《基于VxWorks嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信》課件第6章

第6章VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與應(yīng)用6.1VxWorks概述6.2VxWorks系統(tǒng)的應(yīng)用機(jī)制6.3VxWorks系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法6.4本章小結(jié)6.1VxWorks概述

VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)自1987年由美國(guó)WindRiver公司成功推出以來(lái)，得到了非常廣泛的應(yīng)用。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，嵌入式應(yīng)用滲透到了人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。VxWorks以其良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核及友好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。同時(shí)，VxWorks也是目前軟件工程師采用最多的用于開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的商用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它為程序員提供了高效的實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度、中斷管理、實(shí)時(shí)的系統(tǒng)資源及實(shí)時(shí)的任務(wù)間通信。

VxWorks操作系統(tǒng)自1996年進(jìn)入中國(guó)以來(lái)，已被廣泛地應(yīng)用于通信、軍事、航空、航天等高精尖及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，是研究嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)極好工具。6.1.1VxWorks的特點(diǎn)

VxWorks是一款功能強(qiáng)大、獨(dú)具特色的嵌入式操作系統(tǒng)，因此備受開(kāi)發(fā)商的青睞。其主要特點(diǎn)如下：

(1)高性能的微內(nèi)核。VxWorks具有一個(gè)高性能的、標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)微內(nèi)核Wind。該微微內(nèi)核Wind具有高效的任務(wù)管理功能、任務(wù)之間切換時(shí)間短、中斷延遲小、網(wǎng)絡(luò)流量大的特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)快速多任務(wù)切換、搶占式任務(wù)調(diào)度、多樣化任務(wù)間通信手段等功能。

(2)強(qiáng)實(shí)時(shí)性。VxWorks系統(tǒng)本身的開(kāi)銷(xiāo)很小，進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、中斷處理等系統(tǒng)公用程序精練而有效，它們?cè)斐傻难舆t很短。VxWorks提供的多任務(wù)機(jī)制中對(duì)任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級(jí)搶占和輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制，充分保證了可靠的實(shí)時(shí)性，使同樣的硬件配置能滿(mǎn)足更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求，為應(yīng)用的開(kāi)發(fā)留下了更大的余地。

(3)可伸縮性。VxWorks利用C/C++語(yǔ)言支持ANSIC標(biāo)準(zhǔn)，提供多達(dá)1800個(gè)應(yīng)用程序接口(API)，很容易在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

(4)可移植性。VxWorks操作系統(tǒng)在各種CPU平臺(tái)上提供了統(tǒng)一的編程接口和一致的運(yùn)行特性，盡可能地屏蔽了不同CPU之間的底層差異。應(yīng)用程序員可以將盡可能多的精力放在應(yīng)用程序本身，而不必再去關(guān)心系統(tǒng)資源的管理?；赩xWorks操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以在不同CPU平臺(tái)上輕松移植。

(5)可裁剪性。VxWorks中可裁剪的組件超過(guò)80個(gè)，用戶(hù)可以根據(jù)自己的應(yīng)用需求對(duì)VxWorks進(jìn)行配置，產(chǎn)生具有各種不同功能集的操作系統(tǒng)映像。

(6)可靠性。VxWorks經(jīng)過(guò)將近20年市場(chǎng)應(yīng)用的驗(yàn)證，操作系統(tǒng)本身是高度可靠的，而另外構(gòu)造一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)也是要由整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)保證的，VxWorks操作系統(tǒng)為了支持軟件可靠性設(shè)計(jì)，還提供了分布式消息隊(duì)列和異常處理等機(jī)制支持系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)和容錯(cuò)設(shè)計(jì)，因此能夠勝任一些諸如飛行控制這樣的關(guān)鍵性任務(wù)。

(7)具有友好的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境。VxWorks具有一個(gè)友好的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Tornado，它可運(yùn)行在多種主機(jī)上，便于操作、配置和應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)調(diào)試。

