VxWorks操作系统及实时多任务程序设计

1、 VxWorks 操作系统及实时多任务程序设计 刘尉悦 张万生 邢涛 王砚方 (中国科技大学近代物理系,合肥, 230027 摘要 :数字式声纳系统需要实时的显示其搜索、 跟踪结果, 同时对用户命令作出及时的响应, 并实时控制前端的硬件。本文介绍基于 VxWorks 实时操作系统和 X 窗口系统的显示及控制 程序设计。着重介绍本系统中基于 VxWorks 的实时多任务程序设计。 关键词:实时,实时操作系统, VxWorks , X-Window 一. 系 统概况 本系统运行于 VME 总线系统 (MVME177上, 通过 VME 背板总线与各模件交换数据对 各处理模件进行控制并把信号处理结果显

2、示。 MVME177模件运行于嵌入式实时操作系统 VxWorks 下,人机交互界面基于 X 窗口系统。 二. 嵌 入式实时操作系统 VxWorks 简介 由于声纳系统在探测到某些目标后 (例如鱼雷 要迅速作出反应, 所以要求控制及显示 系统必须是实时操作系统。 实时操作系统, 要求能够随时打断正在执行的任务, 对内部和外 部发生的事件在确定的时间内作出响应。本系统采用的 VxWorks 是由美国 WindRiver 开发 的一种类 UNIX 的高性能嵌入式实时操作系统。 它是目前世界上用户数量最大的实时操作系 统。具有优越的技术性能、丰富的应用软件支持、良好的技术服务和可靠的系统稳定性。 Vx

3、Works 的主要性能特点有: 1.高度可剪裁的微内核结构 VxWorks 的 所 需 要 的 存 储 器 空 间 大 约 为 8KB488KB(ROM、 620KB29.3KB(RAM,具有极好的可伸缩性。 2.高效的多任务调度 VxWorks 支持中断驱动的优先级抢占式调度和时间片轮转调度, 并具有确定的、快速的上下文切换能力。 3.灵活的任务间通讯手段 支持信号灯、消息队列、管道、信号和套接字等进程间通 讯和互斥手段。 4.支持诸如 Ring buffer、 Link list 等共享内存技术。 5.确定的、微秒级的中断延迟时间。 6.适用于多种物理介质的 TCP/IP协议族支持和几乎所

4、有常用的基于 TCP/IP协议的应 用层协议。 7.极其丰富的板级支持软件包(BSP , 支持多种处理器板。 8.支持 POSIX 1003.1b (实时扩充 。 9.快速、灵活的 I/O系统。 10.支持 MS-DOS 、 RT-11和 RAW 等文件系统和网络文件系统 (NFS。 11.灵活的启动方法,支持从 ROM 、本地磁盘以及网络启动。 三. VxWorks 的一些技术特点 VxWorks 的特点主要在于嵌入式和实时性。由于嵌入式的特点,系统内核只有任务管 理和简单的内存管理, 在此之上可以根据需要配置各种功能模块, 包括网络管理、 文件系统、 虚拟存储器等等。 实时性则体现在实时调

5、度算法和实时内核 (高效的进程间通讯、 内存管理 等 。 VxWorks支持 POSIX 标准, 所以 POSIX 的概念和接口以及一些策略都被支持, 但为了 提高系统性能, VxWorks 另有一套接口及实现策略称为 wind 内核,下面的讨论主要是针对 wind 内核而言的, POSIX 标准可以参见相关资料。 h 任务 在 VxWorks 中, 最小的程序运行单位称为任务 (Task。 每个任务包含有一段固定的代码 和数据空间,操作系统内核通过任务控制块(Task Control Block对它的执行、通讯、资源 等情况进行控制。任务具有就绪、阻塞、挂起和延迟等状态。 与 Linux 和

