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嵌入式操作系统VxWorks简介

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作者:时间:2006-12-19来源:收藏
操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种实时操作系统(RTOS),是开发环境的关键组成部分。良好的持续能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境,在实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中,如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在美国的 F-16、FA-18 战斗机、B-2 隐形轰炸机和爱国者导弹上,甚至连1997年在火星表面登陆的火星探测器上也使用到了。  


实时操作系统和分时操作系统的区别

    从操作系统能否满足实时性要求来区分,可把操作系统分成分时操作系统和实时操作系统。

    分时操作系统按照相等的时间片调度进程*流运行,分时操作系统由调度程序自动计算进程的优先级,而不是由用户控制进程的优先级。这样的系统无法实时响应外部异步事件。
  
    实时操作系统能够在限定的时间内执行完所规定的功能,并能在限定的时间内对外部的异步事件作出响应。 分时系统主要应用于科学计算和一般实时性要求不高的场合。实时性系统主要应用于过程控制、数据采集、通信、多媒体信息处理等对时间敏感的场合。


的特点

可靠性

    操作系统的用户希望在一个工作稳定,可以信赖的环境中工作,所以操作系统的可靠性是用户首先要考虑的问题。而稳定、可靠一直是VxWorks的一个突出优点。自从对中国的销售解禁以来,VxWorks以其良好的可靠性在中国赢得了越来越多的用户。

实时性

    实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件作出响应的能力。实时性的强弱是以完成规定功能和作出响应时间的长短来衡量的。

    VxWorks 的实时性做得非常好,其系统本身的开销很小,进程调度、进程间通信、中断处理等系统公用程序精练而有效,它们造成的延迟很短。VxWorks 提供的多任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占(Preemptive Priority Scheduling)和*转调度(Round-Robin Scheduling)机制,也充分保证了可靠的实时性,使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求,为应用的开发留下更大的余地。

可裁减性

    用户在使用操作系统时,并不是操作系统中的每一个部件都要用到。例如图形显示、文件系统以及一些设备驱动在某些嵌入系统中往往并不使用。

    VxWorks 由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。VxWorks 内核最小为 8kB,即便加上其它必要模块,所占用的空间也很小,且不失其实时、多任务的系统特征。由于它的高度灵活性,用户可以很容易地对这一操作系统进行定制或作适当开发,来满足自己的实际应用需要。

对一个实时内核的要求

    一个实时操作系统内核需满足许多特定的实时环境所提出的基本要求,这些包括:
    
    多任务:由于真实世界的事件的异步性,能够运行许多并发进程或任务是很重要的。多任务提供了一个较好的对真实世界的匹配,因为它允许对应于许多外部事件的多线程执行。系统内核分配CPU给这些任务来获得并发性。
        
    抢占调度:真实世界的事件具有继承的优先级,在分配CPU的时候要注意到这些优先级。基于优先级的抢占调度,任务都被指定了优先级,在能够执行的任务(没有被挂起或正在等待资源)中,优先级最高的任务被分配CPU资源。换句话说,当一个高优先级的任务变为可执行态,它会立即抢占当前正在运行的较低优先级的任务。
        
    任务间的通讯与同步:在一个实时系统中,可能有许多任务作为一个应用的一部分执行。系统必须提供这些任务间的快速且功能强大的通信机制。内核也要提供为了有效地共享不可抢占的资源或临界区所需的同步机制。
        
        任务与中断之间的通信:尽管真实世界的事件通常作为中断方式到来,但为了提供有效的排队、优先化和减少中断延时,我们通常希望在任务级处理相应的工作。所以需要杂任务级和中断级之间存在通信。


系统编程方法

    实时系统主要包括:多任务调度(采用优先级抢占方式),任务间的同步和进程间通信机制.

    一个多任务环境允许实时应用程序以一套独立任务的方式构筑,每个任务拥有独立的执行线程和它自己的一套系统资源。进程间通信机制使得这些任务的行为同步、协调。 wind使用中断驱动和优先级的方式。它缩短了上下文转换的时间开销和中断的时延。在 VxWorks 中,任何例程都可以被启动为一个单独的任务,拥有它自己的上下文和堆栈。还有一些其它的任务机制可以使任务挂起、继续、删除、延时或改变优先级。

    另一个重要内容是:硬件中断处理。硬件产生中断,统治系统调用相应的中断历程(ISR),位是系统得到尽快的响应,ISR在它自己独立的上下文和堆栈中运行.它的优先级高于任何任务优先级.

    中断延迟(Interrupt Latency) 中断延迟是指从硬件中断发生到开始执行中断处理程序第一条指令之间的这段时间。

    优先级驱动(Priority-Driven) 优先级驱动是指多任务系统中,当前运行任务总是具有最高优先级的就绪任务。

多任务调度
两种方式: 优先抢占和*转调度(Preemptive Priority,Round-Robin Scheduling).

    优先抢占(Preemptive Priority): 每一个任务都有一个优先级,系统核心保证优先级最高的任务运行于CPU.如果有任务优先级高于当前的任务优先级,系统立刻保存当前任务的上下文,切换到优先级高的上下文.

    抢占(Preemptive): 抢占是指当系统处于核心态运行时, 允许任务的重新调度。换句话说就是指正在执行的任务可以被打断,让另一个任务运行。抢占提高了应用对异步事件的响应性能力。操作系统内核可抢占,并不是说任务调度在任何时候都可以发生。例如当一个任务正在通过一个系统调用访问共享数据时,重新调度和中断都被禁止.

    任务上下文(Task Context): 任务上下文是指任务运行的环境。例如,针对x86的CPU,任务上下文可包括程序计数器、堆栈指针、通用寄存器的内容.

