基于嵌入式操作系统VxWorks的多任务并发程序设计.docx

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1、基于嵌入式操作系统VxWorks的多任务并发程序设计（1）基本概念02月 13th, 2006 by 宋宝华 作者：宋宝华 e-mail: 出处：软件报(转载请务必注明作者与出处) 1引言 嵌入式系统定义为：嵌入到对象体系中的专用计算机系统。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素，对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。目前，随着高端消费类电子产品(如PDA、手机、智能家电)的普及，嵌入式计算机系统获得了相当广泛的应用。 操作系统在嵌入式软件体系中占据着重要低位，学习和掌握相关的知识是一名嵌入式系统研发人员的必须。 1.1本文的读者对象与写作目的 本文针对的读者对象

2、为入门级的嵌入式系统软件开发人员以及其他对嵌入式操作系统感兴趣的朋友，顺利阅读本文需要读者具备的基本知识能力为： （1）熟练的C语言程序设计能力； （2）操作系统的基本知识。 如果读者具备在Windows平台下进行多线程程序设计或者其他嵌入式操作系统本台下进行多任务程序设计的经验，将对阅读本文有很大的帮助。 本文虽然以VxWorks为介绍的主体对象，但是其中所论述的概念和方法并不局限于VxWorks操作系统本身。它们也同样适用于其它嵌入式操作系统，如WinCE、嵌入式Linux、ucos等，所谓“万变不离其宗”。 笔者力求能以通俗和形象的语言进行论述，但是由于水平有限，文中难免存在错误和纰漏，

3、诚盼读者朋友指正。 1.2 为什么以VxWorks为写作对象 之所以选择VxWorks操作系统为本文的写作对象，是因为： （1）VxWorks具备清晰的多任务并发控制及任务间通信的成熟机制； （2）VxWorks有广泛的使用基础，国内外分布着大量的VxWorks程序员； （3）VxWorks简单易学，便于我们集中目标讲解多任务控制程序本身。 1.3 什么是VxWorks VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），它凭借着良好的可持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据了重要一席。VxWork

4、s具备高可靠性和实时性，因而被广泛地应用在通信、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。在美国的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VxWorks。 VxWorks的 实时性体现在它能在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件作出响应。实时操作系统主要应用于过程控制、数据采集、通信、多媒体信息处理等对时间敏 感的场合；而分时操作系统按照相等的时间片调度进程轮流运行，无法实时响应外部异步事件，因而主要应用于科学计算和实时性要求不高的场合。 VxWorks

5、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。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。VxWorks的内核主要包括： （1）多任务：为满足真实世界事件的异步性，现代操作系统需提供多任务支持，由系统内核分配CPU给多个任务并发执行。如果是单CPU，则执行方式实质是宏观并行、微观串行； （2）任务调度：真实世界的事件具有继承的优先级，当一个高优先级的任务变为可执行态，它会立即抢占当前正在运行的较低优先级的任务，VxWorks对这种优先级抢占调度（Preemptive Priority Scheduling）提供了

6、支持。同时，VxWorks也支持同优先级任务间的时间片轮转调度（Round-Robin Scheduling）； （3）任务间的通讯与同步：在一个实时系统中，系统必须提供多个任务间快速且功能强大的通信机制，并提供为了有效地共享不可抢占的资源或临界区所需的同步机制； （4）任务与中断之间的通信：许多外设以中断方式与CPU通信，我们不宜在中断服务程序（ISR）中进行过多的处理，通常将相应处理交给特定任务去完成。 VxWorks前些年对我国一直采取禁运措施，自从对中国的销售解禁以来，它在中国赢得了越来越多的用户。 2 进程、线程与任务 既然我们是讲解一种操作系统，那我们就有必要再老生长叹一次进程与线

