VxWorks下實(shí)時(shí)多任務(wù)程序的實(shí)現

摘要：本文介紹了VxWorks操作系統的技術(shù)特點(diǎn)，給出了一種VxWorks操作系統下實(shí)現實(shí)時(shí)多任務(wù)程序的一種方法，并利用軟件邏輯分析儀WindView對程序運行結果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞:嵌入式實(shí)時(shí)操作系統;信號量;中斷服務(wù)程序

　　1  引言

　　隨著(zhù)信息技術(shù)的快速發(fā)展和應用，計算機的發(fā)展正顯示出微型化和專(zhuān)業(yè)化的趨勢。目前，嵌入式系統已得到廣泛應用，實(shí)時(shí)系統在各高精尖技術(shù)領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展,具有實(shí)時(shí)操作系統的計算機系統也得到了廣泛的應用。實(shí)時(shí)操作系統是嵌入式應用軟件的基礎和開(kāi)發(fā)平臺,它不同于分時(shí)操作系統,它的主要任務(wù)是對事件進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理。雖然事件可能在無(wú)法預知的時(shí)刻到達,但是軟件必須在事件發(fā)生時(shí)在嚴格的時(shí)限內做出響應。在實(shí)時(shí)操作系統下設計實(shí)時(shí)多任務(wù)程序是實(shí)現實(shí)時(shí)系統的重要一環(huán)，本文介紹了VxWorks操作系統的技術(shù)特點(diǎn)，給出了一種在VxWorks操作系統下實(shí)時(shí)多任務(wù)程序的設計方法，經(jīng)過(guò)仿真，驗證了這種設計方法的可行性和有效性。

　　2  VxWorks操作系統簡(jiǎn)介

　　Vxworks就是一個(gè)由WRS公司推出的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統,具有多任務(wù)、可裁減、可靠性好、實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn), 是業(yè)界公認的性能出色的一種實(shí)時(shí)操作系統。VxWorks實(shí)時(shí)操作系統由400多個(gè)相對獨立的、短小精煉的目標模塊組成，用戶(hù)可根據需要選擇適當模塊來(lái)裁剪和配置系統，這有效地保證了系統的安全性和可靠性。系統的鏈接器可按應用的需要自動(dòng)鏈接一些目標模塊。這樣，通過(guò)目標模塊之間的按需組合，可得到許多滿(mǎn)足功能需求的應用。VxWorks操作系統的基本構成模塊主要包括以下部分：高效的實(shí)時(shí)內核Wind、兼容實(shí)時(shí)系統標準POSIX、I/O系統、本機文件系統、文件I/O系統、網(wǎng)絡(luò )特性、虛擬內存（可選單元VxVMI）、共享內存（可選單元VxMP）、駐留目標工具、Wind基類(lèi)、工具庫、性能優(yōu)化、目標代理、板級支持包、VxWorks仿真器（VxSim）。

　　VxWorks中與構建實(shí)時(shí)多任務(wù)系統有關(guān)的內容如下：

　　1）wind內核任務(wù)調度策略

　　Wind內核采用基于優(yōu)先級的搶占式調度法作為它的缺省策略，同時(shí)它也提供了輪轉調度法。

　　基于優(yōu)先級的搶占式調度，具有很多優(yōu)點(diǎn)。這種調度方法為每個(gè)任務(wù)指定不同的優(yōu)先級。沒(méi)有處于阻塞或懸置態(tài)的最高優(yōu)先級任務(wù)將一直運行下去。當更高優(yōu)先級的任務(wù)由就緒態(tài)進(jìn)入運行時(shí)，系統內核立即保存當前任務(wù)的上下文，切換到更高優(yōu)先級的任務(wù)。而輪轉調度法分配給處于就緒態(tài)的每個(gè)同優(yōu)先級的任務(wù)一個(gè)相同的執行時(shí)間片。

