嵌入式操作系統VxWorks簡介

實時操作系統和分時操作系統的區別

    從操作系統能否滿足實時性要求來區分，可把操作系統分成分時操作系統和實時操作系統。

    分時操作系統按照相等的時間片調度進程*流運行，分時操作系統由調度程序自動計算進程的優先級，而不是由用戶控制進程的優先級。這樣的系統無法實時響應外部異步事件。
  
    實時操作系統能夠在限定的時間內執行完所規定的功能，并能在限定的時間內對外部的異步事件作出響應。 分時系統主要應用于科學計算和一般實時性要求不高的場合。實時性系統主要應用于過程控制、數據采集、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

    操作系統的用戶希望在一個工作穩定，可以信賴的環境中工作，所以操作系統的可靠性是用戶首先要考慮的問題。而穩定、可靠一直是VxWorks的一個突出優點。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執行完規定的功能并對外部的異步事件作出響應的能力。實時性的強弱是以完成規定功能和作出響應時間的長短來衡量的。

    VxWorks 的實時性做得非常好，其系統本身的開銷很小，進程調度、進程間通信、中斷處理等系統公用程序精練而有效，它們造成的延遲很短。VxWorks 提供的多任務機制中對任務的控制采用了優先級搶占（Preemptive Priority Scheduling）和*轉調度（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，為應用的開發留下更大的余地。

可裁減性

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

    VxWorks 由一個體積很小的內核及一些可以根據需要進行定制的系統模塊組成。VxWorks 內核最小為 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、多任務的系統特征。由于它的高度靈活性，用戶可以很容易地對這一操作系統進行定制或作適當開發，來滿足自己的實際應用需要。

對一個實時內核的要求

    一個實時操作系統內核需滿足許多特定的實時環境所提出的基本要求，這些包括：
    
    多任務：由于真實世界的事件的異步性，能夠運行許多并發進程或任務是很重要的。多任務提供了一個較好的對真實世界的匹配，因為它允許對應于許多外部事件的多線程執行。系統內核分配CPU給這些任務來獲得并發性。
        
    搶占調度：真實世界的事件具有繼承的優先級，在分配CPU的時候要注意到這些優先級?；趦炏燃壍膿屨颊{度，任務都被指定了優先級，在能夠執行的任務（沒有被掛起或正在等待資源）中，優先級最高的任務被分配CPU資源。換句話說，當一個高優先級的任務變為可執行態，它會立即搶占當前正在運行的較低優先級的任務。
        
    任務間的通訊與同步：在一個實時系統中，可能有許多任務作為一個應用的一部分執行。系統必須提供這些任務間的快速且功能強大的通信機制。內核也要提供為了有效地共享不可搶占的資源或臨界區所需的同步機制。
        
        任務與中斷之間的通信：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、優先化和減少中斷延時，我們通常希望在任務級處理相應的工作。所以需要雜任務級和中斷級之間存在通信。

系統編程方法

    實時系統主要包括:多任務調度（采用優先級搶占方式），任務間的同步和進程間通信機制.

    一個多任務環境允許實時應用程序以一套獨立任務的方式構筑，每個任務擁有獨立的執行線程和它自己的一套系統資源。進程間通信機制使得這些任務的行為同步、協調。 wind使用中斷驅動和優先級的方式。它縮短了上下文轉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，擁有它自己的上下文和堆棧。還有一些其它的任務機制可以使任務掛起、繼續、刪除、延時或改變優先級。

    另一個重要內容是:硬件中斷處理。硬件產生中斷,統治系統調用相應的中斷歷程(ISR),位是系統得到盡快的響應,ISR在它自己獨立的上下文和堆棧中運行.它的優先級高于任何任務優先級.

    中斷延遲(Interrupt Latency) 中斷延遲是指從硬件中斷發生到開始執行中斷處理程序第一條指令之間的這段時間。

    優先級驅動(Priority-Driven) 優先級驅動是指多任務系統中，當前運行任務總是具有最高優先級的就緒任務。

多任務調度
兩種方式: 優先搶占和*轉調度(Preemptive Priority,Round-Robin Scheduling).

    優先搶占(Preemptive Priority): 每一個任務都有一個優先級,系統核心保證優先級最高的任務運行于CPU.如果有任務優先級高于當前的任務優先級,系統立刻保存當前任務的上下文,切換到優先級高的上下文.

    搶占(Preemptive): 搶占是指當系統處于核心態運行時, 允許任務的重新調度。換句話說就是指正在執行的任務可以被打斷，讓另一個任務運行。搶占提高了應用對異步事件的響應性能力。操作系統內核可搶占，并不是說任務調度在任何時候都可以發生。例如當一個任務正在通過一個系統調用訪問共享數據時，重新調度和中斷都被禁止.