7、程的概念及其区别。 进程（Process） 是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。程序只是一组指令的有序集合，它本身没有任何运行 的含义，只是一个静态实体。而进程则不同，它是程序在某个数据集上的执行，是一个动态实体。它因创建而产生，因调度而运行，因等待资源或事件而被处于等待 状态，因完成任务而被撤消，反映了一个程序在一定的数据集上运行的全部动态过程。 线程（Thread）是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位。线程不能够独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。 线 程和进程的关系是：线程是属于进程的，线

8、程运行在进程空间内，同一进程所产生的线程共享同一内存空间，当进程退出时该进程所产生的线程都会被强制退出并清 除。线程可与属于同一进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源，但是其本身基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的信息(如程序计数器、一组寄存器和栈)。 根据进程与线程的设置，操作系统大致分为如下类型： （1）单进程、单线程，MS-DOS大致是这种操作系统； （2）多进程、单线程，多数UNIX（及类UNIX的LINUX）是这种操作系统； （3）多进程、多线程，Windows NT（以及基于NT内核的Windows 2000、XP等）、Solaris 2.x和OS/2都是这种操作系统

9、； （4）单进程、多线程，可以认为VxWorks是这种操作系统。VxWorks只有一个进程（内存空间和资源分配），其任务的概念与线程大致相当，所有任务之间共享内存和其它资源。 3 开发环境 嵌入式软件开发不同于PC机Windows操作系统之上的应用软件开发，它一般需要一个交叉编译和调试环境。编译和调试软件运行在宿主机上（我们通常使用的PC机，Windows操作系统），它们按照目标平台CPU指令集生成目标代码，并将目标代码下载到目标机上运行；此后，主机和目标机需建立通讯连接，并传输调试命令和数据。调试方式如下图所示：VxWorks的开发环境为WindRiver公司提供的Tornado，它支持的目

10、标平台可以是X86、ARM、PowerPC等类型处理器。Tornado包含三个高度集成的部分： （1）运行在宿主机和目标机上的强有力的交叉开发工具和实用程序； （2）运行在目标机上的高性能、可裁剪的实时操作系统VxWorks； （3）连接宿主机和目标机的多种通讯方式，如：以太网，串口线，ICE或ROM仿真器等。 对于不同的目标机，Tornado给开发者提供一个一致的图形接口和人机界面，如下图所示：我们通常需要一块目标电路板来进行嵌入式系统的开发调试工作，但是相信还有相当多的读者朋友没有目标开发电路板，为了实现本文中代码的调试，我们可采用两种方式： （1）使用Tornado提供的VxSim模拟器

11、来模拟调试，在此模拟器平台上，我们同样可以实现和运行本文中将介绍的大部分程序。VxSim是一个原型仿真器，它能使开发者在没有实际目标硬件的情况下，先进行原型机应用程序的开发。如果我们要调试BSP程序，不能依赖此平台。其界面很简洁，如下图：（2）使用著名的VmWare虚拟机软件虚拟一个X86目标机平台，安装对应于X86版本的Tornado，我们可以调试BSP和一般应用程序。VMWare是一个“虚拟机”软件，它使用户可以在一台机器上同时运行多个WIN2000/WINNT/WIN9X /DOS/LINUX/VxWorks等系统。VmWare是较“多启动”是一个更好的选择：“多启动”系统在一个时刻只能

12、运行一个系统，在系统切换时需要重新启动机器，而VmWare则使用运行于Windows之上，各种操作系统的切换直接在VmWare软件中进行。VmWare的界面如下图：Posted in 3.嵌入式系统 | No Comments 基于嵌入式操作系统VxWorks的多任务并发程序设计（2）任务控制03月 5th, 2006 by 宋宝华 基于嵌入式操作系统VxWorks的多任务并发程序设计（2） 任务控制 作者：宋宝华 e-mail: 出处：软件报 4 任务与任务状态 VxWorks实时内核Wind提供了基本的多任务环境。对用户而言，宏观上看起来，多个任务同时在执行。而本质而言，在微观上，系统内核

