VxWorks下基于看門狗的通用定時器設計

摘要：隨著嵌入式電子產品越來越多的應用，實時性操作系統VxWorks得到廣泛應用，而定時器正是實時性操作系統中不可或缺的重要組件。文章以VxWorks實時性操作系統中的看門狗機制為基礎，提出了～種通用性強、效率高并且使用簡單的共享看門狗定時機制。
關鍵詞：VxWroks：ISR；看門狗定時器；共享看門狗定時器；

0 引言
VxWorks是目前應用最多的嵌入式實時操作系統之一，廣泛應用于工業控制、醫療器械、通信、航空航天以及武器裝備等領域。VxWorks是32位實時嵌入式操作系統，自20世紀80年代由風河公司推出以來，其良好的實時性、對多任務的支持、體積精簡、可剪裁等優點得到眾多公司、開發者及用戶的喜愛。
在實時性要求高的應用系統中，定時器是經常被用到的重要器件。而對于VxWorks操作系統本身來說，并未提供一個通用、高效的定時器組件。文章所提出的共享看門狗定時機制就是針對這種情況實現的一種通用型定時器組件。

1 VxWorks定時的方法
1．1 使甩taskDely函數
函數原型為：STATUS taskDelay(intticks)該函數提供一種簡單的任務休眠機制，常用于需要不精確定時或延時的應用中，其定時的單位為tick，默認情況下60(ticks)為1s(利用sysClkRateSet函數可以修改系統默認的時鐘速率)。在任務中調用taskDelay函數可以在指定的ticks期間空出CPU的使用權，同時改變該任務的狀態為DELAY。由于經常受到任務調度的影響，該定時機制并不精確。
1．2 看門狗watchDog
VxWorks提供了一個看門狗定時器(watchDog timer)，它由以下四個函數維護：
wdCreate()創建并初始化一個看門狗定時器；
wdDelete()終止并刪除一個看門狗定時器；
wdStart()啟動看門狗定時器；
wdCancel()暫停當前看門狗定時器運行。
利用wdCreate函數，在任何任務中都可以創建一個看門狗定時器，經過設置的時間段后，實現指定的C函數。watchDog定時器作為系統時鐘中斷服務程序的一部分來維護。因此看門狗所定時執行的程序工作在系統中斷級別具有很高的優先級，該程序必須遵守一般ISR程序的規定，不能使用任何可能被阻塞的程序。文章所介紹的高效定時器就是在看門狗定時器的基礎上設計的。
1．3 POSIX標準的timer
VxWorks同時也提供IEEE的POSIX 1003．1b標準定時器接口。POSIX標準保證了應用程序與操作系統之間接口的簡易性，利用這些接口編程，可以使得應用程序很輕松地從一個操作系統移植到另外的操作系統。使用該定時機制，在指定時間段后，任務將向自身發送SIGNAL，該定時器是建立在時鐘和信號之上。POSIX標準的timer定時器常常用來編寫跨平臺、需要在多個操作系統下運行、易移植的程序。

2 基于看門狗定的高效定時機制
2．1 共享看門狗高效定時器
在一些基于嵌入式實時系統的項目中，經常使用定時器來實現某一時間段后執行某一段程序或函數，而往往計時長度都存在差異，定時器的使用也往往來自不同任務，既要求實時性，又要保證資源競爭的有序性。鑒于這些特點，經常采用的一個定時任務使用一個看門狗定時器的模式已不再適用，如果按照這種模式構建定時器機制，在定時任務較多的情況下，由于看門狗定時器運行在中斷級別，資源消耗就會變得很大，從而對系統的實時性產生影響。
共享看門狗定時器的定時機制可以解決這種資源嚴重浪費的現象。共享看門狗定時機制，顧名思義，就是多個定時任務通過共享同一個看門狗定時器來實現定時操作，其優點是資源消耗小、實時性好、無須產生額外的定時任務。
2．2 定時算法
共享看門狗高效定時器的基本原理是動態改變看門狗的定時任務。
如圖1所示，系統中存在A、B、C三個定時任務。首先A任務提交一個500ms的定時任務，200ms后B提交一個200ms的定時任務，再100ms后C提交一個150ms的定時任務。除此之外再無其他計時，A、B、C運行情況如圖1所示。

定時器A在時間軸50ms處向共享定時器發起定時申請，共享定時器在其維護的定時列表中加入A的時延與執行程序的函數指針，并計算出定時器下一執行時刻TA(系統運行時間加上A的定時時延)，此時由于還沒有其他定時器申請定時任務，該列表中只存在A的定時信息。當時間軸到達250ms時，定時器B發起定時申請，由于定時器A的時延為500ms，B的時延為200ms，也就是說B將在時間軸450ms處執行，比A提前了100 ms(550ms減去450ms)，此時定時列表將完成兩件事情，一是修改下一執行時刻TB為系統運行時間加上B的時延，二是針對執行時刻TA、TB對列表進行從小到大的順序排序。此時列表中B為表頭，A在B之后。同樣的道理當時間軸到達350ms時，定時器C發起定時申請，定時任務C被加入到定時列表，計算得出TC為系統運行時刻加上C的時延，然后依據TA、TB、TC重新進行排序，此時列表順序為B、C、A。當時間軸執行到450ms時，定時器B的ISR將被執行，同時B定時任務將從定時列表中刪除；同理，500ms、550m時C任務與A任務將分別從列表中刪除。此時所有定時任務執行結束，定時列表為空，共享看門狗定時器進入休眠狀態。