嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks簡介

實時操作系統(tǒng)和分時操作系統(tǒng)的區(qū)別

    從操作系統(tǒng)能否滿足實時性要求來區(qū)分，可把操作系統(tǒng)分成分時操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)。

    分時操作系統(tǒng)按照相等的時間片調(diào)度進程*流運行，分時操作系統(tǒng)由調(diào)度程序自動計算進程的優(yōu)先級，而不是由用戶控制進程的優(yōu)先級。這樣的系統(tǒng)無法實時響應(yīng)外部異步事件。
  
    實時操作系統(tǒng)能夠在限定的時間內(nèi)執(zhí)行完所規(guī)定的功能，并能在限定的時間內(nèi)對外部的異步事件作出響應(yīng)。 分時系統(tǒng)主要應(yīng)用于科學(xué)計算和一般實時性要求不高的場合。實時性系統(tǒng)主要應(yīng)用于過程控制、數(shù)據(jù)采集、通信、多媒體信息處理等對時間敏感的場合。

VxWorks的特點

可靠性

    操作系統(tǒng)的用戶希望在一個工作穩(wěn)定，可以信賴的環(huán)境中工作，所以操作系統(tǒng)的可靠性是用戶首先要考慮的問題。而穩(wěn)定、可靠一直是VxWorks的一個突出優(yōu)點。自從對中國的銷售解禁以來，VxWorks以其良好的可靠性在中國贏得了越來越多的用戶。

實時性

    實時性是指能夠在限定時間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對外部的異步事件作出響應(yīng)的能力。實時性的強弱是以完成規(guī)定功能和作出響應(yīng)時間的長短來衡量的。

    VxWorks 的實時性做得非常好，其系統(tǒng)本身的開銷很小，進程調(diào)度、進程間通信、中斷處理等系統(tǒng)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(zhuǎn)調(diào)度（Round-Robin Scheduling）機制，也充分保證了可靠的實時性，使同樣的硬件配置能滿足更強的實時性要求，為應(yīng)用的開發(fā)留下更大的余地。

可裁減性

    用戶在使用操作系統(tǒng)時，并不是操作系統(tǒng)中的每一個部件都要用到。例如圖形顯示、文件系統(tǒng)以及一些設(shè)備驅(qū)動在某些嵌入系統(tǒng)中往往并不使用。

    VxWorks 由一個體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進行定制的系統(tǒng)模塊組成。VxWorks 內(nèi)核最小為 8kB，即便加上其它必要模塊，所占用的空間也很小，且不失其實時、多任務(wù)的系統(tǒng)特征。由于它的高度靈活性，用戶可以很容易地對這一操作系統(tǒng)進行定制或作適當(dāng)開發(fā)，來滿足自己的實際應(yīng)用需要。

對一個實時內(nèi)核的要求

    一個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核需滿足許多特定的實時環(huán)境所提出的基本要求，這些包括：
    
    多任務(wù)：由于真實世界的事件的異步性，能夠運行許多并發(fā)進程或任務(wù)是很重要的。多任務(wù)提供了一個較好的對真實世界的匹配，因為它允許對應(yīng)于許多外部事件的多線程執(zhí)行。系統(tǒng)內(nèi)核分配CPU給這些任務(wù)來獲得并發(fā)性。
        
    搶占調(diào)度：真實世界的事件具有繼承的優(yōu)先級，在分配CPU的時候要注意到這些優(yōu)先級。基于優(yōu)先級的搶占調(diào)度，任務(wù)都被指定了優(yōu)先級，在能夠執(zhí)行的任務(wù)（沒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。換句話說，當(dāng)一個高優(yōu)先級的任務(wù)變?yōu)榭蓤?zhí)行態(tài)，它會立即搶占當(dāng)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：在一個實時系統(tǒng)中，可能有許多任務(wù)作為一個應(yīng)用的一部分執(zhí)行。系統(tǒng)必須提供這些任務(wù)間的快速且功能強大的通信機制。內(nèi)核也要提供為了有效地共享不可搶占的資源或臨界區(qū)所需的同步機制。
        
        任務(wù)與中斷之間的通信：盡管真實世界的事件通常作為中斷方式到來，但為了提供有效的排隊、優(yōu)先化和減少中斷延時，我們通常希望在任務(wù)級處理相應(yīng)的工作。所以需要雜任務(wù)級和中斷級之間存在通信。

系統(tǒng)編程方法

    實時系統(tǒng)主要包括:多任務(wù)調(diào)度（采用優(yōu)先級搶占方式），任務(wù)間的同步和進程間通信機制.

    一個多任務(wù)環(huán)境允許實時應(yīng)用程序以一套獨立任務(wù)的方式構(gòu)筑，每個任務(wù)擁有獨立的執(zhí)行線程和它自己的一套系統(tǒng)資源。進程間通信機制使得這些任務(wù)的行為同步、協(xié)調(diào)。 wind使用中斷驅(qū)動和優(yōu)先級的方式。它縮短了上下文轉(zhuǎn)換的時間開銷和中斷的時延。在 VxWorks 中，任何例程都可以被啟動為一個單獨的任務(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(xù)、刪除、延時或改變優(yōu)先級。

    另一個重要內(nèi)容是:硬件中斷處理。硬件產(chǎn)生中斷,統(tǒng)治系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的中斷歷程(ISR),位是系統(tǒng)得到盡快的響應(yīng),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)生到開始執(zhí)行中斷處理程序第一條指令之間的這段時間。

    優(yōu)先級驅(qū)動(Priority-Driven) 優(yōu)先級驅(qū)動是指多任務(wù)系統(tǒng)中，當(dāng)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(diào)度
兩種方式: 優(yōu)先搶占和*轉(zhuǎn)調(diào)度(Preemptive Priority,Round-Robin Scheduling).

