VxWorks嵌入式操作系统精编版

VxWorks嵌入式操作系统中南大学信息科学与工程学院胡小龙主要内容VxWorks简介Tornado开发环境BSP设计设备驱动程序VxWorks简介美国WindRiver公司于1983年设计开发良好的持续发展能力高性能的内核友好的用户开发环境良好的可靠性和卓越的实时性VxWorks简介广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等F-16、FA-18战斗机、B-2隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至连1997年4月在火星表面登陆的火星探测器上也使用到了VxWorksVxWorks简介何谓实时?对于给定一个时间约束量ε0，如果系统S在T1时刻接受到输入，在T2时刻给出合理的输出，且使T2-T1ε。则称系统S满足要求时间ε的实时性，通常称系统S为实时系统。“正确、但迟后的结果也是错误的”VxWorks的特点可靠性实时性可裁减性VxWorks由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成(400多个)。VxWorks内核最小为8kB，即便加上其它必要模块，所占用的空间也很小，且不失其实时、多任务的系统特征。多任务支持(丰富的IPC机制)优秀的开发环境VxWorks的组成VxWorksKernelVxWorks内核（wind）的基本功能可以分为如下几大类：任务管理事件和异步信号服务信号量服务消息队列服务内存管理中断服务程序时钟管理和定时器服务出错处理VxWorksKernel任务管理(state)就绪态延迟态悬置态休眠态最高优先级任务正执行taskInit()等待资源而阻塞等待CPU被延时不被调度Note:任务在任意状态均可被删除就绪态-悬置态semTake()/msgQReceive()就绪态-延迟态taskDelay()就绪态-休眠态taskSuspend()悬置态-就绪态semGive()/msgQSend()悬置态-休眠态taskSuspend()延迟态-就绪态expireddelay延迟态-休眠态taskSuspend()休眠态-就绪态taskResume()/taskActivate()休眠态-悬置态taskResume()休眠态-延迟态taskResume()VxWorksKernel任务管理(调度策略)Wind内核采用基于优先级（0~255）的抢占式调度法作为它的缺省策略，同时它也提供了轮转调度法VxWorksKernel任务管理(优先级反转)优先级时间•客观上造成优先级低的进程T2抢占优先级高的进程T1•Vxworks解决方案:优先级继承,在T1阻塞时,T3继承T1的优先级T3:获取资源RT1:获取资源R,阻塞T3:执行T2:抢占T3T3:释放RT1:获得资源R,执行VxWorksKernel任务管理(禁止调度)Wind内核可通过调用taskLock()和taskUnlock（）来使调度器起作用和失效。当一个任务调用taskLock()使调度器失效，任务运行时没有基于优先级的抢占发生。然而，如果任务被阻塞或是悬置时，调度器从就绪队列中取出最高优先级的任务运行。当设置抢占禁止的任务解除阻塞，再次开始运行时，抢占又被禁止。这种抢占禁止防止任务的切换，但对中断处理不起作用。VxWorksKernel任务管理(API)taskSpawn()创建（产生并激活）新任务taskInit()初始化一个新任务taskActivate()激活一个已初始化的任务taskName()由任务ID号得到任务名taskNameToId（）由任务名得到任务ID号taskPriorityGet()获得任务的优先级taskIsSuspended()检查任务是否被悬置taskIsReady()检查任务是否准备运行taskTcb()得到一个任务控制块的指针taskDelete()中止指定任务并释放内存（仅任务堆栈和控制块）taskSafe()保护被调用任务taskSuspend()悬置一个任务taskResume()恢复一个任务taskRestart()重启一个任务taskDelay()延迟一个任务VxWorksKernel通信、同步和互斥机制VxWorks支持各种任务间通信机制，提供了多样的任务间通信方式，主要有如下几种：共享内存，主要是数据的共享；信号量，用于基本的互斥和任务同步；消息队列和管道，单CPU的消息传送；Socket和远程过程调用，用于网络间任务消息传送；二进制信号，用于异常处理。在多处理器之间的任务也可采用共享内存对象来实现任务间通信,只是在系统配置上有所不同通过组件支持COM/DCOMVxWorksKernel通信、同步和互斥机制(共享内存)任务间通信的最简单的方法是采用共享存储区，也即相关的各个任务分享属于它们的地址空间的同一内存区域。因为所有任务都存在于单一的线性地址空间，任务间可以共享数据。全局的变量、线性队列、环形队列、链表、指针都可被运行在不同上下文的代码所引用.但保证互斥使用是用户的任务.VxWorksKernel通信、同步和互斥机制(互斥)关中断抢占禁止(taskLock)信号量锁定资源等方法一般来说，关中断是最有效的解决互斥的方法。但这对于实时应用来说，它阻止系统对外部事件的响应，无法满足实时性的要求。同样，中断延迟也是不能接受。VxWorksKernel通信、同步和互斥机制(信号量)VxWorks信号量提供最快速的任务间通信机制，它主要用于解决任务间的互斥和同步。针对不同类型的问题，有以下三种信号量：二进制信号量使用最快捷、最广泛，主要用于同步或互斥；互斥信号量主要用于优先级继承、安全删除和回溯；计数器资源分配Note:VxWorks还提供POSIX信号量和多处理器上信号量的应用。