張 宇，王省書，胡春生

(國防科學技術(shù)大學光電科學與工程學院，長沙410073)

1 引言

VxWorks操作系統(tǒng)是由美國Wind River System公司推出的一款嵌入式實時操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)憑借其高性能的微內(nèi)核、卓越的可靠性和實時性廣泛的應(yīng)用在通信、軍事、航天、航空等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域［1］。

VxWorks系統(tǒng)支持組件裁剪、多任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間管理通信等功能，在任務(wù)量較多的應(yīng)用中，為了保證所裁剪系統(tǒng)的實時性，需研究VxWorks在不同任務(wù)數(shù)量下的實時性性能。利用PC104硬件平臺，設(shè)計了測量程序?qū)θ蝿?wù)搶占切換時間進行測試，進而得出了內(nèi)核任務(wù)切換時間在多任務(wù)運行環(huán)境下占用的時間開銷。同時根據(jù)信號量機制設(shè)計了任務(wù)間通信程序，并對實時性的影響進行了定量測試與分析。

2 VxWorks多任務(wù)實時性的測試與分析

2.1 任務(wù)的創(chuàng)建與調(diào)度

在VxWorks操作系統(tǒng)中，可以使用taskSpawn()函數(shù)創(chuàng)建任務(wù)，創(chuàng)建的新任務(wù)有自己的上下文，如CPU環(huán)境、系統(tǒng)資源等，這些任務(wù)的上下文保存在任務(wù)控制模塊(TCB)中［2］。

操作系統(tǒng)在單處理器環(huán)境下是無法實現(xiàn)多任務(wù)同時并發(fā)執(zhí)行的，也就是說多任務(wù)必須通過一定的調(diào)度算法分時執(zhí)行。VxWorks的實時內(nèi)核Wind為Vx-Works的多任務(wù)實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)，并為多任務(wù)的分時執(zhí)行提供了基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度機制［3］。

Wind內(nèi)核里設(shè)置有256種優(yōu)先級，優(yōu)先級從0到255，優(yōu)先級0為最高，優(yōu)先級255為最低［4］。任務(wù)在創(chuàng)建的時候分配一個優(yōu)先級，使用基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度算法，在任意時刻，內(nèi)核將CPU分配給處于就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)運行。這意味著當某個任務(wù)比當前執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)先級高，并處于就緒狀態(tài)，那么系統(tǒng)內(nèi)核將立刻保存當前執(zhí)行任務(wù)的上下文到TCB中，切換到高優(yōu)先級任務(wù)的上下文中去，執(zhí)行高優(yōu)先級任務(wù)。任務(wù)搶占調(diào)度實例如圖1所示。

圖1 優(yōu)先級搶占調(diào)度示意圖

2.2 任務(wù)切換時間測試方法

在VxWorks操作系統(tǒng)的多任務(wù)環(huán)境下，各個任務(wù)需要分時執(zhí)行，為了保證各個任務(wù)在特定的時刻能夠搶占CPU完成相關(guān)功能，則需要根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級高低來對執(zhí)行任務(wù)合理安排。因此，任務(wù)間的搶占執(zhí)行是系統(tǒng)完成一個功能的必要條件。同時這種基于優(yōu)先級的任務(wù)搶占切換時間也是VxWorks實時性的主要特征，該時間越短，說明多個任務(wù)運行花在切換上的時間開銷越小，對緊急任務(wù)的響應(yīng)越快，實時性越好。

Workbench提供的System Viewer盡管以圖像化顯示任務(wù)切換的先后關(guān)系，但并不能測試出具體的時間數(shù)據(jù)。VxWorks系統(tǒng)提供并口輸出組件，可以使用示波器測試并口中數(shù)據(jù)引腳電壓變化，得出任務(wù)切換時間，但切換時調(diào)用I/O函數(shù)輸出需要一定的時間，影響測試精度，另外這種方法對測試硬件的依賴性也比較高。因此，考慮直接在VxWorks系統(tǒng)下利用自身頻率時鐘，設(shè)計程序?qū)崿F(xiàn)時間測試。

測試VxWorks的任務(wù)切換時間，需要一個高精度時鐘。VxWorks提供操作系統(tǒng)時鐘，該時鐘在操作系統(tǒng)運行后便開始計數(shù)，計數(shù)精度為1tick，可以通過調(diào)用tickGet()獲取當前計數(shù)值。因為系統(tǒng)時鐘默認工作頻率為60Hz，一個tick相當于16.7ms，不符合測試精度。盡管可以通過函數(shù)sysClkRateSet(1000)，將1秒平分為1000等份，每一份為系統(tǒng)時鐘的一個tick，這樣雖然可以將精度提高到1ms，但1kHz的系統(tǒng)時鐘中斷頻率會使得CPU的開銷大增，反而降低了操作系統(tǒng)的性能。