(8)較好的兼容性。VxWorks是最早兼容POSIX1003.1b標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一。其良好的兼容性，使它在不同運(yùn)行環(huán)境間可以方便地移植，從而使用戶(hù)在開(kāi)發(fā)和培訓(xùn)方面所做的工作得到保護(hù)，減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間和費(fèi)用。

(9)支持多種開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境，幾乎適用于所有的流行目標(biāo)CPU平臺(tái)。6.1.2VxWorks系統(tǒng)的組成及功能

VxWorks操作系統(tǒng)是一個(gè)32位的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持32位以上的嵌入式微處理器，包括進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用等部分。VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)構(gòu)成如圖6.1中虛線框內(nèi)所示。VxWorks只占用了很小的存儲(chǔ)空間，并可高度裁剪，保證了系統(tǒng)能以較高的效率運(yùn)行。圖6.1VxWorks結(jié)構(gòu)框圖

VxWorks系統(tǒng)主要由以下幾部分組成。

1.高性能的實(shí)時(shí)微內(nèi)核Wind

VxWorks的實(shí)時(shí)微內(nèi)核Wind主要包括多任務(wù)調(diào)度(采用優(yōu)先級(jí)搶占方式)、任務(wù)間的同步和通信機(jī)制及中斷處理、定時(shí)器和內(nèi)存管理機(jī)制。

2.I/O系統(tǒng)

VxWorks提供了一個(gè)快速靈活的I/O系統(tǒng)，包括UNIX標(biāo)準(zhǔn)的緩沖I/O和POSIX標(biāo)準(zhǔn)的異步I/O。VxWorks的I/O系統(tǒng)主要包括字符設(shè)備、塊設(shè)備、虛擬設(shè)備(管道、Socket)、監(jiān)控設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

3.文件系統(tǒng)

VxWorks針對(duì)不同的設(shè)備提供了多種文件系統(tǒng)，支持外存儲(chǔ)介質(zhì)(磁盤(pán)、磁帶、光盤(pán)等)的訪問(wèn)。在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)上，VxWorks的文件系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口來(lái)連接，使其能夠方便地在同類(lèi)設(shè)備間移植。

4.板級(jí)支持包BSP

BSP為VxWorks提供了硬件環(huán)境的接口，使應(yīng)用程序編碼在很大程度上與目標(biāo)板的硬件和結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。它包括硬件初始化、中斷處理、定時(shí)器、內(nèi)存地址映射、內(nèi)存分配等。

5.網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

VxWorks的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議部分組成，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、IP層、TCP層、應(yīng)用層，基本上是移植了BSD4.4Unix的TCP/IP協(xié)議棧，僅在實(shí)時(shí)性上進(jìn)行了較大的修改。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用性和可移植性，在新版的VxWorks中增加了一個(gè)稱(chēng)為MUX層的接口層。VxWorks的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6.2所示。

6.虛擬內(nèi)存(VxVMI)與共享內(nèi)存(VxMP)

VxVMI為帶有MMU(內(nèi)存管理單元)的目標(biāo)板提供了虛擬內(nèi)存機(jī)制，主要用于對(duì)指定內(nèi)存區(qū)的保護(hù)。VxMP主要用于多處理器上運(yùn)行的任務(wù)之間的信號(hào)量共享、消息隊(duì)列和內(nèi)存塊管理。圖6.2VxWorks的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

7.目標(biāo)代理目標(biāo)代理遵循WDB(WindDebug)協(xié)議，允許目標(biāo)機(jī)與主機(jī)上的Tornado開(kāi)發(fā)工具相連，使用戶(hù)可以遠(yuǎn)程調(diào)試應(yīng)用程序。

8.工具庫(kù)

VxWorks向用戶(hù)提供了豐富的系統(tǒng)調(diào)用，包括中斷處理、定時(shí)器、消息注冊(cè)、內(nèi)存分配、字符掃描、線緩沖和環(huán)緩沖管理及ANSIC標(biāo)準(zhǔn)。

