1、VxWorks操作系统指南2目 录1. VxWorks操作系统概述 41.1.VxWorks 操作系统简介 41.2.VxWorks操作系统内核 51.3.任务管理 61.4.通信、同步和互斥机制 91.5.网络通信 111.6.中断服务程序 141.7.时间管理器 142.VxWorks应用指导 162.1.系统启动 172.2.应用系统配置 192.3.板级支持包BSP 212.4.VxWorks系统任务 232.5.应用软件开发指导 232.6.应用示例分析 253VxWorks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），被应用于各种嵌入
2、式领域。包括过程控制（化工、食品加工），机器人（制造、自动操作控制），航空电子（飞行管理、GPS、喷气发动机控制），军事（武器管理、密码），数据处理（采集、信号处理），通信（税收机、数字电话），家电（微波炉、洗衣机、空调），计算机外围设备（打印机、Modem）等。VxWorks是嵌入式系统应用中的软件平台，是包括各种硬件驱动和内核组件的集合，提供了各种适应嵌入式系统和实时应用的特性，以及一些帮助系统开发和调试的辅助机制。VxWorks提供了定制硬件的板级支持包BSP，实现硬件抽象。硬件抽象层可以提高应用代码的一致性，使应用在各种目标板上的移植变得容易进行。VxWorks还提供各种流行的硬件设备
3、的驱动，如网卡、串口和存储器驱动等，使得开发者可以快速建立应用系统。VxWorks本身和其应用程序都具有极好的可移植性。VxWorks库组件几乎都用C语言编写，可容易移植到不同的CPU上实现。VxWorks的发行版本直接对多种CPU提供支持。VxWorks 5.5有8类CPU版本，包括PowerPC、Pentium、MIPS、SH、Xscal、ARM、68K和ColdFire等。虽然众多版本对特定CPU有优化和定制，但是WIND RIVER公司的主要目的可能是出于商业和安全的考虑。而WIND RIVER内部开发肯定在不遗余力地维持VxWorks内核代码的可移植性。虽然有各种不同CPU版本的Vx
4、Works，但提供的函数接口是一致的，加上BSP硬件抽象层的支持，而且VxWorks支持POSIX、ANSI和BSD Socket等通用标准，使得建立在VxWorks之上的应用代码也有较好的可移植性。另外，VxWorks还提供了高效的内核机制。系统调用采用普通的函数调用形式，而未采用操作系统通用的软件陷入机制，减少了系统调用花销，使得任务上下文切换速度加快，并使切换延迟确定。VxWorks可根据应用需求灵活配置，这主要是因为VxWorks软件平台具备组件式结构。VxWorks包括核心内核功能和依赖内核的外围功能，各种功能按组件形式提供。VxWorks可看作各种功能库的集合。各种功能库的选择加入
5、，就能产生适应定制需求的各种不同功能集合的操作系统映像。4良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，使得VxWorks在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性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。2.1.1 VxWorks 的特点 可靠性 操作系统的用户希望在一个工作稳定，可以信赖的环境中工作，所以操作系统的可靠性是用户首先要
6、考虑的问题。而稳定、可靠一直是VxWorks的一个突出优点。自从对中国的销售解禁以来，VxWorks以其良好的可靠性在中国赢得了越来越多的用户。 实时性 实时性是指能够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的能力。实时性的强弱是以完成规定功能和作出响应时间的长短来衡量的。 VxWorks 的实时性做得非常好，其系统本身的开销很小，进程调度、进程间通信、中断处理等系统公用程序精练而有效，它们造成的延迟很短。VxWorks 提供的多任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占（Preemptive Priority Scheduling）和轮转调度（Round-Robin Schedul
7、ing）机制，也充分保证了可靠的实时性，使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余地。 可裁减性 用户在使用操作系统时，并不是操作系统中的每一个部件都要用到。例如图形显示、文件系统以及一些设备驱动在某些嵌入系统中往往并不使用。VxWorks 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。由于它的高度灵活性，用户可以很容易地对这一操作系统进行定制或作适当开发，来满足自己的实际应用需要。 对一个实时内核的要求 5一个实时操作系统内核需满足许多特定的实时
