嵌入式操作系統VxWorks簡(jiǎn)介

實(shí)時(shí)操作系統和分時(shí)操作系統的區別

    從操作系統能否滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求來(lái)區分，可把操作系統分成分時(shí)操作系統和實(shí)時(shí)操作系統。

    分時(shí)操作系統按照相等的時(shí)間片調度進(jìn)程*流運行，分時(shí)操作系統由調度程序自動(dòng)計算進(jìn)程的優(yōu)先級，而不是由用戶(hù)控制進(jìn)程的優(yōu)先級。這樣的系統無(wú)法實(shí)時(shí)響應外部異步事件。
  
    實(shí)時(shí)操作系統能夠在限定的時(shí)間內執行完所規定的功能，并能在限定的時(shí)間內對外部的異步事件作出響應。 分時(shí)系統主要應用于科學(xué)計算和一般實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合。實(shí)時(shí)性系統主要應用于過(guò)程控制、數據采集、通信、多媒體信息處理等對時(shí)間敏感的場(chǎng)合。

VxWorks的特點(diǎn)

可靠性

    操作系統的用戶(hù)希望在一個(gè)工作穩定，可以信賴(lài)的環(huán)境中工作，所以操作系統的可靠性是用戶(hù)首先要考慮的問(wèn)題。而穩定、可靠一直是VxWorks的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。自從對中國的銷(xiāo)售解禁以來(lái)，VxWorks以其良好的可靠性在中國贏(yíng)得了越來(lái)越多的用戶(hù)。

實(shí)時(shí)性

    實(shí)時(shí)性是指能夠在限定時(shí)間內執行完規定的功能并對外部的異步事件作出響應的能力。實(shí)時(shí)性的強弱是以完成規定功能和作出響應時(shí)間的長(cháng)短來(lái)衡量的。

    VxWorks 的實(shí)時(shí)性做得非常好，其系統本身的開(kāi)銷(xiāo)很小，進(jìn)程調度、進(jìn)程間通信、中斷處理等系統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(wù)機制中對任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級搶占（Preemptive Priority Scheduling）和*轉調度（Round-Robin Scheduling）機制，也充分保證了可靠的實(shí)時(shí)性，使同樣的硬件配置能滿(mǎn)足更強的實(shí)時(shí)性要求，為應用的開(kāi)發(fā)留下更大的余地。

可裁減性

    用戶(hù)在使用操作系統時(shí)，并不是操作系統中的每一個(gè)部件都要用到。例如圖形顯示、文件系統以及一些設備驅動(dòng)在某些嵌入系統中往往并不使用。

    VxWorks 由一個(gè)體積很小的內核及一些可以根據需要進(jìn)行定制的系統模塊組成。VxWorks 內核最小為 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)的系統特征。由于它的高度靈活性，用戶(hù)可以很容易地對這一操作系統進(jìn)行定制或作適當開(kāi)發(fā)，來(lái)滿(mǎn)足自己的實(shí)際應用需要。

對一個(gè)實(shí)時(shí)內核的要求

    一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統內核需滿(mǎn)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)較好的對真實(shí)世界的匹配，因為它允許對應于許多外部事件的多線(xiàn)程執行。系統內核分配CPU給這些任務(wù)來(lái)獲得并發(fā)性。
        
    搶占調度：真實(shí)世界的事件具有繼承的優(yōu)先級，在分配CPU的時(shí)候要注意到這些優(yōu)先級?；趦?yōu)先級的搶占調度，任務(wù)都被指定了優(yōu)先級，在能夠執行的任務(wù)（沒(méi)有被掛起或正在等待資源）中，優(yōu)先級最高的任務(wù)被分配CPU資源。換句話(huà)說(shuō)，當一個(gè)高優(yōu)先級的任務(wù)變?yōu)榭蓤绦袘B(tài)，它會(huì )立即搶占當前正在運行的較低優(yōu)先級的任務(wù)。
        
    任務(wù)間的通訊與同步：在一個(gè)實(shí)時(shí)系統中，可能有許多任務(wù)作為一個(gè)應用的一部分執行。系統必須提供這些任務(wù)間的快速且功能強大的通信機制。內核也要提供為了有效地共享不可搶占的資源或臨界區所需的同步機制。
        
        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(lái)，但為了提供有效的排隊、優(yōu)先化和減少中斷延時(shí)，我們通常希望在任務(wù)級處理相應的工作。所以需要雜任務(wù)級和中斷級之間存在通信。

系統編程方法

    實(shí)時(shí)系統主要包括:多任務(wù)調度（采用優(yōu)先級搶占方式），任務(wù)間的同步和進(jìn)程間通信機制.

