1  引言

隨著信息技術的快速發(fā)展和應用，計算機的發(fā)展正顯示出微型化和專業(yè)化的趨勢。目前，嵌入式系統(tǒng)已得到廣泛應用，實時系統(tǒng)在各高精尖技術領域得到迅猛發(fā)展,具有實時操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)也得到了廣泛的應用。實時操作系統(tǒng)是嵌入式應用軟件的基礎和開發(fā)平臺,它不同于分時操作系統(tǒng),它的主要任務是對事件進行實時的處理。雖然事件可能在無法預知的時刻到達,但是軟件必須在事件發(fā)生時在嚴格的時限內做出響應。在實時操作系統(tǒng)下設計實時多任務程序是實現(xiàn)實時系統(tǒng)的重要一環(huán)，本文介紹了VxWorks操作系統(tǒng)的技術特點，給出了一種在VxWorks操作系統(tǒng)下實時多任務程序的設計方法，經(jīng)過仿真，驗證了這種設計方法的可行性和有效性。

2  VxWorks操作系統(tǒng)簡介

Vxworks就是一個由WRS公司推出的嵌入式實時操作系統(tǒng),具有多任務、可裁減、可靠性好、實時性高等特點, 是業(yè)界公認的性能出色的一種實時操作系統(tǒng)。VxWorks實時操作系統(tǒng)由400多個相對獨立的、短小精煉的目標模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當模塊來裁剪和配置系統(tǒng)，這有效地保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。系統(tǒng)的鏈接器可按應用的需要自動鏈接一些目標模塊。這樣，通過目標模塊之間的按需組合，可得到許多滿足功能需求的應用。VxWorks操作系統(tǒng)的基本構成模塊主要包括以下部分：高效的實時內核Wind、兼容實時系統(tǒng)標準POSIX、I/O系統(tǒng)、本機文件系統(tǒng)、文件I/O系統(tǒng)、網(wǎng)絡特性、虛擬內存（可選單元VxVMI）、共享內存（可選單元VxMP）、駐留目標工具、Wind基類、工具庫、性能優(yōu)化、目標代理、板級支持包、VxWorks仿真器（VxSim）。

VxWorks中與構建實時多任務系統(tǒng)有關的內容如下：

1）wind內核任務調度策略

Wind內核采用基于優(yōu)先級的搶占式調度法作為它的缺省策略，同時它也提供了輪轉調度法。

    基于優(yōu)先級的搶占式調度，具有很多優(yōu)點。這種調度方法為每個任務指定不同的優(yōu)先級。沒有處于阻塞或懸置態(tài)的最高優(yōu)先級任務將一直運行下去。當更高優(yōu)先級的任務由就緒態(tài)進入運行時，系統(tǒng)內核立即保存當前任務的上下文，切換到更高優(yōu)先級的任務。而輪轉調度法分配給處于就緒態(tài)的每個同優(yōu)先級的任務一個相同的執(zhí)行時間片。

2）信號量

VxWorks信號量是提供任務間通信、同步和互斥的最優(yōu)選擇,也是提供任務間同步和互斥的主要手段。VxWorks 提供3 種信號量來解決不同的問題。

a.  二進制信號量：二進制信號量（Binary）能夠滿足任務間的互斥和同步,需要的系統(tǒng)開銷最小。當一個任務調用semTake()請求一個信號量時,如果此時信號量可用,信號量會被清零,并且任務立即繼續(xù)執(zhí)行；如果信號量不可用,任務會被阻塞來等待信號量。

b.  互斥：互斥信號量（Mutex）用來實現(xiàn)對共享資源的保護，當兩個以上的任務共享同一塊內存緩沖區(qū)或同一個I/O設備之類的資源時,可能會發(fā)生競爭狀態(tài)。互斥信號量可以通過對共享資源上鎖,實現(xiàn)高效的互斥訪問。

c.  計數(shù)器信號量：計數(shù)器信號量（Count）是實現(xiàn)任務同步和互斥的另一種手段。計數(shù)器信號量除了像二進制信號量那樣工作外,還保持對信號量釋放次數(shù)的跟蹤。

3) 中斷服務程序

VxWorks的所有中斷服務程序使用同一中斷堆棧，它在系統(tǒng)啟動時就已根據(jù)具體的配置參數(shù)進行了分配和初始化，因此，必須保證它的大小，以使它能滿足最壞的多中斷情況。為了快速響應中斷，中斷服務程序ISR運行在特定的空間，不同于其它任何任務，中斷處理沒有任務的上下文切換。中斷也有缺陷：ISR不運行在常規(guī)的任務上下文，它沒有任務控制塊。對于ISR的基本約束就是它們不能激活那些可能使調用程序阻塞的函數(shù)。