    任務上下文(Task Context): 任務上下文是指任務運行的環境。例如，針對x86的CPU，任務上下文可包括程序計數器、堆棧指針、通用寄存器的內容.

    上下文切換（Context Switching）: 多任務系統中，上下文切換是指CPU的控制權由運行任務轉移到另外一個就緒任務時所發生的事件，當前運行任務轉為就緒（或者掛起、刪除）狀態，另一個被選定的就緒任務成為當前任務。上下文切換包括保存當前任務的運行環境，恢復將要運行任務的運行環境。上下文的內容依賴于具體的CPU.

    *轉調度(Round-Robin Scheduling):使所有相同優先級,狀態為ready的任務公平分享CPU(分配一定的時間間隔,使個任務*流享有CPU).

    系統由256個優先級,從0到255,0為最高,255為最低. 任務在被創建時設定了優先級.也可用taskPrioritySet ( ) 來改變任務優先級.

    任務的主要狀態: READY,PEND,DELAY,SUSPEND...

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

    *轉調度 (Round-Robin): *轉調度可以擴充到優先搶占方式中,當多個任務優先級相同的情況下,*轉調度算法使任務按平等的時間片運行于CPU,共享CPU.避免一個任務長時間占用CPU,而導致其他任務不能運行.可以用 kernelTimeSlice(　) 來定義時間長度.

    taskLock()和 taskUnlock()用來取消優先搶占方式 和恢復優先搶占方式.

注意: 一個任務可以調用taskDelete()刪除另一個任務,但是如果一個當前正在運行的任務被刪除后,該任務的內存沒有釋放,而其他任務不知道,依然在等待,結果導致系統stop.用 taskSafe()和 taskUnsafe() 來保證正在運行的任務不被刪除.

用法如下:

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

任務間的同步和進程間協調
    信號量作為任務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用需求：二進制信號量、計數信號量、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，它們除了被應用在開發設計過程中外，還被廣泛地應用在VxWorks 高層應用系統中。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。

    任務間的同步和進程間協調的幾種方式:

    內存共享(Shared Memory),對簡單的數據共享而言.
    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,任務間的信息傳遞.
    套結字(Socket)和遠程調用(Remote procedure calls),相對于網絡任務間的通信.
    信號(Signals),出錯處理(Exception handling).
    互斥(Mutual Exclusion)

    互斥是用來控制多任務對共享數據進行串行訪問的同步機制。在多任務應用中，當兩個或多個任務同時訪問共享數據時，可能會造成數據破壞。互斥使它們串行地訪問數據，從而達到保護數據的目的.

解決互斥的幾種方法:

1. 關閉中斷的方法(intLock): 能解決任務和中斷ISR之間產生的互斥.

funcA ()
{ int lock = intLock();
. . critical region that cannot be interrupted .
intUnlock (lock); }
但在實時系統中采取這個辦法會影響系統對外部中斷及時響應和處理的能力.

2. 關閉系統優先級(taskLock): 關閉系統優先級,這樣在當前任務執行時,除了中斷外,不會有其他優先級高的任務來搶占CPU,影響當前程序運行.

funcA ()

{ taskLock ();

. . critical region that cannot be interrupted .

taskUnlock (); }

    這種方法阻止了高優先級的任務搶先運行,在實時系統中也是不適合的,除非關閉優先級的時間特別短.

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

    當一個Semaphore創建時,指定了任務隊列的種類
semBCreat( SEM_Q_PRIORITY, SEM_FULL), SEM_Q_PRIORITY 指明處于等待狀態的任務在等待隊列中以優先級的順序排列
semBCreat(SEM_Q_FIFO,SEM_FULL), SEM_Q_FIFO指明 處于等待狀態的任務在等待隊列中以先進先出的順序排列
當一個Semaphore創建時,指定了這個semaphore是用在解決互斥還是用來同步任務
semBCreat( SEM_Q_FIFO, SEM_FULL) , SEM_FULL 指明用于任務間互斥.
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,超時則向下執行

優先級反轉(Priority Inversion)

    優先級反轉是指一個任務等待比它優先級低的任務釋放資源而被阻塞，如果這時有中等優先級的就緒任務，阻塞會進一步惡化。優先級繼承技術可用來解決優先級反轉問題。

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

優先級繼承(Priority Inheritance)

    優先級繼承可用來解決優先級反轉問題。當優先級反轉發生時，優先級較低的任務被暫時地提高它的優先級，使得該任務能盡快執行，釋放出優先級較高的任務所需要的資源。 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).