VxWorks 及其应用开发

1. VxWorks及其应用开发 陈香兰 xlanchen@ustc.edu.cn http://staff.ustc.edu.cn/~xlanchen 2006年7月

2. 课程内容 • VxWorks和Tornado简介 • 任务和任务间通信 • 信号、中断处理与定时机制 • 调试环境与实例分析 • 网络编程 • VxWorks操作系统配置

3. VxWorks的任务与任务编程接口 xlanchen@2006.7.12

4. 1. VxWorks的任务1.1 多任务 • 软件设计时，通常将应用划分成独立的、相互作用的程序集合。对于每个程序，当其执行时，我们称之为任务 • VxWorks实时内核Wind提供基本的多任务环境 • 在单CPU系统中，多任务构造出多个线程并发执行的假象 • 系统根据调度算法，调度这些任务运行

5. 任务有自己的上下文 • 包括CPU环境、系统资源等 • 任务由系统内核调度运行 • 上下文切换时，任务的上下文保存在任务控制块（TCB）中 • 一个任务的上下文包括： • 任务的执行点（程序计数器） • CPU寄存器和浮点计数器

6. 动态变量和函数调用的堆栈 • 标准输入/输出以及出错的I/O分配 • 一个延时定时器 • 一个时间片定时器 • 内核控制结构 • 信号处理器 • 调试和性能监视值

7. 与Windows系统不同，VxWorks操作系统的内存是线性的与Windows系统不同，VxWorks操作系统的内存是线性的 • 使用单地址空间 • 所有代码执行在单一、公共的地址空间内 • 因此地址空间不属于任务上下文 • 当选用VxVMI时，每个任务各自的地址空间需要进行虚拟地址到物理地址的转换

8. 1.2 任务状态转换 • 任务状态反映任务当前在系统中所处的情形 • 任务状态由内核负责维护。因此，任务状态的转换是应用调用了某些内核调用的结果

9. 任务的状态 • 就绪（READY） • 阻塞（PEND） • 睡眠（DELAY） • 挂起（SUSPEND） • DELAY+S • PEND+S • PEND+T • PEND+S+T • State+T 任务只需要等待CPU资源 由于CPU以外的资源不可用而阻塞 任务处于睡眠状态 这种任务状态不能执行。主要用于调 试。不会约束状态转换，仅仅约束任 务的执行。因此，pended-suspended任 务仍然可以解锁，delayed-suspended 任务仍然可以唤醒 既处于睡眠状态又处于挂起状态 既处于阻塞状态又处于挂起状态 超时阻塞 超时阻塞并挂起 处于State带有一个继承优先级的任务状态

10. 任务状态的定义

11. 任务的状态转换图 任务创建时，处于挂起状态 挂起 要使刚创建的任务就绪， 要激活该任务 taskResume() taskResume() taskSuspend() taskSuspend() taskSuspend() taskResume()/taskActivate() 睡眠 阻塞 就绪 taskDelay() 延时已到 使用spawning原语，可以直接 创建并激活一个任务 调度 semTake()/msgQReceive() semGive()/msgQSend() 抢占 执行 任务可以在任何状态下被删除

12. 任务状态队列

13. 1.3 Wind任务调度 • 调度是针对多任务而言的 • 调度是指：根据一定的约束规则，将CPU分配给符合条件的任务使用 • 上述约束规则就是所谓的调度算法 • Wind内核默认采用基于优先级的抢占式调度Priority-based preemptive scheduling • 同时还使用轮转（Round-Robin）调度算法

14. 控制任务调度的函数调用 • kernelTimeSlice() • taskPrioritySet() • taskLock() • taskUnlock() 控制轮转调度 改变任务的优先级 禁止任务调度 允许任务调度

15. 基于优先级的抢占式任务调度 • 基于优先级的抢占式任务调度 • 系统中的每个任务都拥有一个优先级 • 任意时刻，内核将CPU分配给处于就绪态的优先级最高的任务运行 • 抢占：一旦内核发现有一个比当前正在运行的任务的优先级高的任务就绪，内核立即保存当前任务的上下文，切换到这个高优先级任务的上下文中运行