13、中的任务调度器总是在根据特定的调度策略让它们交替运行。系统调度器需要使用任务控制块（TCB)数据结构来管理任务调度功能，TCB被用来描述一个任务。TCB中存放了任务的上下文（context)信息，主要包括程序计数器PC、CPU内部寄存器、浮点寄存器、堆栈指针SP、任务信息等。每一任务都与一个TCB关联，当执行中的任务被停止时，任务的上下文信息需要被写入TCB；而当任务被重新执行时，必须要恢复这些上下文信息。 VxWorks的一个任务可能处于如下几种状态： Ready：就绪状态（不是运行状态），其他资源已经就绪，仅等待CPU，当获得CPU后，就进入Running状态； Pended：阻塞状态，由

14、于等待某些资源（CPU除外）而阻塞； Suspended：挂起状态，这种状态需要用taskResume才能恢复，主要用于调试。不会约束状态的转换，仅仅约束任务的执行； Delayed：睡眠状态，任务以taskDelay主动要求等待一段时间再执行； 这些状态之间的转换关系如下： 任务状态转换 完成方式 Ready-pended 通过semTake()/msgQReceive()调用 Ready-delayed 通过taskDelay() ready-suspended 通过taskSuspend() pended-ready 通过其它任务对semaGive()/msgQSend()的调用 pen

15、ded-suspended 通过其它任务对taskSuspend()调用 delayed-ready 延迟期满 delayed-suspended 通过taskSuspend()调用 suspended-ready 通过taskResume()/taskActivate()调用 suspended-pended 通过其它任务的taskResume()调用 suspended-delayed 通过其它任务的taskResume()调用 5 任务控制 5.1创建任务 VxWorks程序员创建任务需使用如下API：taskSpawn (char *name, int priority, int op

16、tions, int stackSize, FUNCPTR entryPt, int arg1, int arg2, int arg3, int arg4, int arg5, int arg6, int arg7, int arg8, int arg9, int arg10); 该API的参数定义如下： name：任务名； priority：任务优先级； options：任务选项，下表给出了各种option及其含义： 选项 16进制值 含义 VX_FP_TASK 00008 执行浮点协处理 VX_NO_STACK_FILL 00100 不对任务堆栈填充0xee VX_PRIVATE_ENV

17、00080 执行一个环境私有的任务 VX_UNBREAKABLE 00002 使任务不能断点 VX_DSP_TASK 00200 1 = DSP协处理支持 VX_ALTIVEC_TASK 00400 1 = ALTIVEC协处理支持 stacksize：任务堆栈大小； main：任务入口函数； arg1,arg10：任务入口函数参数 下面来看一个具体的例子： 例1：创建任务 /* includes */ #include vxWorks.h #include taskLib.h #include sysLib.h int tid; /* task function */ void myFunc

18、(void) int i; printf(Hello, I am task %dn, taskIdSelf(); /* Print task Id */ for (i = 0; i 10; i+) printf(%d , i); taskDelay(sysClkRateGet ( ) / 2); /* user entry */ void user_start() printf(ready to begin a new taskn); tid = taskSpawn(myTask, 90, VX_NO_STACK_FILL, 2000, (FUNCPTR) myFunc, 0, 0, 0, 0

19、, 0, 0, 0, 0, 0, 0); 程序运行，在VxSim上输出： Hello, I am task 14870080 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 taskDelay(sysClkRateGet ( ) / 2)语句的含义为将任务延迟0.5S，因此，0、19的数字输出之间间隔0.5S。 要特别注意taskSpawn函数的options参数，在如下几种情况下我们都要将其它options与 VX_FP_TASK做“按位或”操作使得任务支持浮点运算（如果仅包含此选项，则不需进行或操作）： （1）执行浮点操作； （2）调用返回任何浮点数的函数； （3）调用参数为浮点数的函数。 例如下