9.VxWorks仿真器(VxSim)

VxSim可模擬VxWorks目標(biāo)機(jī)的運(yùn)行，用于應(yīng)用系統(tǒng)的分析。6.2VxWorks系統(tǒng)的應(yīng)用機(jī)制6.2.1任務(wù)管理機(jī)制

1.VxWorks任務(wù)任務(wù)是代碼運(yùn)行的一個(gè)映像，從系統(tǒng)的角度看，任務(wù)是競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)資源的最小運(yùn)行單位。任務(wù)可以使用或者等待CPU、I/O設(shè)備及內(nèi)存空間等系統(tǒng)資源，并獨(dú)立于其他的任務(wù)，與它們一起并發(fā)運(yùn)行。在VxWorks操作系統(tǒng)中，各功能模塊均以任務(wù)的方式被系統(tǒng)調(diào)用。任務(wù)是指能夠獨(dú)立執(zhí)行的一個(gè)功能或處理過(guò)程，是操作系統(tǒng)調(diào)度的基本單位。任務(wù)狀態(tài)反映任務(wù)當(dāng)前在系統(tǒng)所處的情形，一般包括五種狀態(tài)：就緒、運(yùn)行、睡眠、掛起和堵塞。系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)別安排CPU時(shí)間，對(duì)不同優(yōu)先級(jí)任務(wù)采用搶占式任務(wù)調(diào)度算法，對(duì)相同優(yōu)先級(jí)任務(wù)采用輪詢(xún)式調(diào)度算法。在對(duì)任務(wù)進(jìn)行切換時(shí)，通過(guò)任務(wù)上下文保存任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)。任務(wù)創(chuàng)建的時(shí)候，一般要指定一個(gè)名字，也就是任務(wù)名。VxWorks操作系統(tǒng)返回一個(gè)長(zhǎng)度為4字節(jié)并指向任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的任務(wù)ID號(hào)，大多數(shù)VxWorks操作系統(tǒng)程序使用任務(wù)ID號(hào)來(lái)定位某個(gè)任務(wù)，其中約定任務(wù)ID號(hào)為0值時(shí)表示任務(wù)調(diào)用。

VxWorks操作系統(tǒng)不需要唯一的任務(wù)名，但為了避免混亂，建議使用惟一的任務(wù)名。為了應(yīng)用好開(kāi)發(fā)工具Tornado，任務(wù)名不應(yīng)與全局函數(shù)名和程序名沖突。對(duì)任務(wù)的操作使用taskLib中的庫(kù)函數(shù)。taskLib中的庫(kù)函數(shù)見(jiàn)表6.1。表6.1VxWorks常用的任務(wù)處理庫(kù)函數(shù)

2.任務(wù)調(diào)度多任務(wù)系統(tǒng)需采用一種調(diào)度算法來(lái)為就緒態(tài)隊(duì)列中的任務(wù)分配CPU。Wind內(nèi)核采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式任務(wù)調(diào)度算法作為它的默認(rèn)調(diào)度策略，同時(shí)也提供了輪詢(xún)式調(diào)度算法。

1)基于優(yōu)先級(jí)的搶占式任務(wù)調(diào)度使用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式任務(wù)調(diào)度算法即當(dāng)一個(gè)新任務(wù)優(yōu)先級(jí)高于系統(tǒng)當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)先級(jí)時(shí)，它將搶占CPU而執(zhí)行。這種調(diào)度方法為每個(gè)任務(wù)指定不同的優(yōu)先級(jí)。沒(méi)有處于掛起或休眠態(tài)的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)將一直運(yùn)行下去。當(dāng)更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)由就緒態(tài)進(jìn)入運(yùn)行態(tài)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)核立即保存當(dāng)前任務(wù)的上下文，切換到更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。