    上下文切换(Context Switching): 多任务系统中,上下文切换是指CPU的控制权由运行任务转移到另外一个就绪任务时所发生的事件,当前运行任务转为就绪(或者挂起、删除)状态,另一个被选定的就绪任务成为当前任务。上下文切换包括保存当前任务的运行环境,恢复将要运行任务的运行环境。上下文的内容依赖于具体的CPU.

    *转调度(Round-Robin Scheduling):使所有相同优先级,状态为ready的任务公平分享CPU(分配一定的时间间隔,使个任务*流享有CPU).

    系统由256个优先级,从0到255,0为最高,255为最低. 任务在被创建时设定了优先级.也可用taskPrioritySet ( ) 来改变任务优先级.

    任务的主要状态: READY,PEND,DELAY,SUSPEND...

ready-------->pended -----------semTake()/msgQReceive()-其他任务
ready-------->delayed-----------taskDelay()
ready-------->suspended---------taskSuspend()
pended------->ready-------------semaGive()/msgQSend()-其他任务
pended------->suspended---------taskSuspend()
delayed------>ready-------------expired delay
delayed------>suspended---------taskSuspend()
suspended---->ready-------------taskResume()/taskActivate()
suspended---->pended------------taskResume()
suspended---->delayed-----------taskResume()
 

    *转调度 (Round-Robin): *转调度可以扩充到优先抢占方式中,当多个任务优先级相同的情况下,*转调度算法使任务按平等的时间片运行于CPU,共享CPU.避免一个任务长时间占用CPU,而导致其他任务不能运行.可以用 kernelTimeSlice( ) 来定义时间长度.

    taskLock()和 taskUnlock()用来取消优先抢占方式 和恢复优先抢占方式.

注意: 一个任务可以调用taskDelete()删除另一个任务,但是如果一个当前正在运行的任务被删除后,该任务的内存没有释放,而其他任务不知道,依然在等待,结果导致系统stop.用 taskSafe()和 taskUnsafe() 来保证正在运行的任务不被删除.

用法如下:

taskSafe ();
semTake (semId, WAIT_FOREVER);
/* Block until semaphore **ailable */
. . . . critical region .
semGive (semId); semGive (semId);  
/* Release semaphore */
taskUnsafe ();


任务间的同步和进程间协调
    信号量作为任务间同步和互斥的机制。在 wind 核中有几种类型的信号量,它们分别针对不同的应用需求:二进制信号量、计数信号量、互斥信号量和 POSIX 信号量。所有的这些信号量是快速和高效的,它们除了被应用在开发设计过程中外,还被广泛地应用在VxWorks 高层应用系统中。对于进程间通信,wind 核也提供了诸如消息队列、管道、套接字和信号等机制。

    任务间的同步和进程间协调的几种方式:

    内存共享(Shared Memory),对简单的数据共享而言.
    信号量(Semaphore),基本的互斥和同步.
    消息队列(Message queues)和管道(Pipe),单个CPU中,任务间的信息传递.
    套结字(Socket)和远程调用(Remote procedure calls),相对于网络任务间的通信.
    信号(Signals),出错处理(Exception handling).
    互斥(Mutual Exclusion)

    互斥是用来控制多任务对共享数据进行串行访问的同步机制。在多任务应用中,当两个或多个任务同时访问共享数据时,可能会造成数据破坏。互斥使它们串行地访问数据,从而达到保护数据的目的.

解决互斥的几种方法:

1. 关闭中断的方法(intLock): 能解决任务和中断ISR之间产生的互斥.

funcA ()
{ int lock = intLock();
. . critical region that cannot be interrupted .
intUnlock (lock); }
但在实时系统中采取这个办法会影响系统对外部中断及时响应和处理的能力.

2. 关闭系统优先级(taskLock): 关闭系统优先级,这样在当前任务执行时,除了中断外,不会有其他优先级高的任务来抢占CPU,影响当前程序运行.

funcA ()

{ taskLock ();

. . critical region that cannot be interrupted .

taskUnlock (); }

    这种方法阻止了高优先级的任务抢先运行,在实时系统中也是不适合的,除非关闭优先级的时间特别短.

3. 信号量(Semaphore): 信号量是解决互斥和同步协调进程最好的方法

    当一个Semaphore创建时,指定了任务队列的种类
semBCreat( SEM_Q_PRIORITY, SEM_FULL), SEM_Q_PRIORITY 指明处于等待状态的任务在等待队列中以优先级的顺序排列
semBCreat(SEM_Q_FIFO,SEM_FULL), SEM_Q_FIFO指明 处于等待状态的任务在等待队列中以先进先出的顺序排列
当一个Semaphore创建时,指定了这个semaphore是用在解决互斥还是用来同步任务
semBCreat( SEM_Q_FIFO, SEM_FULL) , SEM_FULL 指明用于任务间互斥.
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 指明用于任务间同步.
/* 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 semaphore\n");
...
/* process event */
}
eventInterruptSvcRout (void)
{ ...
semGive (syncSem);
/* let task 1 process event */
...
}
函数介绍:

semTake(semID,time out)--------有Semaphore空闲,就Take, 如果没有,由time out 定,超时则向下执行

优先级反转(Priority Inversion)

    优先级反转是指一个任务等待比它优先级低的任务释放资源而被阻塞,如果这时有中等优先级的就绪任务,阻塞会进一步恶化。优先级继承技术可用来解决优先级反转问题。

 

Priority inversion arises when a higher-priority task is forced to wait an indefinite period of time for a lower-priority task to complete.

优先级继承(Priority Inheritance)

    优先级继承可用来解决优先级反转问题。当优先级反转发生时,优先级较低的任务被暂时地提高它的优先级,使得该任务能尽快执行,释放出优先级较高的任务所需要的资源。 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).

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关键词: VxWorks 嵌入式

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