20、列程序启动任务的方式就不正确： 例2：创建浮点支持任务 /* task including float calculate */ void floatTask(void) printf(%f, 100 / 30.0); /* user entry */ void user_start() taskSpawn(floatTask, 90, VX_NO_STACK_FILL, 2000, (FUNCPTR) floatTask, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0); 应该将对taskSpawn函数调用的代码改为： taskSpawn(floatTask, 90, VX_NO

21、_STACK_FILL | VX_FP_TASK, 2000, floatTask, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0); 5.2 终止任务 exit() ：终止当前任务。这个函数是不安全的，任务终止后，其所占据的内存空间并未释放，请看下面的程序： 例3：任务退出 /* includes */ #include vxWorks.h #include taskLib.h #include sysLib.h int tid; /* task function */ void myFunc(void) int i; printf(Hello, I am task %dn, t

22、askIdSelf(); /* Print task Id */ for (i = 0; i 5; i+) printf(%d , i); taskDelay(sysClkRateGet() / 2); exit(0); for (i = 5; i 10; i+) printf(%d , i); taskDelay(sysClkRateGet() / 2); /* user entry */ void user_start() printf(ready to begin a new taskn); tid = taskSpawn(myTask, 90, 0100, 2000, (FUNCPTR

23、) myFunc, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0); 这次程序仅仅输出： Hello, I am task 14868640 0 1 2 3 4 这意味着exit(0)语句之后的循环for (i = 5; i 10; i+)没有被执行。 taskDelete()函数：终止任务并释放任务占用的内存（堆栈和任务控制块空间），其原型为：extern STATUS taskDelete (int tid); 参数tid为任务的ID。请看下面的例子：例4：删除任务 /* includes */ #include vxWorks.h #include taskLib.h #in

24、clude sysLib.h int tid; /* task function */ void myFunc(void) int i; printf(Hello, I am task %dn, taskIdSelf(); /* Print task Id */ for (i = 0; i 10; i+) printf(%d , i); taskDelay(sysClkRateGet() / 2); /* another task function:delete my task */ void delMyTaskFunc(void) taskDelay(sysClkRateGet() *4);

25、 printf(ready to delete taskn); taskDelete(tid); /* user entry */ void user_start() printf(ready to begin new tasksn); tid = taskSpawn(myTask, 90, 0100, 2000, (FUNCPTR) myFunc, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0); taskSpawn(delMyTask, 90, 0100, 2000, (FUNCPTR)delMyTaskFunc, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0);

26、运行输出： Hello, I am task 14868640 0 1 2 3 4 5 6 7 ready to begin a new task 程序为运行输出8、9，这是因为在此之前，myTask已经被另一个任务delMyTask删除。 任务可能被taskDelete()调用删除掉，但这一行为也不一定是安全的。如果我们删除一个获得了某些资源（如二进制信号量等）的任务，则对应的资源将不被释放，到站其它正在等待该资源的任务永远不能获得资源，系统会挡掉。我们可以用 taskSafe()和 taskUnsafe ()来保护这种区域，例如： taskSafe (); semTake (semId,

27、WAIT_FOREVER); /* Block until semaphore available */ . . .critical region . semGive (semId);semGive (semId); /* Release semaphore */ taskUnsafe (); 5.3 延迟任务 taskdelay()提供了一个简单的任务睡眠机制，常用于需要定时/延时机制的应用中。它的原型是： STATUS taskDelay(int ticks /* number of ticks to delay task */); 可以看出使用该函数实现延时的单位为节拍（tick）。在V

28、xWorks下通常以如下方式调用taskDelay()函数： taskDelay(sysClkRateGet()*n); 其中的n是要延迟的时间，以秒为单位。其中的sysClkRateGet(int ticks /* number of ticks every second */)函数返回系统的时钟速率，单位是tick数/每秒。操作系统每秒的tick数可以利用sysClkRateSet()函数设置。 5.4 挂起/恢复/重启任务 我们可以使用taskSuspend()函数挂起一个任务的运行，这个任务只有获得对应的taskResume()后才能再次运行，这两个API的原型为： extern ST