Wind內(nèi)核優(yōu)先級(jí)劃分為256級(jí)(0～255)。優(yōu)先級(jí)0為最高優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)255為最低優(yōu)先級(jí)。當(dāng)任務(wù)被創(chuàng)建時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)給定值分配任務(wù)優(yōu)先級(jí)。然而，優(yōu)先級(jí)也可以是動(dòng)態(tài)的，能在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由用戶(hù)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用taskPrioritySet()來(lái)加以改變。在圖6.3中，Task1、Task2、Task3三個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)依次從低到高，任務(wù)Task?1最先運(yùn)行，但它被Task?2和Task?3打斷，因此最后運(yùn)行完畢。圖6.3搶占式任務(wù)調(diào)度算法

2)輪詢(xún)式調(diào)度當(dāng)所有相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)處于就緒狀態(tài)時(shí)，輪詢(xún)式調(diào)度算法傾向于平均使用CPU。輪詢(xún)式調(diào)度算法對(duì)于所有相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，通過(guò)時(shí)間片獲得相同的CPU處理時(shí)間。在一組相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)里，每個(gè)任務(wù)將在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間間隔或時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行。在任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間片內(nèi)，如果該任務(wù)被阻塞或被更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶占，那么其時(shí)間片數(shù)值將被保存，并且在其重新執(zhí)行時(shí)恢復(fù)計(jì)數(shù)。對(duì)于搶占情況，當(dāng)搶占的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)完成執(zhí)行后，只要沒(méi)有其他更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶占執(zhí)行，那么原任務(wù)將繼續(xù)執(zhí)行。而對(duì)于任務(wù)阻塞情況，將根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)將其放在隊(duì)列尾部。圖6.4為三個(gè)相同優(yōu)先級(jí)任務(wù)Task1、Task2、Task3的輪詢(xún)式調(diào)度。任務(wù)Task2被一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)Task4搶占。當(dāng)Task4執(zhí)行結(jié)束后，Task2將在其中止處繼續(xù)執(zhí)行。圖6.4輪詢(xún)式調(diào)度算法6.2.2中斷處理中斷處理過(guò)程是軟件和硬件的綜合。當(dāng)CPU接收到來(lái)自外設(shè)的中斷信號(hào)時(shí)，便立即停止當(dāng)前正在執(zhí)行的命令，保存現(xiàn)場(chǎng)，并轉(zhuǎn)而執(zhí)行指定的中斷服務(wù)程序(ISR)。在中斷服務(wù)程序執(zhí)行結(jié)束后，CPU再次恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，繼續(xù)執(zhí)行剛才被打斷的工作。CPU對(duì)于中斷的響應(yīng)和處理過(guò)程基本上是一致的。在指令執(zhí)行過(guò)程中，CPU會(huì)適時(shí)掃描、查詢(xún)有無(wú)中斷請(qǐng)求。在VxWorks中，將信號(hào)機(jī)制(Signal)稱(chēng)為“軟中斷”，而將硬件外設(shè)產(chǎn)生的中斷稱(chēng)為“硬中斷”。為了獲得盡可能快的響應(yīng)時(shí)間，VxWorks的中斷處理程序運(yùn)行在特定的上下文中不涉及任何任務(wù)上下文的切換。中斷服務(wù)程序不是在規(guī)則的任務(wù)上下文中運(yùn)行，這種處理方式給VxWorks帶來(lái)了快速響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)也給中斷服務(wù)程序帶來(lái)如下約束：

(1)不能調(diào)用可能引起調(diào)用阻塞的函數(shù)。例如，ISR不能取信號(hào)量，因?yàn)橐坏┬盘?hào)量不能獲得，內(nèi)核就會(huì)試圖將當(dāng)前調(diào)用任務(wù)掛起，而這是沒(méi)法做到的。

(2)不能通過(guò)VxWorks驅(qū)動(dòng)執(zhí)行I/O口。除管道驅(qū)動(dòng)程序(因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)允許由ISR進(jìn)行寫(xiě)操作)外，大部分的驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)都要求有任務(wù)上下文，因?yàn)樗鼈兛赡芤枞{(diào)用任務(wù)以等待設(shè)備完成傳輸。

