VxWork介紹及編程.doc

一.嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks簡介VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習、彈道制導、飛機導航等。在美國的 F-16、FA-18 戰(zhàn)斗機、B-2 隱形轟炸機和愛國者導彈上，甚至連1997年4月在火星表面登陸的火星探測器上也使用到了VxWorks。windrive公司網(wǎng)址實時操作系統(tǒng)和分時操作系統(tǒng)的區(qū)別 從操作系統(tǒng)能否滿足實時性要求來區(qū)分，可把操作系統(tǒng)分成分時操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)。 分時操作系統(tǒng)按照相等的時間片調(diào)度進程輪流運行，分時操作系統(tǒng)由調(diào)度程序自動計算進程的優(yōu)先級，而不是由用戶控制進程的優(yōu)先級。這樣的系統(tǒng)無法實時響應外部異步事件。 實時操作系統(tǒng)能夠在限定的時間內(nèi)執(zhí)行完所規(guī)定的功能，并能在限定的時間內(nèi)對外部的異步事件作出響應。 分時系統(tǒng)主要應用于科學計算和一般實時性要求不高的場合。實時性系統(tǒng)主要應用于過程控制、數(shù)據(jù)采集、通信、多媒體信息處理等對時間敏感的場合。VxWorks的特點 可靠性 操作系統(tǒng)的用戶希望在一個工作穩(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的一個突出優(yōu)點。自從對中國的銷售解禁以來，VxWorks以其良好的可靠性在中國贏得了越來越多的用戶。 實時性 實時性是指能夠在限定時間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對外部的異步事件作出響應的能力。實時性的強弱是以完成規(guī)定功能和作出響應時間的長短來衡量的。 VxWorks 的實時性做得非常好，其系統(tǒng)本身的開銷很小，進程調(diào)度、進程間通信、中斷處理等系統(tǒng)公用程序精練而有效，它們造成的延遲很短。VxWorks 提供的多任務機制中對任務的控制采用了優(yōu)先級搶占（Preemptive Priority Scheduling）和輪轉(zhuǎn)調(diào)度（Round-Robin Scheduling）機制，也充分保證了可靠的實時性，使同樣的硬件配置能滿足更強的實時性要求，為應用的開發(fā)留下更大的余地。 可裁減性 用戶在使用操作系統(tǒng)時，并不是操作系統(tǒng)中的每一個部件都要用到。例如圖形顯示、文件系統(tǒng)以及一些設備驅(qū)動在某些嵌入系統(tǒng)中往往并不使用。 VxWorks 由一個體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進行定制的系統(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，且不失其實時、多任務的系統(tǒng)特征。由于它的高度靈活性，用戶可以很容易地對這一操作系統(tǒng)進行定制或作適當開發(fā)，來滿足自己的實際應用需要。 對一個實時內(nèi)核的要求 一個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核需滿足許多特定的實時環(huán)境所提出的基本要求，這些包括：多任務：由于真實世界的事件的異步性，能夠運行許多并發(fā)進程或任務是很重要的。多任務提供了一個較好的對真實世界的匹配，因為它允許對應于許多外部事件的多線程執(zhí)行。系統(tǒng)內(nèi)核分配CPU給這些任務來獲得并發(fā)性。搶占調(diào)度：真實世界的事件具有繼承的優(yōu)先級，在分配CPU的時候要注意到這些優(yōu)先級。基于優(yōu)先級的搶占調(diào)度，任務都被指定了優(yōu)先級，在能夠執(zhí)行的任務（沒有被掛起或正在等待資源）中，優(yōu)先級最高的任務被分配CPU資源。換句話說，當一個高優(yōu)先級的任務變?yōu)榭蓤?zhí)行態(tài)，它會立即搶占當前正在運行的較低優(yōu)先級的任務。 任務間的通訊與同步：在一個實時系統(tǒng)中，可能有許多任務作為一個應用的一部分執(zhí)行。系統(tǒng)必須提供這些任務間的快速且功能強大的通信機制。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)所需的同步機制。任務與中斷之間的通信：盡管真實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、優(yōu)先化和減少中斷延時，我們通常希望在任務級處理相應的工作。