29、ATUS taskSuspend (int tid); extern STATUS taskResume (int tid); 例5：挂起/恢复任务 /* includes */ #include vxWorks.h #include taskLib.h #include sysLib.h int tid; /* task function */ void myFunc(void) int i; printf(Hello, I am task %dn, taskIdSelf(); /* Print task Id */ for (i = 0; i 10; i+) printf(%d , i);

30、 taskDelay(sysClkRateGet() / 2); /* suspend and resume task */ void suspendResumeMyTask(void) taskDelay(sysClkRateGet() *3); taskSuspend(tid); printf(my task is suspendedn); taskDelay(sysClkRateGet() *3); taskResume(tid); /* user entry */ void user_start() printf(ready to begin new tasksn); tid = ta

31、skSpawn(myTask, 90, 0100, 2000, (FUNCPTR) myFunc, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0); taskSpawn(suspendResumeMyTask, 90, 0100, 2000, (FUNCPTR) suspendResumeMyTask, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0); 运行输出： Hello, I am task 17753664 0 1 2 3 4 5 my task is suspended 6 7 8 9 这个程序运行3秒后，suspendResumeMyTask任务挂起了myT

32、ask，输出“my task is suspended”。suspendResumeMyTask本身延迟3秒后恢复myTask，使得myTask再次输出“6 7 8 9”。显然，“6 7 8 9”与“0 1 2 3 4 5”的输出之间间隔了3秒以上的时间。 如果我们将上述程序改为： 例6：重启任务 /* includes */ #include vxWorks.h #include taskLib.h #include sysLib.h int tid; /* task function */ void myFunc(void) int i; printf(Hello, I am task %

33、dn, taskIdSelf(); /* Print task Id */ for (i = 0; i 10; i+) printf(%d , i); taskDelay(sysClkRateGet() / 2); /* reset task */ void resetMyTask(void) taskDelay(sysClkRateGet() *3); printf(my task will be resetedn); taskRestart(tid); /* user entry */ void user_start() printf(ready to begin new tasksn);

34、 tid = taskSpawn(myTask, 90, 0100, 2000, (FUNCPTR) myFunc, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0); taskSpawn(resetMyTask, 90, 0100, 2000, (FUNCPTR)resetMyTask, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0); 运行输出： Hello, I am task 17753664 0 1 2 3 4 5 my task will be reseted Hello, I am task 17753664 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 我们可以

35、使用taskRestart()函数重新启动一个任务，不管任务当前处于什么状态，它都会被重新开始。该API的原型是： extern STATUS taskRestart (int tid); 在例6中，程序运行3秒后resetMyTask启动，它复位了myTask，因此myTask被重新执行，“Hello, I am task ”以及“0 1 2 3 4 5”被再次输出。 5.5任务钩子 有过Windows钩子（Hook）编程经验的读者应该对其概念并不陌生，Hook作为回调函数，当被挂接后。操作系统发生特定的事情时，将触发这个Hook回调函数的执行。VxWorks也有钩子的概念，不过比Windo

36、ws要简单许多，主要有taskCreateHook、taskDeleteHook、taskSwitchHookAdd，可以通过如下6个API来添加和删除这三种Hook： STATUS taskCreateHookAdd (FUNCPTR createHook /* routine to be called when a task is created */ ); STATUS taskCreateHookDelete (FUNCPTR createHook /* routine to be deleted from list */); STATUS taskSwitchHookAdd (FUN

37、CPTR switchHook /* routine to be called at every task switch */); STATUS taskSwitchHookDelete (FUNCPTR switchHook /* routine to be deleted from list */); STATUS taskDeleteHookAdd (FUNCPTR deleteHook /* routine to be called when a task is deleted */); STATUS taskDeleteHookDelete (FUNCPTR deleteHook /