6、 WindowsNT 下的进程不同的是:在 VxWorks 中, 所有任务共同享有物理内 存,存在于统一的线性空间中,每个任务没有自己独立的代码段和堆,只有独立的动态栈, 任务中的地址即是真正的物理地址。 由于不需要进行地址空间映射, 在任务切换时的上下文 切换 (Context Switch时间大为减少, 符合实时操作系统要求快速响应的原则。 从这个意义上 来说, VxWorks 的任务更接近 Linux 和 WindowsNT 下的线程 (Thread。 VxWorks 的代码段与堆共享减少了上下文切换时间,却带来了共享代码的可重入性 (Reentrancy问题。如一个函数被两个任务所调用

7、,当其中包含对全局、静态变量等从堆中 分配空间的数据进行访问时, 就有可能产生冲突, 从而引发错误。 在应用软件开发时要加以 注意,解决方法是使用局部变量(从栈中分配空间或使用信号灯对临界代码进行监控。 h 任务调度 VxWorks 有两种任务调度策略,优先级抢先调度和时间片轮转调度。这两 种调度策略都是系统级的,与 POSIX 进程级的调度策略不同。即整个系统里要么是优先级 抢先调度,要么是时间片轮转调度;而 POSIX 标准下可以每个进程使用自己的调度策略。 系统共有 256个优先级。 优先级抢先调度指的是一个优先级较低的任务正在执行中,另一个优先高 的任务进入就绪状态, 则马上进行处理器

8、抢先, 执行高优先级任务。 直到高优先级释放处理 器(完成、挂起、阻塞 才继续执行低优先级任务。 优 先级抢先调度可以保证实时系统的迅速响应特性, 但是也带来一个问题:当系统中存 在几个相同优先级的任务时, 就会使单一任务独占处理器直至完成。 所以 加入了基于优先级 的时间片轮转调度方式。 在不同优先级的任务间以抢先方式调度, 相同优先级的任务则以时 间片进行轮转。 h 存储管理 在基本的 wind 内核中,任务直接操作线性物理内存,不存在虚拟存储等复杂的存储管 理策略,这主要是从性能来考虑的。不过 VxWorks 也提供支持 POSIX 标准的虚拟存储区和 共享内存(多处理器间共享组件。 h

9、 任务间通讯 在任务间传递控制信息时,通讯量小, wind 内核支持各种 UNIX 的通用手段:信号灯 (semaphore 、 消息队列 (Message Queue 、 管道 (Pipe 、 信号 (Signal 、 套接字 (Socket 。 信号灯主要用于对临界资源访问的同步和互斥; 消息队列多用于消息驱动机制; 管道是基于 文件系统实现的任务间按先进先出方式传送数据的通讯方式; 信号相当于软中断; 套接字机 制主要用于网络通讯。 当任务间需要大量交换数据时,由于 VxWorks 直接操作物理内存,可以直接访问全局 存储区,不需要特别的手段,与 Linux 下的共享存储段申请和 Win

10、dowsNT 中的存储映射文 件方式不同。 h 中断 在 VxWorks 下,所有中断服务程序都不属于任何一个任务,并且使用同一个栈进行数 据存储, 则中断将不会引起上下文切换, 以实现高效的中断响应。 中断与各任务之间可以通 过前面所述的各种手段进行通讯, 但要注意对中断服务程序有一些限制, 例如不能进行可能 导致阻塞的资源申请等等。 h 文件系统 VxWorks支持多种本地文件系统:MS_DosFS、 RawFS 和 RT-11FS ,用户可根据具体配 置选择;还支持网络文件系统 NFS ,可以没有局域文件系统。 h 网络支持 Vxworks支持多种物理介质的 TCP/IP协议族和几乎所有

11、常用的基于 TCP/IP协议的应用 层协议如 ARP 、 BOOTP 、 SLIP 和 FTP ,甚至其启动就是通过 BOOTP 或 FTP 方式取得系统 映象文件。 以上简单介绍了一些 VxWorks 的技术特点,要注意这些特点都是跟 VxWorks 的特性 实时性与嵌入式密切相关的。 四. X 窗口系统 本系统采用美国 Peritek 公司的 VCL-V 图形控制器插件进行显示输出和输入控制, 户户 界面基于 X-Window 。 X 客户程序的开发选用美国 SeaWeed 公司的 SeaWindM 软件。 X 是美国麻省理工学院 (MIT研制的一个可移植的网络透明的窗口系统。它具有设备独

