基于VxWorks下的多重定時(shí)器設計

VxWorks是一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)，具有內核小、可裁剪、實(shí)時(shí)性強等特點(diǎn)。VxWorks內核(Wind)提供了共享內存、信號量、消息隊列、套接字通信和定時(shí)器等多種機制。為了實(shí)現基于UDP網(wǎng)絡(luò )的可靠通信，本文利用VxWorks的多種任務(wù)間通信機制和看門(mén)狗定時(shí)器機制，設計了一種多重定時(shí)器模型，該模型可以確保數據包的可靠傳遞。

1 VxWOrks的時(shí)鐘及定時(shí)器機制
1．1 VxWorks延時(shí)函數
VxWorks既提供了延時(shí)功能，也提供了時(shí)限約束功能。VxWorks系統有2種延時(shí)方式：一種是Wind內核提供的taskDelay()函數；另一種是POSIX函數nanosleep()。
taskDelay()函數以tick作為延時(shí)單位，默認情況下1個(gè)tick為16．67 ms(1／60 s)，可以通過(guò)調用sysClkRateSet()函數對tick進(jìn)行重新設定。taskDelay()函數使調用該函數的任務(wù)在指定時(shí)間內主動(dòng)放棄CPU，用于任務(wù)調度或等待某一外部事件。nanosleep()函數指定一個(gè)以s和ns為單位的睡眠或延時(shí)時(shí)間。其實(shí)，兩個(gè)延時(shí)函數的精度是相同的，都是以tick為時(shí)間基準。不同之處在于，taskDelay(0)有自身意義，用于相同優(yōu)先級任務(wù)間的任務(wù)調度，而nanosleep(0)是沒(méi)有意義的。
1．2 VxWorks定時(shí)器機制
VxWorks提供一種看門(mén)狗定時(shí)器機制(watchdogtimer)，可以用來(lái)處理任務(wù)的時(shí)限約束?？撮T(mén)狗定時(shí)器作為系統時(shí)鐘中斷服務(wù)程序的一部分來(lái)維護，因此，看門(mén)狗定時(shí)器的回調函數以系統時(shí)鐘中斷級作為中斷服務(wù)程序執行?？撮T(mén)狗定時(shí)器回調函數受到中斷服務(wù)程序的限制，不能調用可能引起阻塞的函數，比如試圖獲取信號量，調用malloc()和free()等創(chuàng )建和釋放內存函數或執行I／O操作。
POSIX定時(shí)器也可以處理任務(wù)時(shí)限。此外，VxWorks中一些函數具有時(shí)限控制的功能，semTake()、msgQSend()、msgQReceive()函數中都有設定時(shí)限控制的參數。超時(shí)參數NO_WAIT意味著(zhù)立即返回，而WAIT_FOREVER意味著(zhù)程序永不超時(shí)。

2 多重定時(shí)器實(shí)現要求
在VxWorks系統下，利用網(wǎng)絡(luò )套接字建立基于UDP協(xié)議的客戶(hù)端／服務(wù)器通信模式。由于UDP是無(wú)連接的協(xié)議，發(fā)送方并不清楚發(fā)出的數據包是否已經(jīng)正確到達接收方，于是提出一種支持重傳和定時(shí)等待確認的協(xié)議。
這個(gè)協(xié)議要求發(fā)送方發(fā)送的數據包與接收方回復的確認包具有對應的序列號，發(fā)送方和接收方都可以通過(guò)序列號來(lái)判斷是不是想要得到的數據包。序列號是循環(huán)的，考慮到如果序列號太小會(huì )出現折返情況產(chǎn)生混淆，所以序列號至少大于2。如果用1個(gè)字節來(lái)表示序列號，則可以設定序列號為256。
發(fā)送方送出一個(gè)數據包后啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器。這時(shí)可能會(huì )有4種情況發(fā)生：
①發(fā)送方接收到正確序號的確認包，則發(fā)送下一序列號的數據包。
②發(fā)送方接收到已經(jīng)接收過(guò)的重復確認包，則丟棄該確認包繼續等待。如果在超時(shí)前收到了正確確認包，則發(fā)送下一序列號的數據包。
③定時(shí)器超時(shí)，沒(méi)有收到想要的確認包，則重新發(fā)送數據包，啟動(dòng)下一定時(shí)器。
④設定的多重定時(shí)器超時(shí)后，沒(méi)有收到想要確認包，則通知網(wǎng)絡(luò )管理設備。
接收方在收到所需序列號的數據包后，回復一個(gè)確認包給發(fā)送方。如果接收方回復的確認包后沒(méi)有正確到達發(fā)送方，則會(huì )引起發(fā)送方超時(shí)，重新發(fā)送原序列號數據包。接收方收到數據包后，需要檢查數據包序列號。如果是重復序列號數據包，則丟棄，但是依舊回復確認包給發(fā)送方，以免已發(fā)送確認包在發(fā)送過(guò)程中丟失。這里基于支持重傳和定時(shí)等待確認協(xié)議。具體要求是，在客戶(hù)端通過(guò)UDP協(xié)議發(fā)送數據包后啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，等待接收服務(wù)器端回復的ACK(acknowl-edgement)確認包。如果成功接收，則繼續發(fā)送下一序列號的數據包；如果超時(shí)后還沒(méi)有收到需要的確認包，則重新傳輸原序列號的數據包。圖1所示為數據包均按時(shí)、正確地接收的情況。