所以需要雜任務級和中斷級之間存在通信。二.系統(tǒng)編程方法了解系統(tǒng)編程對程序員來說尤為重要。根據(jù)Drew個人的經(jīng)驗基本上操作系統(tǒng)編程都是類似的，認真讀懂一種，就很容易的理解另一種。下面是Drew翻的VxWorks programmer guide中的基本內(nèi)容，有一些內(nèi)容是Drew個人的理解。理解這些內(nèi)容對實時操作編程非常重要。實時系統(tǒng)主要包括:多任務調(diào)度（采用優(yōu)先級搶占方式），任務間的同步和進程間通信機制。一個多任務環(huán)境允許實時應用程序以一套獨立任務的方式構(gòu)筑，每個任務擁有獨立的執(zhí)行線程和它自己的一套系統(tǒng)資源。進程間通信機制使得這些任務的行為同步、協(xié)調(diào)。 wind使用中斷驅(qū)動和優(yōu)先級的方式。它縮短了上下文轉(zhuǎn)換的時間開銷和中斷的時延。在 VxWorks 中，任何例程都可以被啟動為一個單獨的任務，擁有它自己的上下文和堆棧。還有一些其它的任務機制可以使任務掛起、繼續(xù)、刪除、延時或改變優(yōu)先級。 另一個重要內(nèi)容是:硬件中斷處理。硬件產(chǎn)生中斷,統(tǒng)治系統(tǒng)調(diào)用相應的中斷歷程(ISR),位是系統(tǒng)得到盡快的響應,ISR在它自己獨立的上下文和堆棧中運行.它的優(yōu)先級高于任何任務優(yōu)先級.Task State Transitions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間。 優(yōu)先級驅(qū)動(Priority-Driven) 優(yōu)先級驅(qū)動是指多任務系統(tǒng)中，當前運行任務總是具有最高優(yōu)先級的就緒任務。 多任務調(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): 每一個任務都有一個優(yōu)先級,系統(tǒng)核心保證優(yōu)先級最高的任務運行于CPU.如果有任務優(yōu)先級高于當前的任務優(yōu)先級,系統(tǒng)立刻保存當前任務的上下文,切換到優(yōu)先級高的上下文. Priority Preemption 搶占(Preemptive): 搶占是指當系統(tǒng)處于核心態(tài)運行時, 允許任務的重新調(diào)度。換句話說就是指正在執(zhí)行的任務可以被打斷，讓另一個任務運行。搶占提高了應用對異步事件的響應性能力。操作系統(tǒng)內(nèi)核可搶占，并不是說任務調(diào)度在任何時候都可以發(fā)生。例如當一個任務正在通過一個系統(tǒng)調(diào)用訪問共享數(shù)據(jù)時，重新調(diào)度和中斷都被禁止.任務上下文(Task Context): 任務上下文是指任務運行的環(huán)境。例如，針對x86的CPU，任務上下文可包括程序計數(shù)器、堆棧指針、通用寄存器的內(nèi)容.上下文切換（Context Switching）: 多任務系統(tǒng)中，上下文切換是指CPU的控制權(quán)由運行任務轉(zhuǎn)移到另外一個就緒任務時所發(fā)生的事件，當前運行任務轉(zhuǎn)為就緒（或者掛起、刪除）狀態(tài)，另一個被選定的就緒任務成為當前任務。上下文切換包括保存當前任務的運行環(huán)境，恢復將要運行任務的運行環(huán)境。上下文的內(nèi)容依賴于具體的CPU.輪轉(zhuǎn)調(diào)度(Round-Robin Scheduling):使所有相同優(yōu)先級,狀態(tài)為ready的任務公平分享CPU(分配一定的時間間隔,使個任務輪流享有CPU).Round-Robin Scheduling系統(tǒng)由256個優(yōu)先級,從0到255,0為最高,255為最低. 任務在被創(chuàng)建時設定了優(yōu)先級.也可用taskPrioritySet ( ) 來改變?nèi)蝿諆?yōu)先級.任務的主要狀態(tài): READY,PEND,DELAY,SUSPEND.ready-pended -semTake()/msgQReceive()-其他任務ready-delayed-taskDelay()ready-suspended-taskSuspend()pended-ready-semaGive()/msgQSend()-其他任務pended-suspended-taskSuspend()delayed-ready-expired delaydelayed-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)度可以擴充到優(yōu)先搶占方式中,當多個任務優(yōu)先級相同的情況下,輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法使任務按平等的時間片運行于CPU,共享CPU.