    一個(gè)多任務(wù)環(huán)境允許實(shí)時(shí)應用程序以一套獨立任務(wù)的方式構筑，每個(gè)任務(wù)擁有獨立的執行線(xiàn)程和它自己的一套系統資源。進(jìn)程間通信機制使得這些任務(wù)的行為同步、協(xié)調。 wind使用中斷驅動(dòng)和優(yōu)先級的方式。它縮短了上下文轉換的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)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)機制可以使任務(wù)掛起、繼續、刪除、延時(shí)或改變優(yōu)先級。

    另一個(gè)重要內容是:硬件中斷處理。硬件產(chǎn)生中斷,統治系統調用相應的中斷歷程(ISR),位是系統得到盡快的響應,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(wù)優(yōu)先級.

    中斷延遲(Interrupt Latency) 中斷延遲是指從硬件中斷發(fā)生到開(kāi)始執行中斷處理程序第一條指令之間的這段時(shí)間。

    優(yōu)先級驅動(dòng)(Priority-Driven) 優(yōu)先級驅動(dòng)是指多任務(wù)系統中，當前運行任務(wù)總是具有最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)。

多任務(wù)調度
兩種方式: 優(yōu)先搶占和*轉調度(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,系統核心保證優(yōu)先級最高的任務(wù)運行于CPU.如果有任務(wù)優(yōu)先級高于當前的任務(wù)優(yōu)先級,系統立刻保存當前任務(wù)的上下文,切換到優(yōu)先級高的上下文.

    搶占(Preemptive): 搶占是指當系統處于核心態(tài)運行時(shí), 允許任務(wù)的重新調度。換句話(huà)說(shuō)就是指正在執行的任務(wù)可以被打斷，讓另一個(gè)任務(wù)運行。搶占提高了應用對異步事件的響應性能力。操作系統內核可搶占，并不是說(shuō)任務(wù)調度在任何時(shí)候都可以發(fā)生。例如當一個(gè)任務(wù)正在通過(guò)一個(gè)系統調用訪(fǎng)問(wèn)共享數據時(shí)，重新調度和中斷都被禁止.

    任務(wù)上下文(Task Context): 任務(wù)上下文是指任務(wù)運行的環(huán)境。例如，針對x86的CPU，任務(wù)上下文可包括程序計數器、堆棧指針、通用寄存器的內容.

    上下文切換（Context Switching）: 多任務(wù)系統中，上下文切換是指CPU的控制權由運行任務(wù)轉移到另外一個(gè)就緒任務(wù)時(shí)所發(fā)生的事件，當前運行任務(wù)轉為就緒（或者掛起、刪除）狀態(tài)，另一個(gè)被選定的就緒任務(wù)成為當前任務(wù)。上下文切換包括保存當前任務(wù)的運行環(huán)境，恢復將要運行任務(wù)的運行環(huán)境。上下文的內容依賴(lài)于具體的CPU.

    *轉調度(Round-Robin Scheduling):使所有相同優(yōu)先級,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).

    系統由256個(gè)優(yōu)先級,從0到255,0為最高,255為最低. 任務(wù)在被創(chuàng )建時(shí)設定了優(yōu)先級.也可用taskPrioritySet ( ) 來(lái)改變任務(wù)優(yōu)先級.

    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()
　

    *轉調度 (Round-Robin): *轉調度可以擴充到優(yōu)先搶占方式中,當多個(gè)任務(wù)優(yōu)先級相同的情況下,*轉調度算法使任務(wù)按平等的時(shí)間片運行于CPU,共享CPU.避免一個(gè)任務(wù)長(cháng)時(shí)間占用CPU,而導致其他任務(wù)不能運行.可以用 kernelTimeSlice(　) 來(lái)定義時(shí)間長(cháng)度.

    taskLock()和 taskUnlock()用來(lái)取消優(yōu)先搶占方式 和恢復優(yōu)先搶占方式.

