VxWorks 是美國 Wind River System 公司( 以下簡稱風河公司 ，即 WRS 公司)推出的一個實時操作系統(tǒng)。Tornado 是WRS 公司推出的一套實時操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，類似MicrosoftVisual C，但是提供了更豐富的調(diào)試、仿真環(huán)境和工具。

VxWorks的特點

1、VXWORKS既是一個操作系統(tǒng)、又是一個可以運行的最小基本程序

2、VXWORKS有BSP(可以認為是一種低層驅(qū)動)，可以減小驅(qū)動程序的編寫過程

3、VXWORKS具有強大的調(diào)試能力，可以在沒有仿真器的情況下，通過串口調(diào)試。

4、VXWORKS具有軟件DEBUG功能，可以對軟件部分進行模擬調(diào)試。

5、VXWORKS具有豐富的函數(shù)庫。

6、同時VXWORKS自帶TCP/IP協(xié)議棧。

最大可能的減小開發(fā)者系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的難度，縮小開發(fā)周期，提高開發(fā)效率。 可以部分的保證軟硬件開發(fā)的同步進行。 一個好的操作系統(tǒng)的幾大特點：

● 多任務和可搶占的

● 任務具有優(yōu)先級

● 操作系統(tǒng)具備支持可預測的任務同步機制

● 支持多任務間的通信

● 操作系統(tǒng)具備消除優(yōu)先級轉(zhuǎn)置的機制

● 存儲器優(yōu)化管理

● 操作系統(tǒng)的(中斷延遲、任務切換、驅(qū)動程序延遲等)行為是可知的和可預測的。

● 實時時鐘服務 ● 中斷管理服務

可靠性

操作系統(tǒng)的用戶希望在一個工作穩(wěn)定，可以信賴的環(huán)境中工作，所以操作系統(tǒng)的可靠性是用戶首先要考慮的問題。而穩(wěn)定、可靠一直是VxWorks的一個突出優(yōu)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(nèi)執(zhí)行完規(guī)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(guī)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(tǒng)本身的開銷很小，進程調(diào)度、進程間通信、中斷處理等系統(tǒng)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(yōu)先級搶占(PreempTIve Priority Scheduling)和輪轉(zhuǎn)調(diào)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(fā)留下更大的余地。

可裁減性

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

VxWorks 由一個體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進行定制的系統(tǒng)模塊組成。VxWorks 內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)進行定制或作適當開發(fā)，來滿足自己的實際應用需要。

對一個實時內(nèi)核的要求

一個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核需滿足許多特定的實時環(huán)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(fā)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(zhí)行。系統(tǒng)內(nèi)核分配CPU給這些任務來獲得并發(fā)性。

搶占調(diào)度：真實世界的事件具有繼承的優(yōu)先級，在分配CPU的時候要注意到這些優(yōu)先級?；趦?yōu)先級的搶占調(diào)度，任務都被指定了優(yōu)先級，在能夠執(zhí)行的任務(沒有被掛起或正在等待資源)中，優(yōu)先級最高的任務被分配CPU資源。換句話說，當一個高優(yōu)先級的任務變?yōu)榭蓤?zhí)行態(tài)，它會立即搶占當前正在運行的較低優(yōu)先級的任務。

任務間的通訊與同步：在一個實時系統(tǒng)中，可能有許多任務作為一個應用的一部分執(zhí)行。系統(tǒng)必須提供這些任務間的快速且功能強大的通信機制。內(nèi)核也要提供為了有效地共享不可搶占的資源或臨界區(qū)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(yōu)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。

VxWorks系統(tǒng)編程方法

實時系統(tǒng)主要包括：多任務調(diào)度(采用優(yōu)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(huán)境允許實時應用程序以一套獨立任務的方式構(gòu)筑，每個任務擁有獨立的執(zhí)行線程和它自己的一套系統(tǒng)資源。進程間通信機制使得這些任務的行為同步、協(xié)調(diào)。 wind使用中斷驅(qū)動和優(yōu)先級的方式。它縮短了上下文轉(zhuǎn)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(xù)、刪除、延時或改變優(yōu)先級。

另一個重要內(nèi)容是：硬件中斷處理。硬件產(chǎn)生中斷，統(tǒng)治系統(tǒng)調(diào)用相應的中斷歷程(ISR)，位是系統(tǒng)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(yōu)先級高于任何任務優(yōu)先級。

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

優(yōu)先級驅(qū)動(Priority-Driven) 優(yōu)先級驅(qū)動是指多任務系統(tǒng)中，當前運行任務總是具有最高優(yōu)先級的就緒任務。