避免一個任務長時間占用CPU,而導致其他任務不能運行.可以用 kernelTimeSlice() 來定義時間長度.taskLock ( )和 taskUnlock ( ) 用來取消優(yōu)先搶占方式 和恢復優(yōu)先搶占方式.注意: 一個任務可以調(diào)用taskDelete ( ) 刪除另一個任務,但是如果一個當前正在運行的任務被刪除后,該任務的內(nèi)存沒有釋放,而其他任務不知道,依然在等待,結(jié)果導致系統(tǒng)stop.用 taskSafe ( ) 和 taskUnsafe ( ) 來保證正在運行的任務不被刪除.用法如下:taskSafe (); semTake (semId, WAIT_FOREVER);/* Block until semaphore available */ . . .critical region . semGive (semId);semGive (semId);/* Release semaphore */ taskUnsafe (); 任務間的同步和進程間協(xié)調(diào) 信號量作為任務間同步和互斥的機制。在 wind 核中有幾種類型的信號量，它們分別針對不同的應用需求：二進制信號量、計數(shù)信號量、互斥信號量和 POSIX 信號量。所有的這些信號量是快速和高效的，它們除了被應用在開發(fā)設計過程中外，還被廣泛地應用在VxWorks 高層應用系統(tǒng)中。對于進程間通信，wind 核也提供了諸如消息隊列、管道、套接字和信號等機制。 任務間的同步和進程間協(xié)調(diào)的幾種方式:1. 內(nèi)存共享(Shared Memory),對簡單的數(shù)據(jù)共享而言. 2. 信號量(Semaphore),基本的互斥和同步. 3. 消息隊列(Message queues)和管道(Pipe),單個CPU中,任務間的信息傳遞. 4. 套結(jié)字(Socket)和遠程調(diào)用(Remote procedure calls),相對于網(wǎng)絡任務間的通信. 5. 信號(Signals),出錯處理(Exception handling). 內(nèi)存共享(Shared Memory)任務間通信最通常的方式是通過共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行通信,因為所有VxWorks的任務存在于一個單一的線性地址空間，任務間共享數(shù)據(jù)。全局變量、線性隊列、環(huán)形隊列、鏈表、指針都可被運行在不同上下文的代碼所指向。Shared Data Structures互斥(Mutual Exclusion)互斥是用來控制多任務對共享數(shù)據(jù)進行串行訪問的同步機制。在多任務應用中，當兩個或多個任務同時訪問共享數(shù)據(jù)時，可能會造成數(shù)據(jù)破壞。互斥使它們串行地訪問數(shù)據(jù)，從而達到保護數(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); 但在實時系統(tǒng)中采取這個辦法會影響系統(tǒng)對外部中斷及時響應和處理的能力.2. 關(guān)閉系統(tǒng)優(yōu)先級(taskLock): 關(guān)閉系統(tǒng)優(yōu)先級,這樣在當前任務執(zhí)行時,除了中斷外,不會有其他優(yōu)先級高的任務來搶占CPU,影響當前程序運行. funcA () taskLock ();. .critical region that cannot be interrupted .taskUnlock (); 這種方法阻止了高優(yōu)先級的任務搶先運行,在實時系統(tǒng)中也是不適合的,除非關(guān)閉優(yōu)先級的時間特別短. 信號量(Semaphore): 信號量是解決互斥和同步協(xié)調(diào)進程最好的方法 VxWorks信號量提供最快速的任務間通信機制，它主要用于解決任務間的互斥和同步。針對不同類型的問題，有以下三種信號量： 二進制信號量（binary)使用最快捷、最廣泛，主要用于同步或互斥； 互斥信號量(mutualexclusion)特殊的二進制信號量，主要用于優(yōu)先級繼承、安全刪除和回溯； 計數(shù)器信號量(counting) 和二進制信號量類似，保持信號量被釋放（gaven)的次數(shù) ,主要用于保護一個資源的多個例程（multiple instances of a resource）信號量控制，函數(shù)介紹:semBCreate() 分配并初始化一個二進制信號量semMCreate() 分配并初始化一個互斥信號量semCCreate() 分配并初始化一個計數(shù)信號量semDelete() 終止一個自由的信號量emTake() 占有一個信號量semGive() 釋放一個信號量semFlush() 解鎖所有等待信號量的任務semBCreate(), semMCreate(), and semCCreate()返回一個信號量ID作為其它后續(xù)任務使用該信號量的的句柄。