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VxWorks下實時多任務程序的實現(xiàn)

作者:微計算機信息 時間:2008-08-28 來源:李洪亮 侯朝楨 周紹生 收藏

摘要:本文介紹了VxWorks操作系統(tǒng)的技術特點,給出了一種VxWorks操作系統(tǒng)下實現(xiàn)實時多任務程序的一種方法,并利用軟件邏輯分析儀WindView對程序運行結果進行了分析。

關鍵詞:嵌入式實時操作系統(tǒng);信號量;中斷服務程序

  1  引言

  隨著信息技術的快速發(fā)展和應用,計算機的發(fā)展正顯示出微型化和專業(yè)化的趨勢。目前,嵌入式系統(tǒng)已得到廣泛應用,實時系統(tǒng)在各高精尖技術領域得到迅猛發(fā)展,具有實時操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)也得到了廣泛的應用。實時操作系統(tǒng)是嵌入式應用軟件的基礎和開發(fā)平臺,它不同于分時操作系統(tǒng),它的主要任務是對事件進行實時的處理。雖然事件可能在無法預知的時刻到達,但是軟件必須在事件發(fā)生時在嚴格的時限內做出響應。在實時操作系統(tǒng)下設計實時多任務程序是實現(xiàn)實時系統(tǒng)的重要一環(huán),本文介紹了VxWorks操作系統(tǒng)的技術特點,給出了一種在VxWorks操作系統(tǒng)下實時多任務程序的設計方法,經過仿真,驗證了這種設計方法的可行性和有效性。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/87488.htm

  2  VxWorks操作系統(tǒng)簡介

  Vxworks就是一個由WRS公司推出的嵌入式實時操作系統(tǒng),具有多任務、可裁減、可靠性好、實時性高等特點, 是業(yè)界公認的性能出色的一種實時操作系統(tǒng)。VxWorks實時操作系統(tǒng)由400多個相對獨立的、短小精煉的目標模塊組成,用戶可根據(jù)需要選擇適當模塊來裁剪和配置系統(tǒng),這有效地保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。系統(tǒng)的鏈接器可按應用的需要自動鏈接一些目標模塊。這樣,通過目標模塊之間的按需組合,可得到許多滿足功能需求的應用。VxWorks操作系統(tǒng)的基本構成模塊主要包括以下部分:高效的實時內核Wind、兼容實時系統(tǒng)標準POSIX、I/O系統(tǒng)、本機文件系統(tǒng)、文件I/O系統(tǒng)、網絡特性、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、工具庫、性能優(yōu)化、目標代理、板級支持包、VxWorks仿真器(VxSim)。

  VxWorks中與構建實時多任務系統(tǒng)有關的內容如下:

  1)wind內核任務調度策略

  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。這種調度方法為每個任務指定不同的優(yōu)先級。沒有處于阻塞或懸置態(tài)的最高優(yōu)先級任務將一直運行下去。當更高優(yōu)先級的任務由就緒態(tài)進入運行時,系統(tǒng)內核立即保存當前任務的上下文,切換到更高優(yōu)先級的任務。而輪轉調度法分配給處于就緒態(tài)的每個同優(yōu)先級的任務一個相同的執(zhí)行時間片。

  2)信號量

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

  a.  二進制信號量:二進制信號量(Binary)能夠滿足任務間的互斥和同步,需要的系統(tǒng)開銷最小。當一個任務調用semTake()請求一個信號量時,如果此時信號量可用,信號量會被清零,并且任務立即繼續(xù)執(zhí)行;如果信號量不可用,任務會被阻塞來等待信號量。

  b.  互斥:互斥信號量(Mutex)用來實現(xiàn)對共享資源的保護,當兩個以上的任務共享同一塊內存緩沖區(qū)或同一個I/O設備之類的資源時,可能會發(fā)生競爭狀態(tài)?;コ庑盘柫靠梢酝ㄟ^對共享資源上鎖,實現(xiàn)高效的互斥訪問。

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

  3) 中斷服務程序

  VxWorks的所有中斷服務程序使用同一中斷堆棧,它在系統(tǒng)啟動時就已根據(jù)具體的配置參數(shù)進行了分配和初始化,因此,必須保證它的大小,以使它能滿足最壞的多中斷情況。為了快速響應中斷,中斷服務程序ISR運行在特定的空間,不同于其它任何任務,中斷處理沒有任務的上下文切換。中斷也有缺陷:ISR不運行在常規(guī)的任務上下文,它沒有任務控制塊。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(shù)。