(3)不能調(diào)用使用浮動(dòng)協(xié)處理器的函數(shù)。表6.2中列出了所有ISR可以調(diào)用的函數(shù)。表6.2ISR可以調(diào)用的函數(shù)

VxWorks系統(tǒng)為中斷處理提供了API，主要集中在庫(kù)intLib和intArchLib()中，部分常用的設(shè)置中斷函數(shù)如表6.3所示。中斷事件不是孤立存在的，通常涉及到任務(wù)級(jí)代碼，因此必須提供中斷服務(wù)程序與一般任務(wù)的通信機(jī)制。VxWorks提供的中斷服務(wù)程序與任務(wù)的通信機(jī)制有信號(hào)量、消息列隊(duì)、管道及網(wǎng)絡(luò)套接字等。信號(hào)量是諸多通信機(jī)制中常用的方法，通過(guò)中斷服務(wù)程序釋放某一信號(hào)量，相應(yīng)的任務(wù)等待該信號(hào)量，從而完成一次通信，如圖6.5所示。表6.3設(shè)置中斷函數(shù)列表圖6.5中斷處理示意圖6.2.3內(nèi)存管理嵌入式系統(tǒng)中，將程序代碼、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)信息等所占用的內(nèi)存之外的部分用于內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為堆。內(nèi)存管理主要是管理堆內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配和回收。通常，內(nèi)存管理需要保存一些堆的信息，包括堆的起始地址、大小及分配表。在嵌入式VxWorks系統(tǒng)中，內(nèi)存管理是由操作系統(tǒng)來(lái)完成的。內(nèi)存管理的工作主要是監(jiān)控哪些內(nèi)存區(qū)域已被使用，哪些是空閑區(qū)域，在任務(wù)需要時(shí)為其分配內(nèi)存空間，使用完畢之后釋放空間。對(duì)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，內(nèi)存管理必須是高效的，開(kāi)銷(xiāo)必須是可預(yù)見(jiàn)的。一種解決方法是預(yù)先分配內(nèi)存，即在系統(tǒng)構(gòu)造或編譯時(shí)為每個(gè)任務(wù)指定其使用的內(nèi)存空間。

VxWorks系統(tǒng)的基本內(nèi)存管理是采用平板模式，所有進(jìn)程直接尋址絕對(duì)物理地址，在進(jìn)程間可以共享代碼段、數(shù)據(jù)段和BSS段。VxWorks系統(tǒng)中的內(nèi)存布局如圖6.6所示。在VxWorks系統(tǒng)中由特定的宏定義和系統(tǒng)函數(shù)獲得標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)內(nèi)存地址，分別標(biāo)志系統(tǒng)物理內(nèi)存的起始地址、VxWorks的加載地址、系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)的起始地址、用戶(hù)保留內(nèi)存的起始地址以及物理內(nèi)存的容量。可以看出，在系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)中有一段是分配給調(diào)試代理的，專(zhuān)門(mén)用于Host與Target間調(diào)試信息的傳遞和處理，而用戶(hù)任務(wù)的任務(wù)堆棧、動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配則都來(lái)自于剩余的系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)。內(nèi)存管理模塊運(yùn)行在用戶(hù)態(tài)。圖6.6VxWorks系統(tǒng)中的內(nèi)存布局對(duì)信號(hào)量的操作是原子級(jí)的，不可打斷，分配時(shí)大量的時(shí)間花費(fèi)在查找鏈表的過(guò)程中，但這不會(huì)影響到系統(tǒng)效率，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程是發(fā)生在任務(wù)的上下文中，是可以被其他高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)所搶占的。整個(gè)內(nèi)存分配發(fā)生在內(nèi)核級(jí)，此時(shí)任務(wù)搶占被禁止，如果高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在此時(shí)變?yōu)榫途w態(tài)，它就必須等待直到內(nèi)核為低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)完成內(nèi)存分配。有些操作系統(tǒng)甚至在這段時(shí)間禁止中斷。這必定影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和效率。內(nèi)存分配采用First-Fit(最先匹配)法，在空閑鏈表中查找內(nèi)存塊，從高地址開(kāi)始，當(dāng)找到第一個(gè)滿(mǎn)足分配請(qǐng)求的空閑塊時(shí)就分配所需的內(nèi)存，并修改該空閑塊的大小?？臻e塊的剩余部分仍然保留在空閑鏈表中。但在實(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行中，有時(shí)在內(nèi)存分配時(shí)對(duì)鏈表查詢(xún)的時(shí)間也是不可忍受的。一般情況下，我們采用MessageQueue來(lái)代替malloc()，在系統(tǒng)啟動(dòng)之初就分配好可能用到的內(nèi)存塊，并將它們放入消息隊(duì)列，那么，在以后對(duì)實(shí)時(shí)要求很高的場(chǎng)合中，可以直接從消息隊(duì)列中獲得空閑內(nèi)存塊的指針，避免了查找時(shí)間的耗費(fèi)。內(nèi)存RAM包括動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAW和靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAW，SRAM主要用作高速緩存Cache。Cache是一種小容量的高速緩沖存儲(chǔ)器，設(shè)置在CPU和主存間，存放主存最近被CPU訪問(wèn)的內(nèi)容，從而提高了CPU存取的速度。6.2.4I/O與文件系統(tǒng)

