基于VxWorks操作系統(tǒng)下的延時方法比較

白曉慧

【摘 要】比較了基于VxWorks操作系統(tǒng)的多種延時方法，編寫了基于系統(tǒng)時鐘定時器的延時方法的中斷服務(wù)程序。該方法精確，可靠。已在工程實踐中，證實了該方法的有效性以及精確性。

【關(guān)鍵詞】VxWorks操作系統(tǒng)；延時方法；中斷服務(wù)程序

0 引言

VxWorks操作系統(tǒng)是運行在目標(biāo)機(jī)上的高性能、可裁剪的嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天、航海等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中。

在實際的工程應(yīng)用中，周期任務(wù)，需要有最大的延遲或稱為等待時間。這類任務(wù)一般會為BIT檢測任務(wù)，鏈路檢測任務(wù)，點跡查詢?nèi)蝿?wù)等。這段等待時間，在VxWorks操作系統(tǒng)中，可以通過多種延時方法實現(xiàn)。

1 taskDelay法

1.1 原理

taskDelay（）是最簡單的延時方法。延時操作提供了一個簡單的任務(wù)休眠機(jī)制。當(dāng)一個任務(wù)調(diào)用taskDelay（）后，它將主動放棄CPU一段時間，進(jìn)入Delay狀態(tài)。超時后，這個任務(wù)會排到Ready隊列中同優(yōu)先級隊列的隊尾等待執(zhí)行。它的單位是tick，tick是VxWorks下的時鐘中斷頻率，可以通過sysClkRateSet（）設(shè)置，一般在60-100之間。在體系架構(gòu)、CPU頻率等硬件條件允許的范圍內(nèi)，這個值可以隨意設(shè)置。不過，設(shè)置的時候要根據(jù)實際需要，而不是每個時間片的間隔越短越好。時間片的數(shù)量影響著內(nèi)核每秒鐘調(diào)度的次數(shù)，而每次內(nèi)核調(diào)度都需要消耗一定的CPU資源。如果每秒產(chǎn)生的時間片數(shù)量過大，內(nèi)核調(diào)度所消耗的CPU資源就會過多，從而影響整機(jī)效率。在實際工程中，一般選取每秒tick數(shù)為100?？梢酝ㄟ^調(diào)用taskDelay（0），將CPU交給同等優(yōu)先級的任務(wù)。由于其延時的基本單位為tick，因此，最小延時單位為10ms，延時精度不高。

一般來說，當(dāng)該任務(wù)通過taskDelay（）進(jìn)入睡眠狀態(tài)時，若這段時間內(nèi)被高優(yōu)先級的任務(wù)占有資源時，則一直得等高優(yōu)先級的任務(wù)放棄資源時，這個任務(wù)才會獲得資源。

因此，taskDelay（）延時很方便，卻需要有一定的風(fēng)險。實際的延時時間為預(yù)設(shè)延時時間與排隊等候時間之和，這樣將會導(dǎo)致延時不準(zhǔn)確，也對任務(wù)的調(diào)度安排提出了一個挑戰(zhàn)。這樣看來，時間片延時并不是很準(zhǔn)確，其準(zhǔn)確程度需要根據(jù)任務(wù)調(diào)度的狀況來決定。如果沒有任務(wù)占用CPU，等待的誤差不超過一個時間片的時間長短；如果有高優(yōu)先級或同優(yōu)先級的任務(wù)不釋放CPU資源，那么等待將直到任務(wù)獲取CPU資源才能結(jié)束。

1.2 具體實現(xiàn)

STATUS taskDelay（int ticks）

2 看門狗法

2.1 原理

實時系統(tǒng)任務(wù)的執(zhí)行一般都有時限的約束。VxWorks提供了一種看門狗定時器機(jī)制，允許用戶編寫的函數(shù)與一個特定的時延相聯(lián)系。這個時延，也是以tick來計量的。任何一個任務(wù)都可以創(chuàng)建Watchdog Timer并指定定時器超時后執(zhí)行的例程。這個例程是在系統(tǒng)時鐘ISR的上下文中執(zhí)行，因此它具有與中斷一樣的優(yōu)先級。Watchdog Timer并非一個周期性的定時器，在超時停止或是中途放棄計時之后，將一直處于靜止?fàn)顟B(tài)。這一點與系統(tǒng)時鐘不同。

看門狗定時器超時之后，指定的函數(shù)在中斷級執(zhí)行?？梢阅７耉xWorks中對異常處理的方法，采用分步處理的方法：在Watchdog Timer的ISR中所作的知識發(fā)送signal，或是釋放信號量等一些簡單的操作，而創(chuàng)建專用的task等待接收這類信號，依據(jù)信號的指示再去執(zhí)行相應(yīng)的復(fù)雜處理。這樣既不會影響系統(tǒng)的實時性，也可以滿足用戶多樣的需求。

這種計時方法可以提供比較精確的計時，其原因在于定時時間一到，所安排的任務(wù)會以中斷級別或更高任務(wù)優(yōu)先級執(zhí)行。作為代價，看門狗定時器比taskDelay（）消耗了更多的系統(tǒng)資源，包括存儲空間和處理器時間。事實上，整個處理的過程可能還會增加中斷處理時間。