當一個信號量被創(chuàng)建，它的隊列（queue)類型就被確定。等待信號量的任務隊列以優(yōu)先級的高低排列(SEM_Q_PRIORITY)，或者一先到先得的方式排列（SEM_Q_FIFO). 當一個Semaphore創(chuàng)建時,指定了任務隊列的種類 A. semBCreat( SEM_Q_PRIORITY, SEM_FULL), SEM_Q_PRIORITY 指明處于等待狀態(tài)的任務在等待隊列中以優(yōu)先級的順序排列 B. semBCreat(SEM_Q_FIFO,SEM_FULL), SEM_Q_FIFO指明 處于等待狀態(tài)的任務在等待隊列中以先進先出的順序排列 1. 二進制信號量（binary) Taking a SemaphoreGiving a Semaphore 互斥進程（Mutual Exclusion） 互斥信號量有效的內(nèi)鎖對共享資源的進入，與屏蔽中斷(disabling interrupts)和優(yōu)先級鎖定（preemptive locks）相比，二進制信號量將互斥的范圍限制在僅與其有關(guān)的資源上。從技術(shù)上說，創(chuàng)建一個信號量來保護(guarding)資源。信號量初始化位可用的（FULL）。 當一個Semaphore創(chuàng)建時,指定了這個semaphore是用在解決互斥還是用來同步任務A. semBCreat( SEM_Q_FIFO, SEM_FULL) , SEM_FULL 指明用于任務間互斥. SEM_ID semMutex;semMutex = semBCreate (SEM_Q_PRIORITY, SEM_FULL); 當一個任務要進入資源，首先要得到一個信號量（take that semaphore），只要有任務在使用這個信號量，其它的要進入資源的任務要停止執(zhí)行（blocked from execution），當這個任務完成了對資源的使用，它會釋放信號量，允許另一個任務來使用資源。semTake (semMutex, WAIT_FOREVER);. .critical region, only accessible by a single task at a time . semGive (semMutex);同步協(xié)調(diào)進程（Synchronization）B. semBCreat(SEM_Q_FIFO,SEM_EMPTY), SEM_EMPTY 指明用于任務間同步. /* 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 */. semTake(semID,time out)-有Semaphore空閑,就Take, 如果沒有,由time out 定,超時則向下執(zhí)行2. 互斥信號量 互斥信號量是一個特殊的二進制信號量，設計用于優(yōu)先級繼承，安全刪除和回歸?；コ庑盘柫康氖褂没竞投M制信號量是類似的。但有以下不同： 僅僅被用做互斥。 只能被使用它的任務釋放.(It can be given only by the task that took it.) ISR 不能釋放它。 不能使用函數(shù)semFlush()。 優(yōu)先級反轉(zhuǎn)(Priority Inversion) 優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是指一個任務等待比它優(yōu)先級低的任務釋放資源而被阻塞，如果這時有中等優(yōu)先級的就緒任務，阻塞會進一步惡化。優(yōu)先級繼承技術(shù)可用來解決優(yōu)先級反轉(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)先級繼承(Priority Inheritance) 優(yōu)先級繼承可用來解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。當優(yōu)先級反轉(zhuǎn)發(fā)生時，優(yōu)先級較低的任務被暫時地提高它的優(yōu)先級，使得該任務能盡快執(zhí)行，釋放出優(yōu)先級較高的任務所需要的資源。Priority InheritanceThe 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).3. 計數(shù)信號量（Counting Semaphores） 計數(shù)信號量是任務同步和互斥的另一種實現(xiàn)方式.計數(shù)信號量除了保留信號量被釋放的次數(shù)以外和二進制信號量是一樣的。