VxWorks操作系統(tǒng)提供的I/O系統(tǒng)和文件系統(tǒng)，為應(yīng)用層提供了標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備操作接口，并以最大程度屏蔽了應(yīng)用層軟件對(duì)硬件的相關(guān)性。

1.I/O系統(tǒng)

VxWorks的I/O系統(tǒng)適用于實(shí)時(shí)應(yīng)用，具有高度可裁剪性。VxWorks的I/O系統(tǒng)自上而下分為三層：I/O子系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)和設(shè)備，如圖6.7所示。

I/O子系統(tǒng)是VxWorksI/O系統(tǒng)的一個(gè)子層，它為應(yīng)用程序的I/O操作定義一組標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，同時(shí)要求下層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)支持這個(gè)函數(shù)集。圖6.7I/O系統(tǒng)層次圖在許多系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)只提供讀/寫(xiě)等函數(shù)，如果要實(shí)現(xiàn)某種協(xié)議，如字符設(shè)備的通信協(xié)議，則是在I/O子系統(tǒng)中完成的。這種結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)，但可裁剪性不好，不適于實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在VxWorks中，I/O子系統(tǒng)通過(guò)查找文件描述符表、驅(qū)動(dòng)表和設(shè)備鏈，將用戶(hù)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給設(shè)備驅(qū)動(dòng)，由設(shè)備驅(qū)動(dòng)完成I/O請(qǐng)求的所有相關(guān)操作。這樣，所有I/O操作在驅(qū)動(dòng)中完成，如果需要使用某個(gè)協(xié)議，也是在驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，VxWorks提供標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的庫(kù)函數(shù)以便設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)高層協(xié)議。

VxWorks的I/O系統(tǒng)提供了簡(jiǎn)單、統(tǒng)一、與設(shè)備無(wú)關(guān)的接口，其內(nèi)部的獨(dú)特設(shè)計(jì)使它比大多數(shù)其他I/O系統(tǒng)更快捷、更靈活。它支持以下設(shè)備：

(1)面向字符的設(shè)備，如UART。

(2)隨機(jī)訪問(wèn)的塊設(shè)備，如磁盤(pán)。

(3)虛擬設(shè)備，如管道、Socket。

(4)監(jiān)控和控制設(shè)備，如數(shù)字/模擬I/O設(shè)備。

(5)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

2.文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)是一種塊I/O操作設(shè)備。VxWorks中的I/O系統(tǒng)可以包含多個(gè)不同類(lèi)型的文件系統(tǒng)，用來(lái)協(xié)助完成非字符設(shè)備的I/O操作。實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)要添加一些該文件系統(tǒng)特有的設(shè)備訪問(wèn)例程，還要有塊I/O的驅(qū)動(dòng)程序。通過(guò)文件系統(tǒng)訪問(wèn)設(shè)備具有抽象性好的優(yōu)點(diǎn)。