  3  實時多任務程序設計

  在一個實時系統(tǒng)中,中斷處理是至關重要的,系統(tǒng)通過中斷機制響應外部事件,并對外部事件作出處理,系統(tǒng)對中斷的響應速度和中斷服務程序的處理速度直接反映了實時系統(tǒng)的性能。VxWorks提供函數(shù)intconnect(),它允許將指定的C函數(shù)與任何中斷相聯(lián)系。這個指定的C函數(shù)就是這個中斷的中斷服務程序, 中斷服務程序必須盡快結束,以免阻塞低優(yōu)先級的中斷,它不同于普通的任務模塊,必須滿足特殊的要求就是不許阻塞。為了既保證中斷服務程序盡快結束而且又避免ISR在調用函數(shù)時受到約束,這時可以使用信號量來將中斷與任務相聯(lián)系,用任務來完成IRS的功能,建立實時多任務系統(tǒng)。
 具體的做法為,先利用函數(shù)taskSpamn()來創(chuàng)建多個任務,建立多任務環(huán)境,與中斷相聯(lián)系的任務處于高優(yōu)先級,利用semTake(semID)使該任務等待信號量而處于阻塞狀態(tài),只有當相應的中斷到來時,中斷服務程序執(zhí)行semGive(semID)給出信號量,任務得到相應的信號量而執(zhí)行。任務間通信利用互斥信號量實現(xiàn)內存共享。

  下面以一個數(shù)據(jù)采集的程序實例來說明這種實時多任務程序的設計方法。
 對于一個需要定周期采樣并且還要等待外部數(shù)據(jù)準備好后,讀入數(shù)據(jù)并與采樣數(shù)據(jù)融合的系統(tǒng),我們進行了如下設計,系統(tǒng)劃分為三個任務,按優(yōu)先級高低排列的任務為:

  a. 采樣與數(shù)字濾波(tsample); 

  b. 讀入數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理(tdataprocess); 

  c. 系統(tǒng)監(jiān)控(tmonitor)。

  其中,tsample和tdataprocess通過信號量分別與定時中斷和外部數(shù)據(jù)準備好中斷相聯(lián)系,它們之間的通信利用互斥信號量實現(xiàn)內存共享。當沒有中斷到來時,任務得不到信號量而處于阻塞狀態(tài),執(zhí)行tmonitor;當中斷到來時,中斷服務程序產生信號量,相應的高優(yōu)先級任務得到信號量而搶先執(zhí)行,當高優(yōu)先級的任務執(zhí)行完后再執(zhí)行低優(yōu)先級任務。程序如下:

  1)主程序創(chuàng)建三個任務和兩個中斷連接。

  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) 中斷服務程序只產生相應的信號量。

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

  3)高優(yōu)先級任務等待信號量而處于阻塞狀態(tài),要取得相應的中斷服務程序發(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顯示的運行過程是,任務tmonitor執(zhí)行'中斷intruppt'中斷服務程序給出信號量semGive(sampleSemID)'中斷tint'中斷服務程序給出信號量semGive(dataprocessSemID)'任務tsample得到信號量semTake(sampleSemID)'任務tsample執(zhí)行完后退出'任務dateprocess得到信號量semTake(dataprocessSemID)'任務tdataprocess執(zhí)行完后退出'任務tmonitor繼續(xù)執(zhí)行。

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

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

  4  結束語

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

  參考文獻:

  [1]  Vxworks Programmer's Guide 5.5 Edition [Z] . USA:WindRiver System Inc,2003.
  [2]  Tornado User's Guide [Z]. USA:WindRiver System Inc,2003.
  [3]  WindView User's Reference[Z]. USA:WindRiver System Inc,2003.
  [4]  陳智育,溫彥軍,陳 琪. VxWorks 程序開發(fā)實踐[ M]. 北京:人民郵電出版社,2004.
  [5]  張林,王芙蓉.VxWorks嵌入式實時系統(tǒng)任務間機制的研究[J].微型機與應用,2005(3):11-13.
  [6]  趙佑春. VxWorks實時操作系統(tǒng)中信號量用于多任務同步與互斥的討論[J].微計算機信息,2004,20(3):78-80

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



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