每次信號量被釋放（gaven)一次，計數(shù)增加；每次信號量被占用（taken)一次，計數(shù)減少;當計數(shù)減少為0時，要求得到信號量的任務被阻塞（blocked)。二進制信號量是如果一個信號量被釋放，有一個任務阻塞等待，則這個任務就被unblock.而計數(shù)信號量如果一個信號量被釋放，沒有任務阻塞等待，則計數(shù)增加。這說明一個被釋放兩次的計數(shù)信號量可以被占用(taken)兩次,沒有阻塞。Counting semaphores are useful for guarding multiple copies of resources. For example, the use of five tape drives might be coordinated using a counting semaphore with an initial count of 5, or a ring buffer with 256 entries might be implemented using a counting semaphore with an initial count of 256. The initial count is specified as an argument to the semCCreate() routine.Counting Semaphore ExampleSemaphore Call Count after Call Resulting Behavior semCCreate() 3 Semaphore initialized with initial count of 3. semTake() 2 Semaphore taken. semTake() 1 Semaphore taken. semTake() 0 Semaphore taken. semTake() 0 Task blocks waiting for semaphore to be available. semGive() 0 Task waiting is given semaphore. semGive() 1 No task waiting for semaphore; count incremented. 消息隊列(Message queues)現(xiàn)實的實時應用由一系列互相獨立又協(xié)同工作的任務組成。信號量為任務間同步和聯(lián)鎖提供了高效機制。在VxWorks中，用于但一CPU任務之間通信主要（primary）的機制是消息隊列。Full Duplex Communication Using Message Queues消息隊列允許一定數(shù)量不同長度的消息進行排列。任何任務或中斷服務程序(ISR)能夠發(fā)送消息給消息隊列。任何任務可以從消息隊列接受消息。多任務可以從同意消息隊列發(fā)送和接受消息。兩個任務之間的全雙工（Full-duplex）通信需要針對不同方向的兩個消息隊列。消息隊列函數(shù)介紹 msgQCreate() 創(chuàng)建斌初始化一個消息隊列msgQDelete() 終止并釋放一個消息隊列msgQSend() 發(fā)送一個消息到消息隊列msgQReceive() 從消息隊列接受一個消息消息隊列是由函數(shù)msgQCreate (MAX_MSGS, MAX_MSG_LEN, MSG_Q_PRIORITY)創(chuàng)建。它的參數(shù)MAX_MSGS指定了消息隊列中可允許最多可以排列的消息數(shù)和每個消息允許的最大的字節(jié)數(shù)MAX_MSG_LEN。一個任務或中斷服務程序(ISR)用函數(shù)msgQSend()發(fā)送一個消息到消息隊列。如果沒有任務等待消息隊列的消息，這個消息被添加消息緩存的隊列里。如果某些任務已經(jīng)在等待消息隊列中的消息，消息立刻被傳遞給第一個等待的消息的任務。一個任務用函數(shù)msgQReceive()從消息隊列得到一個消息。如果消息隊列緩存中有消息存在，第一個消息立刻出列并回到調(diào)用處(caller).如果沒有消息存在，則任務（calling task）停止（blocks)并被添加到等待消息的任務隊列中。這個等待的任務隊列按照優(yōu)先級或先進先出（FIFO)規(guī)則排列，這個規(guī)則有消息隊列創(chuàng)建時所指定。等待時間限制（time out)msgQSend() 和 msgQReceive()都有時間限制參數(shù)。當發(fā)送一個消息，如果消息隊列緩存這時沒有空間，這個參數(shù)指定允許等待的時間（ticks數(shù)），直到隊列緩存有空間來接收消息。當接收消息時，如果消息隊列沒有消息，這個參數(shù)指定允許等待的時間（ticks數(shù)），直到消息隊列有消息。/* In this example, task t1 creates the message queue and sen