VxWorks提供兩個(gè)本地文件系統(tǒng)：dosFs和rt11Fs，它們分別與MS-DOS和RT-11文件系統(tǒng)相兼容，適用于塊設(shè)備的實(shí)時(shí)應(yīng)用。VxWorks提供相應(yīng)的庫(kù)dosFsLib和rt11FsLib，此外還為其他類(lèi)型的設(shè)備提供了相應(yīng)的文件系統(tǒng)，見(jiàn)表6.4。表6.4VxWorks文件系統(tǒng)6.3VxWorks系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法

VxWorks系統(tǒng)是專(zhuān)門(mén)為嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的模塊化實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?；赩xWorks系統(tǒng)的特性，在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件時(shí)要特別注重以下問(wèn)題。6.3.1通信機(jī)制的選擇本機(jī)之間的通信機(jī)制比較適用的是信號(hào)量和消息隊(duì)列。在以下情況下可以考慮使用信號(hào)量：

(1)任務(wù)之間的同步。

(2)?ISR與任務(wù)之間的同步，要求任務(wù)很快響應(yīng)。

(3)互斥臨界區(qū)的操作。

(4)兩任務(wù)之間傳遞較大的數(shù)據(jù)塊，使用信號(hào)量來(lái)保護(hù)全局共享結(jié)構(gòu)。在以下情況下可以考慮使用消息隊(duì)列：

(1)兩個(gè)任務(wù)之間通信比較頻繁，并且每一次的數(shù)據(jù)量較小。

(2)多個(gè)任務(wù)寫(xiě)，一個(gè)任務(wù)讀。

(3)一個(gè)任務(wù)不僅與ISR進(jìn)行通信，而且還與其他任務(wù)進(jìn)行通信。

(4)強(qiáng)調(diào)優(yōu)先級(jí)，必要時(shí)需要緊急傳送數(shù)據(jù)。一般而言，可以用消息隊(duì)列來(lái)代替管道。管道中的消息按FIFO排列，無(wú)法實(shí)現(xiàn)緊急數(shù)據(jù)傳輸；另外，管道對(duì)于高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)和低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)同等對(duì)待，無(wú)法減少高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)一個(gè)任務(wù)需要同時(shí)接收來(lái)自其他任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)接口、串行口的數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用管道來(lái)簡(jiǎn)化編程。

Socket主要用于網(wǎng)際通信和本機(jī)任務(wù)之間通信效率比較低的場(chǎng)合。多個(gè)任務(wù)存取共享的數(shù)據(jù)時(shí)，一般使用信號(hào)量機(jī)制。

VxWorks下的Signal主要用于錯(cuò)誤和異常處理，一般不用于任務(wù)之間的通信，這主要是因?yàn)樾盘?hào)的開(kāi)銷(xiāo)太大，以及帶寬和信息量非常有限。Signal可用于事件的通知，不適用于復(fù)雜的交互。6.3.2正確劃分任務(wù)程序在CPU中以任務(wù)的方式運(yùn)行，故要將系統(tǒng)的處理框圖轉(zhuǎn)化為多任務(wù)流程圖，對(duì)處理進(jìn)行任務(wù)劃分。如果任務(wù)太多，必然增加系統(tǒng)任務(wù)切換的開(kāi)銷(xiāo)；如果任務(wù)太少，系統(tǒng)的并行度就降低了，實(shí)時(shí)性就比較差。因此要對(duì)任務(wù)進(jìn)行正確合理的任務(wù)劃分。

