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-- 發布時間：2010-12-1 11:25:07
-- VxWorks下實時多任務程序的實現
隨著信息技術的快速發展和應用，計算機的發展正顯示出微型化和專業化的趨勢。目前，嵌入式系統已得到廣泛應用，實時系統在各高精尖技術領域得到迅猛發展,具有實時操作系統的計算機系統也得到了廣泛的應用。實時操作系統是嵌入式應用軟件的基礎和開發平臺,它不同于分時操作系統,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生時在嚴格的時限內做出響應。在實時操作系統下設計實時多任務程序是實現實時系統的重要一環，本文介紹了VxWorks操作系統的技術特點，給出了一種在VxWorks操作系統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。
2 VxWorks操作系統簡介
Vxworks就是一個由WRS公司推出的嵌入式實時操作系統,具有多任務、可裁減、可靠性好、實時性高等特點, 是業界公認的性能出色的一種實時操作系統。VxWorks實時操作系統由400多個相對獨立的、短小精煉的目標模塊組成，用戶可根據需要選擇適當模塊來裁剪和配置系統，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、兼容實時系統標準POSIX、I/O系統、本機文件系統、文件I/O系統、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。
基于優先級的搶占式調度，具有很多優點。這種調度方法為每個任務指定不同的優先級。沒有處于阻塞或懸置態的最高優先級任務將一直運行下去。當更高優先級的任務由就緒態進入運行時，系統內核立即保存當前任務的上下文，切換到更高優先級的任務。而輪轉調度法分配給處于就緒態的每個同優先級的任務一個相同的執行時間片。
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,并且任務立即繼續執行；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或同一個I/O設備之類的資源時,可能會發生競爭狀態。互斥信號量可以通過對共享資源上鎖,實現高效的互斥訪問。
c. 計數器信號量：計數器信號量（Count）是實現任務同步和互斥的另一種手段。計數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，它在系統啟動時就已根據具體的配置參數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。
3 實時多任務程序設計
在一個實時系統中,中斷處理是至關重要的，系統通過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程序的處理速度直接反映了實時系統的性能。VxWorks提供函數intconnect(),它允許將指定的Ｃ函數與任何中斷相聯系。這個指定的Ｃ函數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在調用函數時受到約束，這時可以使用信號量來將中斷與任務相聯系，用任務來完成IRS的功能，建立實時多任務系統。
具體的做法為，先利用函數taskSpamn()來創建多個任務，建立多任務環境，與中斷相聯系的任務處于高優先級，利用semTake(semID)使該任務等待信號量而處于阻塞狀態，只有當相應的中斷到來時，中斷服務程序執行semGive(semID)給出信號量，任務得到相應的信號量而執行。任務間通信利用互斥信號量實現內存共享。
下面以一個數據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據準備好后，讀入數據并與采樣數據融合的系統，我們進行了如下設計，系統劃分為三個任務，按優先級高低排列的任務為：
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通過信號量分別與定時中斷和外部數據準備好中斷相聯系，它們之間的通信利用互斥信號量實現內存共享。當沒有中斷到來時，任務得不到信號量而處于阻塞狀態，執行tmonitor；當中斷到來時，中斷服務程序產生信號量，相應的高優先級任務得到信號量而搶先執行，當高優先級的任務執行完后再執行低優先級任務。程序如下：
1）主程序創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)高優先級任務等待信號量而處于阻塞狀態，要取得相應的中斷服務程序發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。
圖 3 圖 4
其中，圖3顯示的運行過程是，任務tmonitor執行à中斷intrupptà中斷服務程序給出信號量semGive(sampleSemID)à中斷tintà中斷服務程序給出信號量semGive(dataprocessSemID)à任務tsample得到信號量semTake(sampleSemID)à任務tsample執行完后退出à任務dateprocess得到信號量semTake(dataprocessSemID)à任務tdataprocess執行完后退出à任務tmonitor繼續執行。
圖4顯示的運行過程是：任務tmonitor執行à中斷tintà中斷服務程序給出信號量semGive(dataprocessSemID)à任務dataprocess得到信號量semTake(dataprocessSemID)à任務tdataprocess執行à中斷intrupptà中斷服務程序給出信號量semGive(sampleSemID)à任務tsample得到信號量 semTake(sampleSemID)à任務tsample執行完后退出à任務tdataprocess繼續執行，執行完后退出à 任務tmonitor繼續執行。
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
本文作者創新點：在VxWorks實時操作系統中，使用信號量將中斷與任務相聯系,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是可行的