38、* routine to be deleted from list */); 请看例程： 例7：任务钩子Hook /* includes */ #include vxWorks.h #include taskLib.h #include taskHookLib.h /taskHook所对应的库 /* task function */ void myFunc(void) int i; printf(Hello, I am task %dn, taskIdSelf(); /* Print task Id */ /* taskCreatHook */ void myTaskHook(void) pr

39、intf(task hook function calledn); /* user entry */ void user_start() taskCreateHookAdd( (FUNCPTR) myTaskHook); taskSpawn(myTask, 90, 0100, 2000, (FUNCPTR) myFunc, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0); 运行输出： task hook function called Hello, I am task 14868640 5.6 其它重要API 与任务控制相关的其它重要API还有： /设置任务优先级extern ST

40、ATUS taskOptionsSet (int tid, int mask, int newOptions); /获得任务优先级extern STATUS taskOptionsGet (int tid, int *pOptions); /从任务ID获得任务名extern char *taskName (int tid); /从任务名获得任务IDextern int taskNameToId (char *name); /确认ID为tid的任务是否存在extern STATUS taskIdVerify (int tid); /获得任务自身IDextern int taskIdSelf (v

41、oid); /任务状态是否为readyextern BOOL taskIsReady (int tid); /任务状态是否为Suspendedextern BOOL taskIsSuspended (int tid); /获得任务的TCB指针extern WIND_TCB *taskTcb (int tid); /获得任务的优先级STATUS taskPrioritySet (int tid, /* task ID */ int newPriority /* new priority */ ); /任务锁定与解锁：一个任务调用taskLock()后，任务运行时将没有基于优先级的抢占发生；而ta

42、skUnlock()则用于恢复锁定。extern STATUS taskLock (void); extern STATUS taskUnlock (void); 基于嵌入式操作系统VxWorks的多任务并发程序设计（3）任务调度03月 7th, 2006 by 宋宝华 基于嵌入式操作系统VxWorks的多任务并发程序设计（3） 任务调度 作者：宋宝华 e-mail: 出处：软件报 VxWorks支持两种方式的任务调度： （1）基于优先级的抢占调度(Preemptive Priority Based Scheduling) 抢占是指正在执行的任务可以被打断，让另一个任务运行，它可以提高应用程序

43、对异步事件的响应能力。基于优先级的抢占调度是最常见的抢占机制，用户任务被分配一个优先级，操作系统内核总是调度优先级最高的就绪任务运行于CPU。当系统正在执行低优先级任务时，一旦有更高优先级的任务准备就绪，OS内核会立即进行任务的上下文切换。 VxWorks的Wind内核划分优先级为256 级（0255）。优先级0为最高优先级，优先级255为最低。当任务被创建时，系统根据用户指定的值分配任务优先级。VxWorks的任务优先级也可以是动态的，它们能在系统运行时被用户使用系统调用taskPrioritySet()来加以改变。 （2）时间片轮转调度（Round-Robin Scheduling) 时间

44、片轮转调度指的是操作系统分配一定的时间间隔（时间片），使每个任务轮流运行于CPU。在VxWorks中，对于优先级相同的多个任务，如果状态为ready，则其可以通过时间片轮转方式公平享有CPU资源。 轮转调度法给处于就绪态的每个同优先级的任务分配一个相同的执行时间片，时间片的大小可由系统调用KernelTimeSlice指定。为对轮转调度进行支持，系统给每个任务提供一个运行时间计数器，任务运行时每一时间滴答计数器加1。一个任务用完时间片之后，OS停止执行该任务，将它放入就绪队列尾部，并将其运行时间计数器置零。接着，OS执行就绪队列中的下一个任务。 6. 任务调度 6.1时间片轮转调度 我们来看一个具体的例子，在这个程序中，用户启动了三个优先级相同的任务，并通过对kernelTimeSlice(TIMESLICE)的调用启动了时间片轮转调度。 例1：时间片轮转调度 /* includes */ #include vxWorks.h #include taskLib.h #include kernelLib.h #include sysLib.h /* function prototypes */ void taskOne(void); void taskTwo(void); void