    優(yōu)先搶占(Preemptive Priority): 每一個任務(wù)都有一個優(yōu)先級,系統(tǒng)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(dāng)前的任務(wù)優(yōu)先級,系統(tǒng)立刻保存當(dāng)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(dāng)系統(tǒng)處于核心態(tài)運行時, 允許任務(wù)的重新調(diào)度。換句話說就是指正在執(zhí)行的任務(wù)可以被打斷，讓另一個任務(wù)運行。搶占提高了應(yīng)用對異步事件的響應(yīng)性能力。操作系統(tǒng)內(nèi)核可搶占，并不是說任務(wù)調(diào)度在任何時候都可以發(fā)生。例如當(dāng)一個任務(wù)正在通過一個系統(tǒng)調(diào)用訪問共享數(shù)據(jù)時，重新調(diào)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(shù)器、堆棧指針、通用寄存器的內(nèi)容.

    上下文切換（Context Switching）: 多任務(wù)系統(tǒng)中，上下文切換是指CPU的控制權(quán)由運行任務(wù)轉(zhuǎn)移到另外一個就緒任務(wù)時所發(fā)生的事件，當(dāng)前運行任務(wù)轉(zhuǎn)為就緒（或者掛起、刪除）狀態(tài)，另一個被選定的就緒任務(wù)成為當(dāng)前任務(wù)。上下文切換包括保存當(dāng)前任務(wù)的運行環(huán)境，恢復(fù)將要運行任務(wù)的運行環(huán)境。上下文的內(nèi)容依賴于具體的CPU.

    *轉(zhuǎn)調(diào)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(分配一定的時間間隔,使個任務(wù)*流享有CPU).

    系統(tǒng)由256個優(yōu)先級,從0到255,0為最高,255為最低. 任務(wù)在被創(chuàng)建時設(shè)定了優(yōu)先級.也可用taskPrioritySet ( ) 來改變?nèi)蝿?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(zhuǎn)調(diào)度 (Round-Robin): *轉(zhuǎn)調(diào)度可以擴充到優(yōu)先搶占方式中,當(dāng)多個任務(wù)優(yōu)先級相同的情況下,*轉(zhuǎn)調(diào)度算法使任務(wù)按平等的時間片運行于CPU,共享CPU.避免一個任務(wù)長時間占用CPU,而導(dǎo)致其他任務(wù)不能運行.可以用 kernelTimeSlice(　) 來定義時間長度.

    taskLock()和 taskUnlock()用來取消優(yōu)先搶占方式 和恢復(fù)優(yōu)先搶占方式.

注意: 一個任務(wù)可以調(diào)用taskDelete()刪除另一個任務(wù),但是如果一個當(dāng)前正在運行的任務(wù)被刪除后,該任務(wù)的內(nèi)存沒有釋放,而其他任務(wù)不知道,依然在等待,結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)stop.用 taskSafe()和 taskUnsafe() 來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)間的同步和進程間協(xié)調(diào)
    信號量作為任務(wù)間同步和互斥的機制。在 wind 核中有幾種類型的信號量，它們分別針對不同的應(yīng)用需求：二進制信號量、計數(shù)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(yīng)用在開發(fā)設(shè)計過程中外，還被廣泛地應(yīng)用在VxWorks 高層應(yīng)用系統(tǒng)中。對于進程間通信，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)間的同步和進程間協(xié)調(diào)的幾種方式:

    內(nèi)存共享(Shared Memory),對簡單的數(shù)據(jù)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CPU中,任務(wù)間的信息傳遞.
    套結(jié)字(Socket)和遠程調(diào)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)

    互斥是用來控制多任務(wù)對共享數(shù)據(jù)進行串行訪問的同步機制。在多任務(wù)應(yīng)用中，當(dāng)兩個或多個任務(wù)同時訪問共享數(shù)據(jù)時，可能會造成數(shù)據(jù)破壞?；コ馐顾鼈兇械卦L問數(shù)據(jù)，從而達到保護數(shù)據(jù)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); }
但在實時系統(tǒng)中采取這個辦法會影響系統(tǒng)對外部中斷及時響應(yīng)和處理的能力.

2. 關(guān)閉系統(tǒng)優(yōu)先級(taskLock): 關(guān)閉系統(tǒng)優(yōu)先級,這樣在當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行時,除了中斷外,不會有其他優(yōu)先級高的任務(wù)來搶占CPU,影響當(dāng)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,在實時系統(tǒng)中也是不適合的,除非關(guān)閉優(yōu)先級的時間特別短.

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

    當(dāng)一個Semaphore創(chuàng)建時,指定了任務(wù)隊列的種類
semBCreat( SEM_Q_PRIORITY, SEM_FULL), SEM_Q_PRIORITY 指明處于等待狀態(tài)的任務(wù)在等待隊列中以優(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先出的順序排列
當(dāng)一個Semaphore創(chuàng)建時,指定了這個semaphore是用在解決互斥還是用來同步任務(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(shù)介紹:

semTake(semID,time out)--------有Semaphore空閑,就Take, 如果沒有,由time out 定,超時則向下執(zhí)行

優(yōu)先級反轉(zhuǎn)(Priority Inversion)

    優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是指一個任務(wù)等待比它優(yōu)先級低的任務(wù)釋放資源而被阻塞，如果這時有中等優(yōu)先級的就緒任務(wù)，阻塞會進一步惡化。優(yōu)先級繼承技術(shù)可用來解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。

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)先級繼承可用來解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。當(dāng)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)發(fā)生時，優(yōu)先級較低的任務(wù)被暫時地提高它的優(yōu)先級，使得該任務(wù)能盡快執(zhí)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).