　　2）信號量

　　VxWorks信號量是提供任務(wù)間通信、同步和互斥的最優(yōu)選擇,也是提供任務(wù)間同步和互斥的主要手段。VxWorks 提供3 種信號量來(lái)解決不同的問(wèn)題。

　　a.  二進(jìn)制信號量：二進(jìn)制信號量（Binary）能夠滿(mǎn)足任務(wù)間的互斥和同步,需要的系統開(kāi)銷(xiāo)最小。當一個(gè)任務(wù)調用semTake()請求一個(gè)信號量時(shí),如果此時(shí)信號量可用,信號量會(huì )被清零,并且任務(wù)立即繼續執行；如果信號量不可用,任務(wù)會(huì )被阻塞來(lái)等待信號量。

　　b.  互斥：互斥信號量（Mutex）用來(lái)實(shí)現對共享資源的保護，當兩個(gè)以上的任務(wù)共享同一塊內存緩沖區或同一個(gè)I/O設備之類(lèi)的資源時(shí),可能會(huì )發(fā)生競爭狀態(tài)?；コ庑盘柫靠梢酝ㄟ^(guò)對共享資源上鎖,實(shí)現高效的互斥訪(fǎng)問(wèn)。

　　c.  計數器信號量：計數器信號量（Count）是實(shí)現任務(wù)同步和互斥的另一種手段。計數器信號量除了像二進(jìn)制信號量那樣工作外,還保持對信號量釋放次數的跟蹤。

　　3) 中斷服務(wù)程序

　　VxWorks的所有中斷服務(wù)程序使用同一中斷堆棧，它在系統啟動(dòng)時(shí)就已根據具體的配置參數進(jìn)行了分配和初始化，因此，必須保證它的大小，以使它能滿(mǎn)足最壞的多中斷情況。為了快速響應中斷，中斷服務(wù)程序ISR運行在特定的空間，不同于其它任何任務(wù)，中斷處理沒(méi)有任務(wù)的上下文切換。中斷也有缺陷：ISR不運行在常規的任務(wù)上下文，它沒(méi)有任務(wù)控制塊。對于ISR的基本約束就是它們不能激活那些可能使調用程序阻塞的函數。

　　3  實(shí)時(shí)多任務(wù)程序設計

　　在一個(gè)實(shí)時(shí)系統中,中斷處理是至關(guān)重要的，系統通過(guò)中斷機制響應外部事件,并對外部事件作出處理,系統對中斷的響應速度和中斷服務(wù)程序的處理速度直接反映了實(shí)時(shí)系統的性能。VxWorks提供函數intconnect(),它允許將指定的Ｃ函數與任何中斷相聯(lián)系。這個(gè)指定的Ｃ函數就是這個(gè)中斷的中斷服務(wù)程序, 中斷服務(wù)程序必須盡快結束,以免阻塞低優(yōu)先級的中斷,它不同于普通的任務(wù)模塊,必須滿(mǎn)足特殊的要求就是不許阻塞。為了既保證中斷服務(wù)程序盡快結束而且又避免ISR在調用函數時(shí)受到約束，這時(shí)可以使用信號量來(lái)將中斷與任務(wù)相聯(lián)系，用任務(wù)來(lái)完成IRS的功能，建立實(shí)時(shí)多任務(wù)系統。
 具體的做法為，先利用函數taskSpamn()來(lái)創(chuàng )建多個(gè)任務(wù)，建立多任務(wù)環(huán)境，與中斷相聯(lián)系的任務(wù)處于高優(yōu)先級，利用semTake(semID)使該任務(wù)等待信號量而處于阻塞狀態(tài)，只有當相應的中斷到來(lái)時(shí)，中斷服務(wù)程序執行semGive(semID)給出信號量，任務(wù)得到相應的信號量而執行。任務(wù)間通信利用互斥信號量實(shí)現內存共享。