16. 举例：

17. Wind内核的优先级 • 256个，编号0~255 • 优先级0最高，255最低 • 任务的优先级在创建时指定 • 任务可以调用taskPrioritySet改变自己的优先级 • taskPrioritySet/Get的使用举例

18. taskPrioritySet/Get的使用举例

19. 轮转调度 • 轮转调度通常配合基于优先级的抢占式调度进行 • 轮转调度：让优先级相同的、处于就绪态的任务公平地共享CPU • 轮转调度使用时间片来分配CPU • 每个任务执行一个预先确定的时间段（即时间片）

20. VxWorks中，调用函数kernelTimeSlice()来使用轮转调度VxWorks中，调用函数kernelTimeSlice()来使用轮转调度 • 参数为时间片的长度（即：在每个任务放弃CPU给另一个同优先级的任务之前，系统允许它运行的最大时间长度）

21. 使用轮转调度算法时，每个任务都有一个运行时间计数器使用轮转调度算法时，每个任务都有一个运行时间计数器 • 随着系统时钟增加而增加 • 达到规定的值（时间片的值）时，清0 • 此时，任务放到所在优先级队列的尾部 • 一个新加入的任务放在所属优先级队列的尾部，计数器初始为0 • 当被高优先级任务抢占时，保存它的当前运行时间计数器，下次被调度时，恢复这个值

22. 举例

23. 抢占上锁 • 在实际应用中，有时候需要避免抢占，以免发生不合理的抢占或发生一些意想不到的情况 • Wind的调度器提供taskLock()和taskUnlock()来禁止/允许抢占 • 当一个任务调用taskLock()，将会禁止抢占，在该任务执行时，将不会发生基于优先级的抢占

24. 注意：禁止抢占只能防止任务的上下文切换，不能禁止中断注意：禁止抢占只能防止任务的上下文切换，不能禁止中断 • 禁止抢占可以用来实现互斥 • 但是，应当尽量使禁止抢占的时间最小

25. 1.4 任务异常处理 • 程序代码或数据的错误可能引起硬件异常状态，例如 • 非法指令 • 总线或地址错 • 除数为0 • 等等 • VxWorks的异常处理包处理这些异常

26. 默认的异常处理 • 挂起引起异常的任务 • 保存该任务在异常点的状态 • 将关于异常的描述送到Tornado开发工具中 • 同时内核和其他任务不会被中断，系统继续执行

27. 定制的异常处理 • VxWorks允许任务使用信号功能激活自己的异常处理程序 • 如果一个任务已经提供了一个异常的信号处理程序，系统的默认处理过程不被执行

28. 1.5 共享代码和重入 • VxWorks提倡：单个子程序的备份或子程序库被多个不同的任务调用 • 如，许多任务会调用printf()，但是系统中只有一个备份 • 定义：一个被多个任务调用的单个备份成为共享代码 • VxWorks动态链接功能很容易实现代码共享

29. 例如

30. 重入 • 共享代码必须是可重入的： • 一个子程序是可重入的，如果该程序的单个备份可以被多个任务同时调用而不会发生冲突 • 典型的冲突： • 对全局或静态变量的修改 • VxWorks的很多子程序是可重入的 • 惯例：所有name_r()命名的子程序被认为是不可重入的 • VxWorks的I/O和驱动程序是可重入的

31. 大部分VxWorks程序使用的重入机制 • 使用动态堆栈变量 • 使用信号量保护全局或静态变量 • 任务变量 • Wind推荐使用上述技术编写可重入代码

32. 动态堆栈变量 • 许多子程序仅仅是纯代码，除了动态堆栈变量外没有自己的数据 • 这些程序除了调用者以参数形式提供的数据之外，不需要其他数据 • 例如lstLib链表操作库 • 它的程序操作由调用者提供lists和nodes • 这种程序只在自己的堆栈内进行操作

33. 动态堆栈变量，图示

34. 受保护的全局/静态变量 • 使用semLib中提供的信号量对全局/静态变量进行互斥保护 • 将在任务间通信中介绍信号量机制

35. 任务变量 • 任务变量机制允许在任务上下文中定义自己的私有变量，随着上下文切换而切换 随着上下文的切换而切换

36. 使用相同主程序的多个任务 • VxWorks可以使用同一个主程序作为几个不同的任务运行，每个任务将使用自己的堆栈和上下文，并分别传给该程序不同的参数 • 可以满足同一个程序需要以不同的参数并发执行的情况，例如 机械臂的多个连接可以使用相同 的代码joint来控制，使用关节号 来指定要操纵的连接