2.2 具體實現(xiàn)

需要創(chuàng)建看門狗，并啟動。所需函數(shù)如下：

int wdCreate（）

STATUS wdStart（WDOG_ID wdId， int delay， FUNCPTR pRoutine， int parameter）

3 系統(tǒng)時鐘定時器法

3.1 原理

定時器機(jī)制的實現(xiàn)是建立在時鐘基礎(chǔ)上的。VxWorks為支持精確實時控制，利用不同的硬件定時器提供了系統(tǒng)時鐘和系統(tǒng)輔助時鐘。由于這兩個時鐘都以周期時鐘形式運行，因此相關(guān)的硬件定時器的運行方式也是周期形式。每經(jīng)過一個固定的時間間隔，硬件定時器的ISR將通知VxWorks內(nèi)核。系統(tǒng)時鐘的周期稱為tick，定時的時長只能是tick的整數(shù)倍。由于系統(tǒng)時鐘，處理系統(tǒng)級任務(wù)，因而時鐘頻率一般不能很高。但是可以設(shè)置系統(tǒng)輔助時鐘的tick數(shù)，使其達(dá)到精確地定時。

硬件中斷處理是實時系統(tǒng)設(shè)計的最重要、最關(guān)鍵的問題。由于中斷通常對應(yīng)著外部事件，系統(tǒng)通過中斷與外部事件交互。為了獲得盡可能快的中斷響應(yīng)事件，VxWorks的中斷處理程序運行在特定的上下文中。因此，中斷處理不會涉及任務(wù)任務(wù)上下文的交換。

應(yīng)用程序可以使用VxWorks未用的硬件中斷。VxWorks提供函數(shù)intConnect（），它允許指定的C函數(shù)與任意中斷相聯(lián)系。intConnect（）函數(shù)原型是：

STATUS intConnect

（VOIDFUNCPTR *vector， VOIDFUNCPTR routine， int parameter）

只要在工程中定義了INCLUDE_SYSCLK_INT，系統(tǒng)就會自動完成對系統(tǒng)時鐘的初始化，也就是在文件usrConfig.c中的usrRoot（）函數(shù)中實現(xiàn)?？紤]到需要根據(jù)實際工程中的需求，需要對不同的周期任務(wù)設(shè)定不同的定時器，因而選擇自己對系統(tǒng)時鐘進(jìn)行初始化。本文中設(shè)置了10個定時器，分別為定時10ms，20ms，50ms，100ms，200ms，500ms，1s，2s，5s，10s。

3.2 具體實現(xiàn)

bool timeInital（）

初始化時，首先應(yīng)該關(guān)中斷；其次，調(diào)用sysClkConnect（）掛接時間中斷服務(wù)程序；然后再通過調(diào)用sysClkRateSet（）來設(shè)置系統(tǒng)時鐘每秒中斷的次數(shù)；最后再通過調(diào)用sysClkEnable（）使能對系統(tǒng)時鐘中斷的響應(yīng)。

中斷服務(wù)程序中，需要首先調(diào)用tickAnnounce（），來通知內(nèi)核一個tick事件。本項目工程的中斷服務(wù)程序完成的操作包括：（1）獲取并保存系統(tǒng)時鐘ISR要調(diào)用的例程；（2）關(guān)聯(lián)系統(tǒng)時鐘ISR；（3）對中斷次數(shù)計數(shù)；（4）更新定時器使能標(biāo)志。

需要說明的是，需要定義定時器的結(jié)構(gòu)。若定義多個定時器，則定時器的結(jié)構(gòu)中需包含編號，定時器的時間間隔數(shù)，定時器的時間毫秒數(shù)和定時標(biāo)志。定時標(biāo)志就是定時時刻到為true，否則為false。若定時時刻到，會通知另一個標(biāo)志，并重新將定期器定時標(biāo)志置為false。

4 小結(jié)

本文結(jié)合工程實踐，比較了基于VxWorks操作系統(tǒng)下的多種延時方法。硬件方面，時鐘芯片會在確定的時間內(nèi)為系統(tǒng)產(chǎn)生一個中斷。軟件方面，中斷響應(yīng)的過程也就是計時的過程，不過系統(tǒng)不會為每一次中斷都進(jìn)行處理，而是經(jīng)過一定計數(shù)之后才會產(chǎn)生一個時間片。計時控制的目的就是在一段時間之后開始特定的工作。taskDelay是延時結(jié)束后將任務(wù)置于就緒隊列等候調(diào)度，直至CPU資源可用時執(zhí)行被延遲的任務(wù)?？撮T狗法和系統(tǒng)時鐘定時器法是基于硬件時鐘的， 因而可靠性高。對系統(tǒng)時鐘定時器的中斷服務(wù)程序進(jìn)行了修改，達(dá)到了定時的目的。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]羅國慶.Vxworks與嵌入式軟件開發(fā)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2003，9.

[3]孔祥營，柏桂枝.嵌入式實時操作系統(tǒng)Vxworks及其開發(fā)環(huán)境Tornado[Z]. 2002， 1.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]