注意: 一個(gè)任務(wù)可以調用taskDelete()刪除另一個(gè)任務(wù),但是如果一個(gè)當前正在運行的任務(wù)被刪除后,該任務(wù)的內存沒(méi)有釋放,而其他任務(wù)不知道,依然在等待,結果導致系統stop.用 taskSafe()和 taskUnsafe() 來(lái)保證正在運行的任務(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
    信號量作為任務(wù)間同步和互斥的機制。在 wind 核中有幾種類(lèi)型的信號量，它們分別針對不同的應用需求：二進(jìn)制信號量、計數信號量、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(kāi)發(fā)設計過(guò)程中外，還被廣泛地應用在VxWorks 高層應用系統中。對于進(jìn)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(wù)間的同步和進(jìn)程間協(xié)調的幾種方式:

    內存共享(Shared Memory),對簡(jiǎn)單的數據共享而言.
    信號量(Semaphore),基本的互斥和同步.
    消息隊列(Message queues)和管道(Pipe),單個(gè)CPU中,任務(wù)間的信息傳遞.
    套結字(Socket)和遠程調用(Remote procedure calls),相對于網(wǎng)絡(luò )任務(wù)間的通信.
    信號(Signals),出錯處理(Exception handling).
    互斥(Mutual Exclusion)

    互斥是用來(lái)控制多任務(wù)對共享數據進(jìn)行串行訪(fǎng)問(wèn)的同步機制。在多任務(wù)應用中，當兩個(gè)或多個(gè)任務(wù)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)共享數據時(shí)，可能會(huì )造成數據破壞?；コ馐顾鼈兇械卦L(fǎng)問(wèn)數據，從而達到保護數據的目的.

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)系統中采取這個(gè)辦法會(huì )影響系統對外部中斷及時(shí)響應和處理的能力.

2. 關(guān)閉系統優(yōu)先級(taskLock): 關(guān)閉系統優(yōu)先級,這樣在當前任務(wù)執行時(shí),除了中斷外,不會(huì )有其他優(yōu)先級高的任務(wù)來(lái)?yè)屨糃PU,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(wù)搶先運行,在實(shí)時(shí)系統中也是不適合的,除非關(guān)閉優(yōu)先級的時(shí)間特別短.

3. 信號量(Semaphore): 信號量是解決互斥和同步協(xié)調進(jìn)程最好的方法

    當一個(gè)Semaphore創(chuàng )建時(shí),指定了任務(wù)隊列的種類(lèi)
semBCreat( SEM_Q_PRIORITY, SEM_FULL), SEM_Q_PRIORITY 指明處于等待狀態(tài)的任務(wù)在等待隊列中以?xún)?yōu)先級的順序排列
semBCreat(SEM_Q_FIFO,SEM_FULL), SEM_Q_FIFO指明 處于等待狀態(tài)的任務(wù)在等待隊列中以先進(jìn)先出的順序排列
當一個(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(lái)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 */
...
}
函數介紹:

semTake(semID,time out)--------有Semaphore空閑,就Take, 如果沒(méi)有,由time out 定,超時(shí)則向下執行

優(yōu)先級反轉(Priority Inversion)

    優(yōu)先級反轉是指一個(gè)任務(wù)等待比它優(yōu)先級低的任務(wù)釋放資源而被阻塞，如果這時(shí)有中等優(yōu)先級的就緒任務(wù)，阻塞會(huì )進(jìn)一步惡化。優(yōu)先級繼承技術(shù)可用來(lái)解決優(yōu)先級反轉問(wèn)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(lái)解決優(yōu)先級反轉問(wèn)題。當優(yōu)先級反轉發(fā)生時(shí)，優(yōu)先級較低的任務(wù)被暫時(shí)地提高它的優(yōu)先級，使得該任務(wù)能盡快執行，釋放出優(yōu)先級較高的任務(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).