8、环境所提出的基本要求，这些包括：1)多任务：由于真实世界的事件的异步性，能够运行许多并发进程或任务是很重要的。多任务提供了一个较好的对真实世界的匹配，因为它允许对应于许多外部事件的多线程执行。系统内核分配CPU给这些任务来获得并发性。2)抢占调度：真实世界的事件具有继承的优先级，在分配CPU的时候要注意到这些优先级。基于优先级的抢占调度，任务都被指定了优先级，在能够执行的任务（没有被挂起或正在等待资源）中，优先级最高的任务被分配CPU资源。换句话说，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。 3)任务间的通讯与同步：在一个实时系统中，可能有许多任务作为一个应
9、用的一部分执行。系统必须提供这些任务间的快速且功能强大的通信机制。内核也要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：尽管真实世界的事件通常作为中断方式到来，但为了提供有效的排队、优先化和减少中断延时，我们通常希望在任务级处理相应的工作。所以需要杂任务级和中断级之间存在通信。2.1.2 VxWorks 的基本结构VxWorks操作系统由一下5部分构成：板级支持包BSP、微内核wind、网络系统、文件系统以及I/O系统。VxWorks内核只占用了很少的存储空间，并且可高度裁剪，从而保证了系统以较高的效率运行。关键词：实时操作系统 任务 消息 VxWorks
10、Tornado摘 要：本文档对实时操作系统作了简要介绍，并针对VxWorks系统的特点进行了具体的说明和分析，从VxWorks系统的任务管理、通信机制、系统配置、系统接口几个方面展开。1. VxWorks操作系统概述1.1.VxWorks 操作系统简介实时多任务操作系统是能在确定的时间内执行其功能，并对外部的异步事件作出响应的计算机系统。多任务环境允许一个实时应用作为一系列独立任务来运行，各任务有各自的线程和系统资源。VxWorks 系统提供多处理器间和任务间高效的信号灯、消息队列、管道、网络透明的套接6字。 实时系统的另一关键特性是硬件中断处理。为了获得最快速可靠的中断响应，VxWorks系
11、统的中断服务程序ISR有自己的上下文。VxWorks实时操作系统由400多个相对独立的、短小精炼的目标模块组成，用户可根据需要选择适当模块来裁剪和配置系统，这有效地保证了系统的安全性和可靠性。系统的链接器可按应用的需要自动链接一些目标模块。这样，通过目标模块之间的按需组合，可得到许多满足功能需求的应用。VxWorks操作系统的基本构成模块包括以下部分： 高效的实时内核WindVxWOrks实时内核（ Wind）主要包括基于优先级的任务调度、任务同步和通信、中断处理、定时器和内存管理。 兼容实时系统标准POSIXVxWOrks提供接口来支持实时系统标准P.1003.1b. I/O系统VxWOrk
12、s提供快速灵活的与ANSI-C相兼容的I/O系统，包括UNIX的缓冲I/O和实时系统标准POSIX的异步 I/O。VxWOrks包括以下驱动：网络 - 网络设备（以太网、共享内存）管道 - 任务间通信RAM - 驻留内存文件SCSI - SCSI硬盘，磁碟，磁带键盘 - PC x86键盘（BSP仅支持x86）显示器 - PC x86显示器（BSP仅支持x86）磁碟 - IDE和软盘（BSP仅支持x86）并口 - PC格式的目标硬件 本机文件系统 I/O系统VxWorks的文件系统与 MS-DOS、RT-11、RAM、SCSI等相兼容。 网络特性VxWorks网络能与许多运行其它协议的网络进行通
13、信，如TCP/IP、4.3BSD、NFS、UDP、SNMP、FTP等。VxWorks可通过网络允许任务存取文件到其它系统中，并对任务进行远程调用。 虚拟内存（可选单元VxVMI)7VxVMI主要用于对指定内存区的保护，如内存块只读等，加强了系统的健壮性。 共享内存（可选单元VxMP)VxMP主要用于多处理器上运行的任务之间的共享信号量、消息队列、内存块的管理。 驻留目标工具Tornado集成环境中，开发工具工作于主机侧。驻留目标外壳、模块加载和卸载、符号表都可进行配置。 Wind基类VxWorks系统提供对 C+的支持，并构造了系统基类函数。 工具库VxWorks系统向用户提供丰富的系统调用，
14、包括中断处理、定时器、消息注册、内存分配、字符串转换、线性和环形缓冲区管理，以及标准ANSI-C程序库。 性能优化VxWorks系统通过运行定时器来记录任务对CPU的利用率，从而进行有效地调整，合理安排任务的运行，给定适宜的任务属性。 目标代理目标代理可使用户远程调试应用程序。 板级支持包板级支持包提供硬件的初始化、中断建立、定时器、内存映象等。 VxWorks仿真器（VxSim)可选产品VxWorks 仿真器，能模拟VxWorks 目标机的运行，用于应用系统的分析。1.2.VxWorks操作系统内核VxWorks内核（ wind）的基本功能可以分为如下几大类： 任务管理； 事件和异步信号服务