1.合理的任務(wù)劃分考慮系統(tǒng)內(nèi)功能的異步性，在將一個(gè)軟件系統(tǒng)分解成并行任務(wù)時(shí)，可遵循以下原則：

(1)在系統(tǒng)中創(chuàng)建多個(gè)與I/O設(shè)備相當(dāng)數(shù)目的I/O任務(wù)。

(2)將在相同周期內(nèi)執(zhí)行的各功能組成一個(gè)任務(wù)。

(3)將緊密相關(guān)的功能組組成一個(gè)任務(wù)，使各功能共享資源或相同時(shí)間的驅(qū)動(dòng)，減少了系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)。

(4)將有最后時(shí)間期限(Deadline)的功能分離出來(lái)，組成獨(dú)立運(yùn)行的任務(wù)。

(5)當(dāng)計(jì)算功能占用CPU的時(shí)間較多時(shí)，捆綁計(jì)算功能任務(wù)，賦予它們較低優(yōu)先級(jí)，運(yùn)行時(shí)能被高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶占，消耗CPU的剩余時(shí)間。

2.錯(cuò)誤的任務(wù)劃分和改進(jìn)方法

(1)任務(wù)的掛起和恢復(fù)太頻繁，這是由于任務(wù)劃分過(guò)細(xì)造成的。改進(jìn)的方法是將任務(wù)變成子程序使用。

(2)事件發(fā)生時(shí)調(diào)用子程序，這是由于任務(wù)劃分太粗造成的。改進(jìn)的方法是將子程序劃分為任務(wù)。

(3)得到消息后，又立即檢查另外的信息。改進(jìn)的方法是不要使用輪詢(xún)的方式，直接使用時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式。6.3.3合理分配動(dòng)態(tài)內(nèi)存

VxWorks為用戶(hù)提供了兩種內(nèi)存區(qū)域，即Region、Partition。Region是變長(zhǎng)的內(nèi)存區(qū)，用戶(hù)可以從創(chuàng)建的Region中分配Segment，其特點(diǎn)是容易產(chǎn)生碎片，但靈活、不浪費(fèi)。?Partition是定長(zhǎng)的內(nèi)存區(qū)，用戶(hù)可以從創(chuàng)建的Partition中分配Buffer，其特點(diǎn)是無(wú)碎片、效率高，但浪費(fèi)。衡量算法的指標(biāo)是碎片和速度問(wèn)題。所謂碎片是指內(nèi)存中的空間大于被申請(qǐng)的空間，但是沒(méi)有一塊單獨(dú)的內(nèi)存空間大于被申請(qǐng)的空間。我們要求內(nèi)存分配算法使碎片盡量少，執(zhí)行速度盡量快。表6.5中比較了三種內(nèi)存分配算法，其中最大算法的執(zhí)行速度最快、碎片最少。但VxWorks采用的是最先算法。表6.5三種內(nèi)存分配算法的比較

VxWorks沒(méi)有清除碎片的功能，因?yàn)榍度胧綄?shí)時(shí)系統(tǒng)找不到一個(gè)合適的時(shí)間把正在運(yùn)行的程序暫停下來(lái)清理內(nèi)存，所以在實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中只能是避免碎片。影響碎片的因素有：Region的大小，Region越大則碎片越少；任務(wù)占用Segment的時(shí)間，占用的時(shí)間越短則碎片越少；Segment之間的準(zhǔn)方差，Segment越規(guī)則則碎片越少。6.3.4防止任務(wù)異常操作系統(tǒng)發(fā)生死鎖、饑餓或者優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)都會(huì)讓任務(wù)處于異常狀態(tài)。

1.死鎖死鎖是指多個(gè)任務(wù)因?yàn)榈却M(jìn)入對(duì)方占據(jù)的臨界區(qū)而導(dǎo)致不可自行恢復(fù)的運(yùn)行終止。在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意對(duì)死鎖的預(yù)防，一個(gè)是盡量使互斥資源在相同優(yōu)先級(jí)任務(wù)中