基于VxWorks實(shí)時(shí)操作系統的通信模型設計

　　軟件設計中模塊化的思想已日益普遍，模塊化的設計能夠使程序結構清晰，便于維護，開(kāi)發(fā)起來(lái)也更加高效。大型軟件通常由多個(gè)功能模塊構成，模塊的功能實(shí)現又是由多個(gè)線(xiàn)程所支撐的。諸如windows，Linux類(lèi)型的操作系統自身能夠對線(xiàn)程間的通信進(jìn)行較好的管理，不需要過(guò)多的關(guān)心底層。而VxWorks是一個(gè)多任務(wù)系統，任務(wù)是系統最基本的執行單元。功能模塊間的通信也就是任務(wù)間的通信，VxWorks對任務(wù)間通信的管理遠沒(méi)有windows的完善。在模塊數量多，通信業(yè)務(wù)大的情況下VxWorks提供的任務(wù)間通信機制不能很好的滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性與資源利用的要求。本文提出了一種任務(wù)間的通信模型，將用于網(wǎng)絡(luò )通信的UDP方式引進(jìn)到任務(wù)間的通信中，使通信更加靈活和便于管理，改善了整個(gè)系統的性能。

　　多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統VxWorks簡(jiǎn)介

　　VxWorks操作系統是一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)，是嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分，具有可靠高、實(shí)時(shí)性強、可裁減性的特點(diǎn)。VxWorks為程序員提供了高效的實(shí)時(shí)任務(wù)調度、中斷管理、實(shí)時(shí)的系統資源以及任務(wù)間通信。應用程序員可以將精力放在應用程序本身，而不必關(guān)心系統資源的管理。VxWorks可以支持多達256個(gè)任務(wù)，支持二進(jìn)制信號量、互斥信號量、消息郵箱等資源共享方式。高效實(shí)時(shí)的多任務(wù)內核使得VxWorks能同時(shí)面對多個(gè)系列的MPU、MCU、DSP提供類(lèi)同的API接口，其良好的移植性在跨處理器平臺上只需要修改1%～5%的代碼。

　　良好的持續發(fā)展能力、高性能的內核以及友好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，使VxWorks在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統領(lǐng)域占據一席之地。它以良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛星通信、軍事演習、彈道制導、飛機導航等。

　　傳統模塊間通信方式存在的問(wèn)題

　　嵌入式操作系統大多用于對實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，由于體積和成本的限制，嵌入式系統的資源和運行速度都不能和PC機相比。因此在此類(lèi)系統上開(kāi)發(fā)的應用程序的效率和減少資源消耗是十分重要的。VxWorks是一個(gè)多任務(wù)操作系統，傳統的任務(wù)間通信模型有以下幾種：共享內存、信號量和消息隊列三種，這幾種方式都有其不足的地方。

　　共享內存方式使用全局變量或緩存，對于大型而復雜的程序，多個(gè)任務(wù)同時(shí)對一個(gè)變量進(jìn)行讀寫(xiě)操作會(huì )引起沖突或緩從區的溢出。信號量的通信模型雖然可以很好的起到互斥作用，但在多個(gè)任務(wù)同時(shí)與某一任務(wù)通信時(shí)就會(huì )產(chǎn)生對信號量的競爭，引起通信發(fā)起端的排隊，降低系統的效率。消息隊列可以通過(guò)異步的消息傳送模型避免了由于信號量引起的排隊問(wèn)題，但任務(wù)數量較多時(shí)所需要的隊列數量過(guò)大，會(huì )耗費大量系統資源。模塊數量多，通信量大引起的任務(wù)排隊和資源耗費會(huì )對VxWorks的實(shí)時(shí)性和系統性能產(chǎn)生影響。下面介紹的通信模型在克服以上問(wèn)題方面有著(zhù)一定的優(yōu)勢。

　　通信模型的原理與性能分析

　　整個(gè)通信模型由業(yè)務(wù)模塊、UDP插口、虛擬設備控制器(DEV)和統一定時(shí)器四部分組成。模塊間采用基于UDP的通信方式進(jìn)行信息交互，通過(guò)一種虛擬設備控制器(DEV)的概念將UDP插口與業(yè)務(wù)模塊綁定，兩者之間呈現一種松耦合的關(guān)系。每個(gè)模塊擁有屬于自己的DEV，負責管理UDP插口與其他模塊進(jìn)行交互。統一定時(shí)器負責協(xié)調和控制業(yè)務(wù)模塊發(fā)送消息的時(shí)機。統一定時(shí)器與DEV相結合共同完成模塊間的通信。

