)容易； 在某些情況下，應(yīng)用可以僅利用內(nèi)核鉤子函數(shù)來實(shí)現(xiàn)特定的擴(kuò)展。
內(nèi)部鉤子函數(shù)
為了不修改內(nèi)核而能夠向系統(tǒng)增加額外的任務(wù)相關(guān)的功能，VxWorks提供了任務(wù)創(chuàng)建、切換和刪除的鉤子函數(shù)。這些允許在任務(wù)被創(chuàng)建、 上下文切換和任務(wù)被刪除的時(shí)候額外的例程被調(diào)用執(zhí)行。這些鉤子函數(shù)可以利用任務(wù)上下文中的空閑區(qū)創(chuàng)建wind內(nèi)核的任務(wù)特性。
未來考慮
有許多系統(tǒng)函數(shù)現(xiàn)在變得越來越重要，而且會(huì)影響到內(nèi)核設(shè)計(jì)時(shí)的搶占延時(shí)。盡管涉及這些問題一個(gè)完整的討論超出了本文的范圍，但值得簡(jiǎn)單地提一下。
RISC/CISC
設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立于CPU的操作系統(tǒng)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。隨著新的RSIC（精簡(jiǎn)指令集）處理器變得很流行，這些難度也加大了。為了在RISC環(huán)境下有效地執(zhí)行，內(nèi)核和操作系統(tǒng)需要有執(zhí)行不同策略的靈活性。
例如，考慮在任務(wù)切換時(shí)內(nèi)核執(zhí)行的例程。在CISC（復(fù)雜指令集，如680x0或80x86）CPU，內(nèi)核為每個(gè)任務(wù)存儲(chǔ)一套完整的寄存器，在運(yùn)行任務(wù)的時(shí)候?qū)⑦@些寄存器換入換出。在一個(gè)RISC機(jī)器上，這樣是不合理的，因?yàn)樯婕暗教嗟募拇嫫?。所以?nèi)核需要一個(gè)更精密復(fù)雜的策略，如為任務(wù)緩存寄存器，允許應(yīng)用指定一些寄存器給特殊的任務(wù)。

移植性
為了使wind內(nèi)核在他們出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)上能夠運(yùn)行，需要有一個(gè)可移植的內(nèi)核版本。這使移植是可行的，但不是最優(yōu)化的。
多處理
支持緊耦合的多處理需求要求實(shí)時(shí)內(nèi)核的內(nèi)部功能包含，在理想情況下，在遠(yuǎn)端請(qǐng)求內(nèi)核調(diào)用，如從一個(gè)處理器到另一個(gè)處理器。這就要涉及到信號(hào)量調(diào)用（為處理器間同步）和任務(wù)調(diào)用（為了控制另一個(gè)CPU上的任務(wù)）。這種復(fù)雜性無疑會(huì)增加內(nèi)核級(jí)功能調(diào)用的開銷，但是許多服務(wù)如對(duì)象標(biāo)識(shí)可以在任務(wù)級(jí)執(zhí)行。在多處理系統(tǒng)中保持一個(gè)最小內(nèi)核的優(yōu)點(diǎn)是處理器之間的互鎖可以有較好的時(shí)間粒度。大的內(nèi)核將在內(nèi)核級(jí)消耗額外的時(shí)間，僅能獲得粗糙的互鎖時(shí)間粒度。
Ada
Ada語言為實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了象聚會(huì)機(jī)制這樣的任務(wù)原語。異常處理、任務(wù)終止、終止替換和聚會(huì)都將潛在地影響內(nèi)核設(shè)計(jì)。這些操作可以由前面討論的任務(wù)和同步機(jī)制構(gòu)造，為了保持減小搶占延時(shí)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，許多工作能夠在任務(wù)級(jí)執(zhí)行。
4． 實(shí)時(shí)內(nèi)核的重要尺度
許多性能特性被用來比較以有的實(shí)時(shí)內(nèi)核，這些包括：
快速的任務(wù)上下文切換----由于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的多任務(wù)的特性，系統(tǒng)能夠快速地從一個(gè)任務(wù)切換到另一個(gè)任務(wù)是很重要的。在分時(shí)系統(tǒng)中，如UNIX，上下文切換是在ms級(jí)。Wind內(nèi)核執(zhí)行原始上下文切換只用17us。
最小的同步開銷----因?yàn)橥绞菍?shí)現(xiàn)資源互斥訪問的基本方法，這些操作所引起的開銷最小化是很重要的。在VxWorks中，請(qǐng)求和釋放二值信號(hào)量?jī)H用8us。
最小的中斷延時(shí)----因?yàn)橥獠渴澜鐏淼氖录ǔＲ灾袛嗟男问降絹恚僮飨到y(tǒng)快速的處理這些中斷是很重要的。內(nèi)核在操作一些臨界數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時(shí)候必須禁止中斷。為了減小中斷延時(shí)，必須使這些時(shí)間最小化。Wind內(nèi)核的中斷延時(shí)小于10us。
搶占延時(shí)對(duì)性能指標(biāo)的影響
當(dāng)許多的實(shí)時(shí)解決方案被提交給應(yīng)用工程師時(shí)， 性能指標(biāo)對(duì)于評(píng)估供應(yīng)商的產(chǎn)品變得越來越重要。不象上下文切換和中斷延時(shí)，搶占延時(shí)很難測(cè)量。所以它很少在說明中被提及。但是考慮到當(dāng)內(nèi)核通常禁止上下文切換會(huì)長(zhǎng)達(dá)數(shù)百微妙，而聲稱一個(gè)50us的固定長(zhǎng)度（與任務(wù)個(gè)數(shù)無關(guān)）的上下文切換時(shí)間是毫無意義的。除了很難測(cè)量外，搶占延時(shí)可能會(huì)削弱許多性能指標(biāo)的有效性。
Wind內(nèi)核通過減小內(nèi)核的大小來盡量減小搶占延時(shí)。 包含繁多功能的內(nèi)核必將引起長(zhǎng)的搶占延時(shí)。
5． 結(jié)論
為了滿足對(duì)實(shí)時(shí)內(nèi)核日益增加的要求，如新的調(diào)度算法、多處理、Ada和RISC結(jié)構(gòu)，wind內(nèi)核始終以靈活性和可配置性為設(shè)計(jì)目標(biāo)。它所提供的優(yōu)秀的運(yùn)行性能將成為實(shí)時(shí)應(yīng)用需求新標(biāo)準(zhǔn)。

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