VxWorksKernel通信、同步和互斥机制(信号量API)semBCreate()创建（产生并激活）一个二进制信号量semMCreate()创建（产生并激活）一个互斥信号量semCCreate()创建（产生并激活）制一个计数信号量semDelete()中止并删除信号量semTake（）获得信号量semGive()释放信号量semFlush()解锁所有正等待某一信号量的任务VxWorksKernel通信、同步和互斥机制(消息队列)单处理器中任务间消息的传送采用消息消息队列。消息机制使用一个被各有关进程共享的消息队列，任务之间经由这个消息队列发送和接收消息。Wind消息队列管理：msgQCreate()创建（产生并激活）消息队列msgQDelete()中止并自由信号量msgQSend()向消息队列发送消息msgQReceive()从消息队列接收消息VxWorksKernel通信、同步和互斥机制(管道)管道是用VxWorks的I/O系统提供一种灵活的消息传送机制，它是受驱动器pipeDrv（VxWorks所提供）管理的虚拟I/O设备Note:任务调用标准的I/O函数打开、读出、写入管道VxWorksKernel通信、同步和互斥机制(网络通信)VxWorks提供了如下一些网络工具完成信息传送：Sockets完成运行在VxWorks系统或其它系统之间任务的消息传送；远程过程调用（RPC）允许任务调用另一主机（运行的系统为VxWorks或是其它）上的过程。远程文件存取VxWorks任务可采用NFS、RSH、FTP、TFTP等方式远程存取主机文件。VxWorksKernel通信、同步和互斥机制(网络通信组件)rlogintelnetSourceDebuggerNFSRSHFTPTFTPXWindowsProtocolRPCZbufi'faceSocketsSNMPv1/v2TCPUDPIP+ICMPEthernetBackplaneCustomInterfaceSLIP/CSLIPPPPnetDrv远程执行命令远程文件存取远程登录VxWorksKernel通信、同步和互斥机制(Sockets)服务器socket()bind()listen()accept()阻塞，等待客户数据read()write()close()close()read()write()connect()socket()处理服务请求客户机建立链接请求数据应答数据VxWorksKernel中断服务程序intConnect()将C函数和中断向量联结intCount()得到当前中断套叠深度intLevelSet()设置程序中断级别intLock()使中断禁止intUnlock()开中断intVecSet()设置异常向量intVecGet()得到异常向量VxWorksKernel时钟管理时钟管理提供以下功能：维护系统日历时钟；在任务等待消息包、信号量、事件或内存段时的超时处理；以一定的时间间隔或在特定的时间唤醒或发送告警到一个任务。处理任务调度中的时间片轮循。VxWorksKernel时钟管理(API)tickAnnounce()通知系统内核时钟“滴答”tickSet()设定内核时钟计数器值tickGet()得到内核时钟计数器值timer_create()创建时钟timer_gettime()获得时钟器给定值的当前剩余值timer_settime()设定时钟值timer_connect()联系用户函数和时钟信号timer_cancel()取消一个时钟sysClkRateSet()系统时钟速率设置Tornado开发环境集成环境高效明晰的图形化的实时应用开发平台完整的面向嵌入式系统的开发和调测工具Tornado开发环境Tornado开发环境Tornado开发环境Tornado开发环境Tornado开发环境BSP(BoardSupportPackage)BSP在系统中的位置BSPBSP的作用为各种目标板的硬件功能提供了统一的软件它们包括：硬件初始化中断处理和产生硬件时钟和定时器管理内存映射和分配BSP还包括bootRom和其它启动机制sysLib和sysALib库是VxWorks可移植的核心BSPBSP初试化一般过程BSP初试化一般过程BSP初试化一般过程设备驱动程序SIO(SerialI/O)END(EnhancedNetworkDriver)ttyDrvTerminaldriverptyDrvPseudo-terminaldriverpipeDrvPipedrivermemDrvPseudomemorydevicedrivernfsDrvNFSclientdrivernetDrvNetworkdriverforremotefileaccessramDrvRAMdriverforcreatingaRAMdiskscsiLibSCSIinterfacelibraryOtherhardware-specificdrivers设备驱动程序(I/O结构)I/O子系统DeviceDriverIOLibAPP对所支持的设备VxWorks标准接口设备驱动程序驱动初始化例程xxDrv()安装驱动、分配数据结构、连接中断服务例程、初始化硬件设备创建xxDevCreate()给驱动增加一个设备，参数包括缓冲区大小、设备地址等为设备初始化数据结构、信号量和硬件等基本I/O功能xxOpen()xxRead()xxWrite()xxIoctl()中断服务例程xxInterrupt()应用软件开发指导任务划分要合理功能内聚性时间紧迫性周期执行原则防止死锁、饥饿和优先级翻转函数的可重入性（Reentrancy）正确运用用户任务优先级确定BSP及驱动开发指导了解硬件及其操作根据BSP或驱动模板编写对VxWorks支持的I/O,采用VxWorks标准接口对VxWorks不支持的I/O,编写自己的用户接口(xxOpen,xxRead,xxWrite,xxIoctl,xxISR…)回调机制,动态加载BS