　　UDP本來(lái)是一種面向無(wú)連接的網(wǎng)絡(luò )通信方式，把它引入到一個(gè)程序的內部作為通信手段需要考察其可靠性。UDP通信雖然是面向無(wú)連接的，在網(wǎng)絡(luò )情況不好時(shí)有可能產(chǎn)生丟包，但由于程序是在一臺主機上運行，程序內各個(gè)模塊之間的交互也只限于本機上，并不經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )，所以UDP包丟失的概率很小，通信可靠性是完全能夠得到保證的。通信模型的原理圖如下：

　　圖1 通信模型原理圖

　　1 虛擬設備控制器(DEV)的概念

　　虛擬設備控制器(DEV)本質(zhì)上是一種數據結構，每個(gè)模塊通過(guò)聲明這樣一個(gè)數據結構來(lái)獲得屬于自己的DEV。DEV中記錄了有關(guān)UDP插口的信息，模塊號或模塊名稱(chēng)。DEV中還包括兩個(gè)環(huán)形緩沖區用于和模塊進(jìn)行數據交互。UDP插口是與DEV緊密結合在一起的，但并不與模塊直接聯(lián)系，也就是說(shuō)一個(gè)UDP并不固定屬于某一模塊，他們之間是一種松耦合的關(guān)系。DEV概念的引入將UDP套接字抽象為一種虛擬設備，供模塊使用。使通信功能與模塊的業(yè)務(wù)功能相互分離，更加獨立，提高了效率。模塊與UDP插口間也可以通過(guò)DEV進(jìn)行靈活的配置與釋放。DEV的結構如下：

　　Struct DEV

　　{

　　int Module_ID; //記錄模塊號;

　　int SocketKind; //記錄插口類(lèi)型;

　　int socket_ID; //記錄socket句柄

　　struct RINGBUF_t m_Buf[2]; //兩個(gè)環(huán)形緩沖區：[0]用于輸入[1]用于輸出

　　}

　　軟件初始化時(shí)可以申請若干個(gè)空閑DEV設備，當某一業(yè)務(wù)模塊啟動(dòng)時(shí)可以申請一個(gè)空閑的DEV供自己使用。將DEV結構體變量中的Module_ID填上該業(yè)務(wù)模塊的號碼就完成了模塊與DEV的綁定。再申請一個(gè)UDP插口，將插口句柄存放在DEV結構體的socket_ID變量中就完成了UDP與DEV的結合，這樣業(yè)務(wù)模塊就通過(guò)DEV與UDP建立了聯(lián)系，模塊可以通過(guò)DEV來(lái)控制和使用該UDP進(jìn)行通信。當模塊不再需要使用UDP時(shí)，或者UDP插口出現故障時(shí)，可以將其擁有的DEV中的Module_ID和socket_ID置為0，取消模塊與DEV的連接，完成對UDP的釋放。當模塊再次需要使用UDP時(shí)，可以重新申請DEV和UDP。這種送耦合的方式使得模塊的正常運行不受UDP的影響，提高了程序的可靠性。

　　2 統一定時(shí)器的作用

　　統一定時(shí)器負責協(xié)調所有的UDP發(fā)送。程序初始化后啟動(dòng)統一定時(shí)器，定時(shí)器的時(shí)間一到就會(huì )執行特定的動(dòng)作。它將輪詢(xún)所有的DEV，將DEV發(fā)送緩存中的內容通過(guò)UDP發(fā)送出去。

　　3 通信的實(shí)現過(guò)程

　?、賃DP消息的發(fā)送

　　當模塊A的某個(gè)任務(wù)需要與其他模塊通信時(shí)，它將把信息打包通過(guò)UDP方式發(fā)送給其他模塊。模塊A的任務(wù)(線(xiàn)程)將需要發(fā)送的消息包放入DEV的1號緩存中，統一定時(shí)器每到一定的時(shí)間就輪詢(xún)所有的DEV，如果有信息等待發(fā)送就通過(guò)該DEV所控制的UDP插口將信息發(fā)往目的地。

　?、?UDP消息的接收

　　如圖2所示，每個(gè)模塊有一個(gè)監視任務(wù)(線(xiàn)程)，負責定時(shí)監視該模塊對應的DEV所控制的UDP端口，一旦UDP接收到消息，該線(xiàn)程負責將收到的消息從UDP的緩存中讀出存放到DEV的0號緩存中。模塊的其他工作任務(wù)需要獲得消息時(shí)可以從0號緩存中讀取并解析消息。