3  實時多任務程序設計

在一個實時系統(tǒng)中,中斷處理是至關重要的，系統(tǒng)通過中斷機制響應外部事件,并對外部事件作出處理,系統(tǒng)對中斷的響應速度和中斷服務程序的處理速度直接反映了實時系統(tǒng)的性能。VxWorks提供函數(shù)intconnect(),它允許將指定的Ｃ函數(shù)與任何中斷相聯(lián)系。這個指定的Ｃ函數(shù)就是這個中斷的中斷服務程序, 中斷服務程序必須盡快結束,以免阻塞低優(yōu)先級的中斷,它不同于普通的任務模塊,必須滿足特殊的要求就是不許阻塞。為了既保證中斷服務程序盡快結束而且又避免ISR在調用函數(shù)時受到約束，這時可以使用信號量來將中斷與任務相聯(lián)系，用任務來完成IRS的功能，建立實時多任務系統(tǒng)。

    具體的做法為，先利用函數(shù)taskSpamn()來創(chuàng)建多個任務，建立多任務環(huán)境，與中斷相聯(lián)系的任務處于高優(yōu)先級，利用semTake(semID)使該任務等待信號量而處于阻塞狀態(tài)，只有當相應的中斷到來時，中斷服務程序執(zhí)行semGive(semID)給出信號量，任務得到相應的信號量而執(zhí)行。任務間通信利用互斥信號量實現(xiàn)內存共享。

下面以一個數(shù)據(jù)采集的程序實例來說明這種實時多任務程序的設計方法。

    對于一個需要定周期采樣并且還要等待外部數(shù)據(jù)準備好后，讀入數(shù)據(jù)并與采樣數(shù)據(jù)融合的系統(tǒng)，我們進行了如下設計，系統(tǒng)劃分為三個任務，按優(yōu)先級高低排列的任務為：

a.     采樣與數(shù)字濾波（tsample）;

b.     讀入數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理（tdataprocess）;

c.     系統(tǒng)監(jiān)控（tmonitor）。

其中，tsample和tdataprocess通過信號量分別與定時中斷和外部數(shù)據(jù)準備好中斷相聯(lián)系，它們之間的通信利用互斥信號量實現(xiàn)內存共享。當沒有中斷到來時，任務得不到信號量而處于阻塞狀態(tài)，執(zhí)行tmonitor；當中斷到來時，中斷服務程序產(chǎn)生信號量，相應的高優(yōu)先級任務得到信號量而搶先執(zhí)行，當高優(yōu)先級的任務執(zhí)行完后再執(zhí)行低優(yōu)先級任務。程序如下：

1）主程序創(chuàng)建三個任務和兩個中斷連接。

STATUS main (void)

{…

tidsample=taskSpawn("tsample",200,0,STACK_SIZE,(FUNCPTR)sample,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0); tiddataprocess=taskSpawn("tDataprocess",210,0,STACK_SIZE,(FUNCPTR)dataprocess,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0);

…}

2) 中斷服務程序只產(chǎn)生相應的信號量。

void intSample(void){semGive(sampleSemID)；}

void intDataprocess(void){semGive(dataprocessSemID)；}

3)高優(yōu)先級任務等待信號量而處于阻塞狀態(tài)，要取得相應的中斷服務程序發(fā)出的信號量才能運行。

void sample (void)

{semTake(sampleSemID，WAIT_FOREVER)；

…}

void dataprocess (void)

{semTake(DataprocessSemID，WAIT_FOREVER)；

…}

該程序在WxSim下運行，在軟件邏輯分析儀WindView下顯示的運行結果如圖1—4。     

              圖 3                                       圖 4

其中，圖3顯示的運行過程是，任務tmonitor執(zhí)行à中斷intrupptà中斷服務程序給出信號量semGive(sampleSemID)à中斷tintà中斷服務程序給出信號量semGive(dataprocessSemID)à任務tsample得到信號量semTake(sampleSemID)à任務tsample執(zhí)行完后退出à任務dateprocess得到信號量semTake(dataprocessSemID)à任務tdataprocess執(zhí)行完后退出à任務tmonitor繼續(xù)執(zhí)行。

 圖4顯示的運行過程是：任務tmonitor執(zhí)行à中斷tintà中斷服務程序給出信號量semGive(dataprocessSemID)à任務dataprocess得到信號量semTake(dataprocessSemID)à任務tdataprocess執(zhí)行à中斷intrupptà中斷服務程序給出信號量semGive(sampleSemID)à任務tsample得到信號量 semTake(sampleSemID)à任務tsample執(zhí)行完后退出à任務tdataprocess繼續(xù)執(zhí)行，執(zhí)行完后退出à 任務tmonitor繼續(xù)執(zhí)行。

由運行結果可以看出，與中斷對應的任務在得到信號量后沒有立即執(zhí)行，當中斷服務程序返回中斷點后，有幾微秒的延遲（Pentium ,100M），這是由于任務切換上下文造成的，這一延遲量對于系統(tǒng)的實時性影響不大，是可以接受的，程序的運行結果達到了預期要求。

4  結束語

本文作者創(chuàng)新點：在VxWorks實時操作系統(tǒng)中，使用信號量將中斷與任務相聯(lián)系,中斷服務程序只產(chǎn)生信號量，保證了中斷服務程序盡快結束,以免阻塞低優(yōu)先級的中斷；用任務來完成中斷服務程序所需要完成的功能，避免了VxWorks對中斷服務程序的約束。在軟件邏輯分析儀WindView下看到的程序運行結果表明，該方法建立實時多任務系統(tǒng)是可行的。