15、； 信号量服务； 消息队列服务； 内存管理； 中断服务程序； 时钟管理和定时器服务； 出错处理。8在以下各节中将对VxWorks内核的各类功能分别进行描述。1.1.任务管理任务是代码运行的一个映象，从系统的角度看，任务是竞争系统资源的最小运行单元。任务可以使用或等待CPU、I/O设备及内存空间等系统资源，并独立于其它任务，与它们一起并发运行（宏观上如此）。VxWorks内核使任务能快速共享系统的绝大部分资源，同时有独立的上下文来控制个别线程的执行。1.1.1.任务结构多任务设计能随时打断正在执行着的任务，对内部和外部发生的事件在确定的时间里作出响应。VxWorks 实时内核Wind 提供了基本
16、的多任务环境。从表面上来看，多个任务正在同时执行，实际上，系统内核根据某一调度策略让它们交替运行。系统调度器使用任务控制块的数据结构（简记为TCB)来管理任务调度功能。任务控制块用来描述一个任务，每一任务都与一个TCB关联。TCB包括了任务的当前状态、优先级、要等待的事件或资源、任务程序码的起始地址、初始堆栈指针等信息。调度器在任务最初被激活时以及从休眠态重新被激活时，要用到这些信息。此外，TCB还被用来存放任务的“上下文“ （context)。任务的上下文就是当一个执行中的任务被停止时，所要保存的所有信息。在任务被重新执行时，必须要恢复上下文。通常，上下文就是计算机当前的状态，也即各个寄存器
17、的内容。如同在发生中断所要保存的内容一样。当发生任务切换时，当前运行的任务的上下文被存入TCB，将要被执行的任务的上下文从它的TCB中取出，放入各个寄存器中。于是转而执行这个任务，执行的起点是前次它在运行时被中止的位置。VxWorks中，内存地址空间不是任务上下文的一部分。所有的代码运行在同一地址空间。如每一任务需各自的内存空间，需可选产品VxVMI的支持。1.1.2.任务状态和状态迁移实时系统的一个任务可有多种状态，其中最基本的状态有四种：就绪态：任务只等待系统分配CPU资源；悬置态：任务需等待某些不可利用的资源而被阻塞；休眠态：如果系统不需要某一个任务工作，则这个任务处于休眠状态；延迟态：
18、任务被延迟时所处状态；9当系统函数对某一任务进行操作时，任务从一种状态迁移到另一状态。处于任一状态的任务都可被删除。 taskInit()状态迁移 调用就绪态 - 悬置态 semTake()/msgQReceive()就绪态 - 延迟态 taskDelay()就绪态 - 休眠态 taskSuspend()悬置态 - 就绪态 semGive()/msgQSend()悬置态 - 休眠态 taskSuspend()延迟态 - 就绪态 expired delay延迟态 - 休眠态 taskSuspend()休眠态 - 就绪态 taskResume()/taskActivate()休眠态 - 悬置态 t
19、askResume()休眠态 - 延迟态 taskResume()1.1.3.任务调度策略多任务调度须采用一种调度算法来分配CPU给就绪态任务。Wind 内核采用基于优先级的抢占式调度法作为它的缺省策略，同时它也提供了轮转调度法。基于优先级的抢占式调度，它具有很多优点。这种调度方法为每个任务指定不同的优先级。没有处于悬置或休眠态的最高优先级任务将一直运行下去。当更高优先级的任务由就绪态进入运行时，系统内核立即保存当前任务的上下文，切换到更高优先级的任务。10多任务调度须采用一种调度算法来分配CPU给就绪态任务。Wind 内核采用基于优先级的抢占式调度法作为它的缺省策略，同时它也提供了轮转调度法
20、。基于优先级的抢占式调度，它具有很多优点。这种调度方法为每个任务指定不同的优先级。没有处于悬置或休眠态的最高优先级任务将一直运行下去。当更高优先级的任务由就绪态进入运行时，系统内核立即保存当前任务的上下文，切换到更高优先级的任务。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，系统根据给定值分配任务优先级。然而，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，但不能在运行时被操作系统所改变。 t1t2 t3 t2 t1轮转调度法分配给处于就绪态的每个同优先级的任务一个相同的执行时间片。时间片的长度可由系统调用KernelTimeSlice()通过输入参数值来指定。很明显，每个任务都有一运行时间计数器，任务运行时每一时间滴答加1。一个任务用完时间片之后，就进行任务切换，停止执行当前运行的任务，将它放入队列尾部，对运行时间计数器置零，并开始执行就绪队列中的下一个任务。当运行任务被更高优先级的任务抢占时，此任务的运行时间计数器被保存，直到该任务下次运行时。