12、 立性和网络透明性的特点,即基于 X 开发的应用程序不需要重写或重新编译就可以在新的 显示硬件上执行,并且在网络环境下用户通过 X 可在网络任一节点上运行 X 的应用程序而 不必考虑该节点的物理位置。 五. 显 示与控制系统的具体实现 本系统的功能主要是初始化各处理模件、 根据输入命令对各处理模件进行控制和对处理 结果的实时显示, 这些都是通过与相应子系统的数据通信来完成的。 对通信数据和策略的分 析是系统设计的关键。 系统与其它子系统中存在着这样几类通信数据:与前端模拟子系统的 控制信息与数据、 与数字信号处理子系统相关的控制信息和数据、 发射信号控制信息、 显示 数据以及从键盘和鼠标获得的

13、输入信息。这几类数据都是通过 VME 背板总线传输,通过对 VME 地址空间直接读写进行访问。其中由数字信号处理子系统送来的数据是由数据更新事 件驱动, 为了满足实时性的要求, 需要在每组结果数据更新之前完成通信, 因此处理的优先 级需要很高。 基于上面的考虑,系统划分为四个任务:系统监控、显示与输入、子模件控制和错误处 理。 这些任务都设计为事件驱动流程,如图一示。 图一 各任务流程框图 系统监控 -提交和监控其它子任务。 显示与输入 -实时显示信号处理结果和产生输入消息。 子模件控制 -向各子模件发送控制参数和计算数据,由输入消息驱动。 错误处理 -根据错误类型进行相应处理:显示错误信息、

14、重启动各模件、中止系统, 由出错消息驱动。 信号处理结果读取在显示和输入任务中完成, 其驱动事件为处理结果更新。 在被动声纳 处理中, 短时间能量积累的结果每 64ms 更新一次, 平均功率谱结果每 1.5s 更新一次; 主动 声纳处理的幅度信息数据率为 1.3K/S,频域处理结果更新率为 5-10次 /秒。如果由信号处 理模件在数据更新后向 MVME177发送中断事件的话, 由于 数据更新率差别较大, 可能造成瞬 间中断频繁,增加处理复杂度。所以采用定时中断,使用间隔为 50ms 的定时中断去检查数 据更新标志,既能保证实时数据刷新又能简化处理结构。 各任务间的大批量数据传输利用 VxWor

15、ks 的共享内存直接访问,而传递控制消息多采 用消息队列(Message Queue 。在显示和输入任务中由两类驱动事件:键盘、鼠标输入和显 示数据更新,显示刷新的优先级应该高于人工输入,所以在这里使用了信号(Signal 。当 任务接捕获信号时, 立即中断正在执行的流程, 转而进行信号服务处理, 完成后继续原处理 流程,可以保证显示的实时刷新 各任务之间的通讯机制是由四个消息队列,一个定时中断和一个信号完成: 消息队列 SystemMsg :包括系统开机、系统关机、系统复位、系统重启等,由错误处理 任务和用户键盘输入产生,由系统监控任务接收。 消息队列 ParamModifyMsg :包括更

16、改前端硬件参数、 DSP 参数等,由用户键盘输入产 生,由子模件控制任务接收。 消息队列 ErrorMsg :定义了各种错误类型,由各任务的出错接口产生,由错误处理任 务接收。 图二 各任务优先级和消息传递示意图 X 消息队列由显示和输入任务接收 (被 SeaWindM 软件包封装 。 定时中断:由系统监控任务启动和停止,读取 DSP 处理结果。 信号处理:由显示和输入任务注册,定时中断发送信号,接收到后进行数据显示。 系统定义全局变量 System_Data,其数据类型为自定义的 System_Data_Struct结构,通过 System_Data实现任务间的数据交换。 六. 结 语 以上介绍了数字式声纳的显控系统的设计。基于 VxWorks 的多任务设计使系统的实时 性和稳定性都非常好。目前该显控系统已通过测试,达到了系统的设计要求。 Control And Display System Design On Digital Sonar Liu Weiyue, Zhang Wansheng, XingTao ,Wang Yanfang ( University of Sci