多任務調(diào)度

兩種方式： 優(yōu)先搶占和輪轉(zhuǎn)調(diào)度(PreempTIve Priority，Round-Robin Scheduling)。

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

搶占(PreempTIve)： 搶占是指當系統(tǒng)處于核心態(tài)運行時， 允許任務的重新調(diào)度。換句話說就是指正在執(zhí)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(tǒng)內(nèi)核可搶占，并不是說任務調(diào)度在任何時候都可以發(fā)生。例如當一個任務正在通過一個系統(tǒng)調(diào)用訪問共享數(shù)據(jù)時，重新調(diào)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(huán)境。例如，針對x86的CPU，任務上下文可包括程序計數(shù)器、堆棧指針、通用寄存器的內(nèi)容。

上下文切換(Context Switching)： 多任務系統(tǒng)中，上下文切換是指CPU的控制權由運行任務轉(zhuǎn)移到另外一個就緒任務時所發(fā)生的事件，當前運行任務轉(zhuǎn)為就緒(或者掛起、刪除)狀態(tài)，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(huán)境，恢復將要運行任務的運行環(huán)境。上下文的內(nèi)容依賴于具體的CPU.[!--empirenews.page--]

輪轉(zhuǎn)調(diào)度(Round-Robin Scheduling)：使所有相同優(yōu)先級，狀態(tài)為ready的任務公平分享CPU(分配一定的時間間隔，使個任務輪流享有CPU)。

系統(tǒng)由256個優(yōu)先級，從0到255，0為最高，255為最低。 任務在被創(chuàng)建時設定了優(yōu)先級。也可用taskPrioritySet ( ) 來改變?nèi)蝿諆?yōu)先級。

任務的主要狀態(tài)： 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(　)

輪轉(zhuǎn)調(diào)度 (Round-Robin)： 輪轉(zhuǎn)調(diào)度可以擴充到優(yōu)先搶占方式中，當多個任務優(yōu)先級相同的情況下，輪轉(zhuǎn)調(diào)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?？梢杂? kernelTimeSlice(　) 來定義時間長度。

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

注意： 一個任務可以調(diào)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(nèi)存沒有釋放，而其他任務不知道，依然在等待，結(jié)果導致系統(tǒng)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 available */

。 ?！?。 ?！ritical region 。

semGive (semId);　semGive (semId);

/* Release semaphore */

taskUnsafe ();

任務間的同步和進程間協(xié)調(diào)

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(shù)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(fā)設計過程中外，還被廣泛地應用在VxWorks 高層應用系統(tǒng)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(xié)調(diào)的幾種方式：

內(nèi)存共享(Shared Memory)，對簡單的數(shù)據(jù)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(jié)字(Socket)和遠程調(diào)用(Remote procedure calls)，相對于網(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)時，可能會造成數(shù)據(jù)破壞?；コ馐顾鼈兇械卦L問數(shù)據(jù)，從而達到保護數(shù)據(jù)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(chǎn)生的互斥。

funcA ()

{ int lock = intLock();

。 。 critical region that cannot be interrupted 。

intUnlock (lock); }

但在實時系統(tǒng)中采取這個辦法會影響系統(tǒng)對外部中斷及時響應和處理的能力。

2. 關閉系統(tǒng)優(yōu)先級(taskLock)： 關閉系統(tǒng)優(yōu)先級，這樣在當前任務執(zhí)行時，除了中斷外，不會有其他優(yōu)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(yōu)先級的任務搶先運行，在實時系統(tǒng)中也是不適合的，除非關閉優(yōu)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(xié)調(diào)進程最好的方法

當一個Semaphore創(chuàng)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(tài)的任務在等待隊列中以優(yōu)先級的順序排列

semBCreat(SEM_Q_FIFO，SEM_FULL)， SEM_Q_FIFO指明 處于等待狀態(tài)的任務在等待隊列中以先進先出的順序排列

當一個Semaphore創(chuàng)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 semaphore\n”);

。。.

/* process event */[!--empirenews.page--]

}

eventInterruptSvcRout (void)

{ 。。.

semGive (syncSem);

/* let task 1 process event */

。。.

}

函數(shù)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(zhí)行

優(yōu)先級反轉(zhuǎn)(Priority INVErsion)

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

優(yōu)先級繼承可用來解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。當優(yōu)先級反轉(zhuǎn)發(fā)生時，優(yōu)先級較低的任務被暫時地提高它的優(yōu)先級，使得該任務能盡快執(zhí)行，釋放出優(yōu)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)。