　　下面以一個(gè)數據采集的程序實(shí)例來(lái)說(shuō)明這種實(shí)時(shí)多任務(wù)程序的設計方法。
 對于一個(gè)需要定周期采樣并且還要等待外部數據準備好后，讀入數據并與采樣數據融合的系統，我們進(jìn)行了如下設計，系統劃分為三個(gè)任務(wù)，按優(yōu)先級高低排列的任務(wù)為：

　　a. 采樣與數字濾波（tsample）; 

　　b. 讀入數據與數據處理（tdataprocess）; 

　　c. 系統監控（tmonitor）。

　　其中，tsample和tdataprocess通過(guò)信號量分別與定時(shí)中斷和外部數據準備好中斷相聯(lián)系，它們之間的通信利用互斥信號量實(shí)現內存共享。當沒(méi)有中斷到來(lái)時(shí)，任務(wù)得不到信號量而處于阻塞狀態(tài)，執行tmonitor；當中斷到來(lái)時(shí)，中斷服務(wù)程序產(chǎn)生信號量，相應的高優(yōu)先級任務(wù)得到信號量而搶先執行，當高優(yōu)先級的任務(wù)執行完后再執行低優(yōu)先級任務(wù)。程序如下：

　　1）主程序創(chuàng )建三個(gè)任務(wù)和兩個(gè)中斷連接。

　　STATUS main (void)
　　{…
　　tidsample=taskSpawn("tsample",200,0,STACK_SIZE,(FUNCPTR)sample,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0); tiddataprocess=taskSpawn("tDataprocess",210,0,STACK_SIZE,(FUNCPTR)dataprocess,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0);
　　…}

　　2) 中斷服務(wù)程序只產(chǎn)生相應的信號量。

　　void intSample(void){semGive(sampleSemID)；}
　　void intDataprocess(void){semGive(dataprocessSemID)；}

　　3)高優(yōu)先級任務(wù)等待信號量而處于阻塞狀態(tài)，要取得相應的中斷服務(wù)程序發(fā)出的信號量才能運行。

　　void sample (void)
　　{semTake(sampleSemID，WAIT_FOREVER)；
　　…}
　　void dataprocess (void)
　　{semTake(DataprocessSemID，WAIT_FOREVER)；
　　…}

　　該程序在WxSim下運行，在軟件邏輯分析儀WindView下顯示的運行結果如圖1-4。

　　其中，圖3顯示的運行過(guò)程是，任務(wù)tmonitor執行'中斷intruppt'中斷服務(wù)程序給出信號量semGive(sampleSemID)'中斷tint'中斷服務(wù)程序給出信號量semGive(dataprocessSemID)'任務(wù)tsample得到信號量semTake(sampleSemID)'任務(wù)tsample執行完后退出'任務(wù)dateprocess得到信號量semTake(dataprocessSemID)'任務(wù)tdataprocess執行完后退出'任務(wù)tmonitor繼續執行。

　　圖4顯示的運行過(guò)程是：任務(wù)tmonitor執行'中斷tint'中斷服務(wù)程序給出信號量semGive(dataprocessSemID)'任務(wù)dataprocess得到信號量semTake(dataprocessSemID)'任務(wù)tdataprocess執行'中斷intruppt'中斷服務(wù)程序給出信號量semGive(sampleSemID)'任務(wù)tsample得到信號量 semTake(sampleSemID)'任務(wù)tsample執行完后退出'任務(wù)tdataprocess繼續執行，執行完后退出' 任務(wù)tmonitor繼續執行。

　　由運行結果可以看出，與中斷對應的任務(wù)在得到信號量后沒(méi)有立即執行，當中斷服務(wù)程序返回中斷點(diǎn)后，有幾微秒的延遲（Pentium ,100M），這是由于任務(wù)切換上下文造成的，這一延遲量對于系統的實(shí)時(shí)性影響不大，是可以接受的，程序的運行結果達到了預期要求。

　　4  結束語(yǔ)

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：在VxWorks實(shí)時(shí)操作系統中，使用信號量將中斷與任務(wù)相聯(lián)系,中斷服務(wù)程序只產(chǎn)生信號量，保證了中斷服務(wù)程序盡快結束,以免阻塞低優(yōu)先級的中斷；用任務(wù)來(lái)完成中斷服務(wù)程序所需要完成的功能，避免了VxWorks對中斷服務(wù)程序的約束。在軟件邏輯分析儀WindView下看到的程序運行結果表明，該方法建立實(shí)時(shí)多任務(wù)系統是可行的。

　　參考文獻：

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　　作者簡(jiǎn)介: 李洪亮(1966- ) , 男(漢族), 博士生, 主要研究方向：嵌入式系統，智能控制。