　　圖2 UDP消息的接收

　　4 通信模型的性能分析

　　上述通信模型采用準異步的方式，發(fā)送消息時(shí)各模塊同步，接收消息時(shí)異步。能夠避免多模塊通信時(shí)的沖突，并且能夠節省資源，在效率上優(yōu)于傳統的通信模型。松耦合的映射關(guān)系使得模塊與通信端口之間能夠靈活的結合與釋放，給軟件結構的設計帶來(lái)了較大的自由。

　?、傩剩翰捎昧硕〞r(shí)器輪詢(xún)的消息發(fā)送方式，避免任務(wù)通信的沖突。模塊向其他模塊發(fā)送UDP消息時(shí)只需要將消息打包放入DEV的發(fā)送緩存中，包的發(fā)送工作由統一定時(shí)器完成。模塊本身并不關(guān)心數據包的發(fā)送，將包放入DEV后就可以進(jìn)行其他的工作。在多個(gè)模塊同時(shí)與某一模塊通信的情況下這種方式不會(huì )出現信號量模型中排隊等待信號量的現象，提升了系統的效率，實(shí)時(shí)性得到了保證。由于所有模塊的發(fā)送都由定時(shí)器完成，程序代碼得到了精簡(jiǎn)，增強了代碼的共用性。

　?、谫Y源的利用：由于采用了UDP這種較為靈活的通信方式，模塊間需要通信時(shí)才發(fā)送消息，而不必在各個(gè)模塊間建立多條消息隊列。當模塊數較大時(shí)，這種方式在資源的節約上體現得更加明顯。例如：有n個(gè)模塊，兩兩間建立一對消息隊列就需要(n-1)!對隊列，程序要維護大量的消息隊列，資源消耗嚴重。采用本文的通信模型將會(huì )節約有限的系統資源，充分適應嵌入式系統的開(kāi)發(fā)。

　?、巯⒍逊e問(wèn)題的解決：傳統通信模型中，模塊發(fā)送消息是不加限制的。只要有消息需要發(fā)送就立刻調用發(fā)送函數，如果多個(gè)模塊在一段時(shí)間內同時(shí)向一個(gè)模塊發(fā)送消息，而接收消息的模塊又來(lái)不及處理，消息不斷的堆積就會(huì )引起緩沖區的益處。采用統一定時(shí)器的方法在一定程度上使消息的發(fā)送有序和受限，在定時(shí)器兩次輪詢(xún)某一模塊的間歇期模塊就能夠處理前一次收到的消息，為接收新的消息作好準備。只要定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間設置合適，就能夠避免緩沖區的溢出。

　　通信模型的實(shí)現

　　Vxworks是一個(gè)多任務(wù)的操作系統，模型的各個(gè)組成部分可以通過(guò)任務(wù)來(lái)實(shí)現，VxWorks的網(wǎng)絡(luò )編程接口和定時(shí)器使用起來(lái)十分方便，對用戶(hù)提供了開(kāi)放的API。只需要使用socket()，send()，receive()，CreateTimer()，SetTimer()等函數就能夠對套接字和定時(shí)器進(jìn)行操作。在程序的初始化過(guò)程中可以先開(kāi)啟定時(shí)器任務(wù)，然后產(chǎn)生足夠數量的DEV，接下來(lái)順序啟動(dòng)各個(gè)模塊。啟動(dòng)每個(gè)模塊的過(guò)程中，首先申請一個(gè)空閑的DEV，然后產(chǎn)生一個(gè)UDP套接字，將套接字與DEV建立映射關(guān)系。完成了模塊與DEV的綁定后，啟動(dòng)一個(gè)監視任務(wù)(Moniter_Task)監視UDP端口。到此，通信模型建立完畢。最后啟動(dòng)模塊的其他工作任務(wù)開(kāi)始正常的業(yè)務(wù)流程。

　　結束語(yǔ)

　　本文提出了一種不同于傳統通信機制的模塊間通信模型。將用于網(wǎng)絡(luò )通信的UDP方式引入到程序內的模塊間通信中，避免了傳統方式可能引起的降低效率與資源耗費過(guò)多問(wèn)題。通過(guò)送耦合的連接方式增強了程序的靈活性。在實(shí)驗中，這種基于UDP方式的虛擬設備綁定的通信模型取得了較好效果，在對實(shí)時(shí)性要求較高的嵌入式系統開(kāi)發(fā)中有著(zhù)較高的價(jià)值。