白曉慧

【摘 要】比較了基于VxWorks操作系統(tǒng)的多種延時(shí)方法，編寫了基于系統(tǒng)時(shí)鐘定時(shí)器的延時(shí)方法的中斷服務(wù)程序。該方法精確，可靠。已在工程實(shí)踐中，證實(shí)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(shí)方法；中斷服務(wù)程序

0 引言

VxWorks操作系統(tǒng)是運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上的高性能、可裁剪的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中。

在實(shí)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(shí)間。這類任務(wù)一般會(huì)為BIT檢測(cè)任務(wù)，鏈路檢測(cè)任務(wù)，點(diǎn)跡查詢?nèi)蝿?wù)等。這段等待時(shí)間，在VxWorks操作系統(tǒng)中，可以通過多種延時(shí)方法實(shí)現(xiàn)。

1 taskDelay法

1.1 原理

taskDelay（）是最簡(jiǎn)單的延時(shí)方法。延時(shí)操作提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)休眠機(jī)制。當(dāng)一個(gè)任務(wù)調(diào)用taskDelay（）后，它將主動(dòng)放棄CPU一段時(shí)間，進(jìn)入Delay狀態(tài)。超時(shí)后，這個(gè)任務(wù)會(huì)排到Ready隊(duì)列中同優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的隊(duì)尾等待執(zhí)行。它的單位是tick，tick是VxWorks下的時(shí)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(gè)值可以隨意設(shè)置。不過，設(shè)置的時(shí)候要根據(jù)實(shí)際需要，而不是每個(gè)時(shí)間片的間隔越短越好。時(shí)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(shí)間片數(shù)量過大，內(nèi)核調(diào)度所消耗的CPU資源就會(huì)過多，從而影響整機(jī)效率。在實(shí)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(jí)的任務(wù)。由于其延時(shí)的基本單位為tick，因此，最小延時(shí)單位為10ms，延時(shí)精度不高。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)該任務(wù)通過taskDelay（）進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，若這段時(shí)間內(nèi)被高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)占有資源時(shí)，則一直得等高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)放棄資源時(shí)，這個(gè)任務(wù)才會(huì)獲得資源。

因此，taskDelay（）延時(shí)很方便，卻需要有一定的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際的延時(shí)時(shí)間為預(yù)設(shè)延時(shí)時(shí)間與排隊(duì)等候時(shí)間之和，這樣將會(huì)導(dǎo)致延時(shí)不準(zhǔn)確，也對(duì)任務(wù)的調(diào)度安排提出了一個(gè)挑戰(zhàn)。這樣看來(lái)，時(shí)間片延時(shí)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(lái)決定。如果沒有任務(wù)占用CPU，等待的誤差不超過一個(gè)時(shí)間片的時(shí)間長(zhǎng)短；如果有高優(yōu)先級(jí)或同優(yōu)先級(jí)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(shí)現(xiàn)

STATUS taskDelay（int ticks）

2 看門狗法

2.1 原理

實(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)的執(zhí)行一般都有時(shí)限的約束。VxWorks提供了一種看門狗定時(shí)器機(jī)制，允許用戶編寫的函數(shù)與一個(gè)特定的時(shí)延相聯(lián)系。這個(gè)時(shí)延，也是以tick來(lái)計(jì)量的。任何一個(gè)任務(wù)都可以創(chuàng)建Watchdog Timer并指定定時(shí)器超時(shí)后執(zhí)行的例程。這個(gè)例程是在系統(tǒng)時(shí)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(jí)。Watchdog Timer并非一個(gè)周期性的定時(shí)器，在超時(shí)停止或是中途放棄計(jì)時(shí)之后，將一直處于靜止?fàn)顟B(tài)。這一點(diǎn)與系統(tǒng)時(shí)鐘不同。

看門狗定時(shí)器超時(shí)之后，指定的函數(shù)在中斷級(jí)執(zhí)行。可以模仿VxWorks中對(duì)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(shí)發(fā)送signal，或是釋放信號(hào)量等一些簡(jiǎn)單的操作，而創(chuàng)建專用的task等待接收這類信號(hào)，依據(jù)信號(hào)的指示再去執(zhí)行相應(yīng)的復(fù)雜處理。這樣既不會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，也可以滿足用戶多樣的需求。

這種計(jì)時(shí)方法可以提供比較精確的計(jì)時(shí)，其原因在于定時(shí)時(shí)間一到，所安排的任務(wù)會(huì)以中斷級(jí)別或更高任務(wù)優(yōu)先級(jí)執(zhí)行。作為代價(jià)，看門狗定時(shí)器比taskDelay（）消耗了更多的系統(tǒng)資源，包括存儲(chǔ)空間和處理器時(shí)間。事實(shí)上，整個(gè)處理的過程可能還會(huì)增加中斷處理時(shí)間。

2.2 具體實(shí)現(xiàn)

需要?jiǎng)?chuàng)建看門狗，并啟動(dòng)。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(shí)鐘定時(shí)器法

3.1 原理

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

硬件中斷處理是實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最重要、最關(guān)鍵的問題。由于中斷通常對(duì)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(yùn)行在特定的上下文中。因此，中斷處理不會(huì)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(huì)自動(dòng)完成對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化，也就是在文件usrConfig.c中的usrRoot（）函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。考慮到需要根據(jù)實(shí)際工程中的需求，需要對(duì)不同的周期任務(wù)設(shè)定不同的定時(shí)器，因而選擇自己對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行初始化。本文中設(shè)置了10個(gè)定時(shí)器，分別為定時(shí)10ms，20ms，50ms，100ms，200ms，500ms，1s，2s，5s，10s。

3.2 具體實(shí)現(xiàn)

bool timeInital（）

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

中斷服務(wù)程序中，需要首先調(diào)用tickAnnounce（），來(lái)通知內(nèi)核一個(gè)tick事件。本項(xiàng)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(shí)鐘ISR要調(diào)用的例程；（2）關(guān)聯(lián)系統(tǒng)時(shí)鐘ISR；（3）對(duì)中斷次數(shù)計(jì)數(shù)；（4）更新定時(shí)器使能標(biāo)志。

需要說(shuō)明的是，需要定義定時(shí)器的結(jié)構(gòu)。若定義多個(gè)定時(shí)器，則定時(shí)器的結(jié)構(gòu)中需包含編號(hào)，定時(shí)器的時(shí)間間隔數(shù)，定時(shí)器的時(shí)間毫秒數(shù)和定時(shí)標(biāo)志。定時(shí)標(biāo)志就是定時(shí)時(shí)刻到為true，否則為false。若定時(shí)時(shí)刻到，會(huì)通知另一個(gè)標(biāo)志，并重新將定期器定時(shí)標(biāo)志置為false。

4 小結(jié)

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

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]