一般情況下，假定啟動(dòng)定時(shí)器30 ms內可以完成從發(fā)送數據包到接收ACK確認包的全過(guò)程，但是由于某些原因使得30 ms內無(wú)法收到確認包，則會(huì )重傳原數據包，并啟動(dòng)一個(gè)稍長(cháng)的40 ms定時(shí)器。如果40 ms還無(wú)法收到確認，則再次重傳原數據包，并啟動(dòng)一個(gè)考慮到最差情況的60 ms定時(shí)器。如果依舊無(wú)法收到確認則不再發(fā)送，通知網(wǎng)絡(luò )管理設備。
出現定時(shí)器超時(shí)情況有3種可能：發(fā)送方發(fā)送數據包過(guò)程中丟包；接收方發(fā)送確認包過(guò)程中丟包；從發(fā)送數據包到確認包到達發(fā)送方過(guò)程中，延時(shí)時(shí)間超過(guò)定時(shí)時(shí)間。造成超時(shí)有兩方面原因：一是，雙方終端在接收數據包時(shí)由于緩沖問(wèn)題不能及時(shí)處理，使得終端出現延時(shí)接收數據包或丟包；二是，通信鏈路發(fā)生斷鏈情況，導致雙方無(wú)法進(jìn)行通信。從圖2中可以看到，如果鏈路沒(méi)有斷開(kāi)，則包含3種情況的三重定時(shí)器超時(shí)情況。

3 多重定時(shí)器設計
3．1 設計方案
選用看門(mén)狗定時(shí)器機制來(lái)設計?？撮T(mén)狗定時(shí)器操作較為簡(jiǎn)單，只有4個(gè)函數，即wdCreate()、wdDelete()、wdStart()、wdCancel()?？撮T(mén)狗定時(shí)器與調用任務(wù)異步執行，并不阻塞調用任務(wù)，所以看門(mén)狗定時(shí)器很適合多任務(wù)的非阻塞計時(shí)。
當看門(mén)狗定時(shí)器啟動(dòng)后，如果在規定的30 ms內收到了正確的確認包，就會(huì )將定時(shí)器取消掉，繼續發(fā)送下面的數據包。如果30 ms規定時(shí)間內沒(méi)有收到確認數據包ACK，則需要重新發(fā)送數據包，并啟動(dòng)第2個(gè)40 ms的定時(shí)器。VxWorks中單CPU的任務(wù)間常用通信機制是消息隊列。當定時(shí)器到時(shí)后利用消息隊列向發(fā)送任務(wù)發(fā)送消息，通知發(fā)送任務(wù)重新發(fā)送數據包，啟動(dòng)下一定時(shí)器?？撮T(mén)狗定時(shí)器的回調函數可以執行msgQSend()這種向消息隊列發(fā)送消息的函數，我們通過(guò)msgQSend()函數向主任務(wù)發(fā)送時(shí)限已達消息。但是，將msgQSend()的延時(shí)參數設為wAIT_FOREVER時(shí)，消息隊列中一旦沒(méi)有了可用緩沖，則進(jìn)入等待狀態(tài)。由于中斷服務(wù)程序優(yōu)先級高，而從消息隊列中接收消息的優(yōu)先級低，當有任務(wù)準備從消息隊列中取消息時(shí)，要等待中斷服務(wù)程序執行完畢，則消息隊列始終處于已滿(mǎn)狀態(tài)，造成系統死鎖。如果將msgQSend()函數中的延時(shí)參數改為NO_WAIT，則可避免一直等待向消息隊列發(fā)消息的情況，一旦消息隊列已滿(mǎn)就將該消息丟棄。但這樣一來(lái)，向接收端發(fā)送數據包任務(wù)接收不到定時(shí)器超時(shí)消息，不會(huì )重發(fā)原序列號數據包和啟動(dòng)下一定時(shí)器，所以使用參數NO_WAIT也不可行。

這里提出一種避免上述情況造成系統死鎖的方法，即使用信號量機制來(lái)使msgQSend()不在中斷服務(wù)程序中執行。通過(guò)使用信號量的任務(wù)間同步機制來(lái)實(shí)現這個(gè)功能。釋放信號量函數semGive()不像msgQSend()那樣需要在消息隊列中等待，一旦執行就可以馬上釋放信號量，從而避免了沖突。
由于任務(wù)中事件發(fā)生有一定間隔，不必選用計數器信號量，所以選用最常用的二進(jìn)制信號量。首先建立3個(gè)先進(jìn)先出的二進(jìn)制信號量，設定可調用信號量為空。然后在看門(mén)狗定時(shí)器的回調函數中使用semGive()函數來(lái)釋放信號量，重建一個(gè)任務(wù)在任務(wù)起始使用semTake()函數來(lái)獲取信號量。當獲得信號量后，通過(guò)msgQSend(，，，WAIT_FOREVER，)函數向消息隊列中發(fā)送超時(shí)消息，而且保證只要消息隊列有可用緩沖，就一定可以將消息送出。本文給出一個(gè)多重定時(shí)器的任務(wù)框架，如圖3所示。