37. VxWorks的系统任务 VxWorks包含以下系统任务： • 根任务tUsrRoot • 内核执行的第一个任务 • 初始化VxWorks系统的主要功能，例如 • 发起日志任务、异常处理任务、网络任务和tRlogind后台任务 • 通常，上述初始化结束之后，根任务终止并删除 • 用户可以向根任务自由的添加任何必需的初始化代码 • 阅读usrRoot代码

38. 日志任务：tLogTask • 记录系统信息的任务 • 异常处理任务：tExcTask • 提供VxWorks异常处理包，完成在中断级不能执行的功能 • 必需具有系统最高的优先级 • 不需要挂起、删除、改变其任务的优先级

39. 网络任务：tNetTask • 后台处理VxWorks网络需要的任务级功能处理 • 目标代理服务：tWdbTask • 当目标代理设置为运行在任务模式时，创建此任务 • 处理来自Tornado目标服务的请求 • 其他可选组件的任务 • tShell • tRlogind • tTelnetd • tPortmapd

41. 2、VxWorks任务编程接口 • VxWorks提供丰富的任务控制功能，包含在taskLib库中 • 包括： • 任务的创建、控制和获取任务信息 • 可以在Tornado IDE提供的shell工具中交互使用这些调用

42. taskLib库

43. taskSpawn()：创建并激活一个新任务 int taskSpawn ( char *name, /*新任务的任务名*/ int priority, /*新任务的优先级*/ int options, /*任务选项字*/ int stackSize, /*堆栈大小*/ FUNCPTR entryPt, /*新任务的入口函数*/ int arg1,arg2,arg3,arg4,arg5, /*传递给入口函数*/ int arg6,arg7,arg8,arg9,arg10 /*的10参数*/ )

44. 在源代码中使用TaskSpawn创建新任务 • 在Tornado Shell中 • 使用TaskSpawn创建新任务 • 使用i查看系统中的任务（演示）

45. TaskSpawn() • 创建新任务的上下文 • 堆栈、含有特定参数的入口程序调用的任务环境（入口程序通常是一个普通的程序） • 新的任务将在指定的函数入口处执行 • 任务名要便于记忆，可以是任意长度、任意内容 • 堆栈是系统资源，位于系统内存中 • 其底端是TCB和任务名 • 堆栈使用0xEE填充

46. 堆栈示意 栈底 高地址 TCB 低地址

47. taskSpawn()返回值 • 成功：任务ID号 • 失败：ERROR返回的ERRNOS可能有： • S_intLib_NOT_ISR_CALLABLE, /*程序不能从一个ISR中调用*/ • S_objLib_OBJ_ID_ERROR, /*不正确的任务ID*/ • S_smObjLib_NOT_INITIALIZED, /*在指定的分区中，没有足够的内存用于发起任务*/ • S_memLib_NOT_ENOUGH_MEMORY, /*没有足够的内存发起任务*/ • S_memLib_BLOCK_ERROR,  /*不能够对内存分区互斥访问*/ • S_taskLib_ILLEGAL_PRIORITY /*非法的优先级*/

48. 初始化、激活一个任务 • taskSpawn()中包含了一些低级的操作，包括初始化和激活一个任务 • taskInit() • taskActivate()

49. taskInit()初始化一个任务 STATUS taskInit ( WIND_TCB *pTcb, /*新任务的TCB地址*/ char *name， /*新任务的名字*/ int priority, /*新任务的优先级*/ int options, /*任务选项字*/ char *pStackBase, /*任务堆栈基地址*/ int stackSize, /*堆栈大小*/ FUNCPTR entrypt, /*任务入口*/ int arg1,arg2,arg3,arg4,arg5, /*入口参数*/ int arg6,arg7,arg8,arg9,arg10 ) 允许不指定任务名，由系统自动命名 初始化指定的内存区域作为任务的堆栈 和控制块，而不像taskSpawn()那样由系 统自动分配 可以方便应用进行调试，并将堆栈分配 在指定位置

50. taskInit的返回值： • 成功：OK • 任务不能初始化则：ERROR可能返回的ERRNOS值有：S_intLib_NOT_ISR_CALLABLE /*程序不能从一个ISR中调用*/ S_objLib_OBJ_ID_ERROR /*不正确的任务ID*/