硬件測試平臺選用數(shù)字邏輯公司生產(chǎn)的一款PC104，X86架構(gòu)，Pentium 處理器，主頻 500MHz?？紤]到Intel Pentium級以上的CPU都提供了64位寄存器“時間戳”部件，用以記錄CPU自上電后開始經(jīng)過的時間戳數(shù)量。目前CPU的頻率較高，這種定時可以達到微秒級精度甚至更高，因此選用CPU計數(shù)器作為切換時間測量工具。盡管CPU的每一個時鐘周期不完全相等，計時數(shù)據(jù)會存在一定的抖動，但相對主頻500MHz的CPU，其抖動數(shù)值在系統(tǒng)中可以忽略［5］。

在VxWorks操作系統(tǒng)中使用CPU時間戳，需要修改BSP，將pentiumLib.h頭文件添加到BSP中，便可在程序開發(fā)中調(diào)用 pentiumTscGet32()、pentiumTscGet64()、pentiumTsReset()。其中，pentiumTscGet32提供了對時間戳計數(shù)器的低32位訪問，pentiumTscGet64提供了對整個寄存器64位值的訪問。

利用時間戳方法可以測試程序執(zhí)行時間，對于某段待測試程序只需在程序執(zhí)行前后加入函數(shù)調(diào)用系統(tǒng)時間戳，在程序執(zhí)行后將兩次獲得數(shù)據(jù)相減，最后除以CPU頻率便可得出程序執(zhí)行的具體時間。

同樣，可以設(shè)計程序利用CPU計數(shù)器為任務(wù)搶占切換時間提供時間戳:優(yōu)先級為N的任務(wù)A占用CPU，任務(wù)B優(yōu)先級為N－1，某個時刻任務(wù)B優(yōu)先級加2，同時記錄時間戳，任務(wù)B搶占CPU后優(yōu)先級馬上－2，任務(wù)A重新?lián)屨糃PU，再一次記錄時間戳。整個過程發(fā)生了兩次搶占，將兩次的時間戳相減后除以2，再除以500MHz的CPU頻率，即可得出任務(wù)切換時間。

2.3 實時性測試結(jié)果與分析

2.3.1 簡單環(huán)境下任務(wù)切換時間測試

在程序中只創(chuàng)建兩個任務(wù)，分別為主任務(wù)和子任務(wù)，根據(jù)上述測試方法，對任務(wù)搶占切換時間進行測試。將測試循環(huán)100次，測試結(jié)果如圖2所示。最小 值 0.9945μs，最 大 值 1.6579μs，平 均 值1.3257μs，切換時間波動在0.7μs以內(nèi)，標準方差值為0.1381μs，從數(shù)據(jù)中可以看出VxWorks的任務(wù)切換時間非常穩(wěn)定。

另外需要說明的是，在大量的循環(huán)測試中，會出現(xiàn)個別明顯高于其他數(shù)據(jù)值的數(shù)據(jù)點，這是由于VxWorks操作系統(tǒng)后臺中存在一些優(yōu)先級為0的默認任務(wù)，其中某些默認任務(wù)按一定周期循環(huán)執(zhí)行。在一定時刻，這些默認任務(wù)的執(zhí)行正好阻塞了測試任務(wù)，從而導(dǎo)致了測試時間的顯著增大，在處理數(shù)據(jù)時只需要將這些數(shù)據(jù)點刪除即可。在實際應(yīng)用中，可更改任務(wù)屬性，將這些任務(wù)改為掛起態(tài)，避免阻塞其他任務(wù)的執(zhí)行。

圖2 雙任務(wù)運行時任務(wù)切換時間

2.3.2 復(fù)雜環(huán)境下任務(wù)切換時間測試

為了測試在多任務(wù)環(huán)境下任務(wù)搶占切換時間，在VxWorks操作系統(tǒng)中添加4個任務(wù)，分別為tCosmos、tSchlep、tCrunch、tMontier。其中 tCosmos任務(wù)用來模擬中斷服務(wù)產(chǎn)生新數(shù)據(jù);tSchlep任務(wù)完成數(shù)據(jù)采集功能并將采集到的數(shù)據(jù)組成一個樣本;tCrunch任務(wù)完成數(shù)據(jù)處理功能;tMontier任務(wù)將處理結(jié)果顯示。這4個任務(wù)依次運行一次為程序的一個周期，測試時使其運行100個周期，分別測試5組，運用時間戳方法，分別得出程序運行時間和任務(wù)切換總時間，進而可得出任務(wù)搶占所花費的時間開銷百分比如表1所示。

表1 程序執(zhí)行總時間與切換總時間測試

從數(shù)據(jù)中可以看出，任務(wù)搶占切換時間的開銷非常小，體現(xiàn)出了VxWorks操作系統(tǒng)良好的實時性。同時，測量了在4個任務(wù)運行時，每次任務(wù)優(yōu)先級搶占切換時間，見圖3，從圖中數(shù)據(jù)看出，切換時間最小值1.0479μs，最大值1.6779μs，平均值1.3657μs。

圖3 多任務(wù)運行時任務(wù)切換時間

同樣，在VxWorks操作系統(tǒng)中繼續(xù)增加任務(wù)數(shù)量，測量不同任務(wù)數(shù)量下的任務(wù)切換時間，結(jié)果見表2。從測量數(shù)據(jù)中可以得出，任務(wù)搶占切換時間并沒有因為任務(wù)數(shù)量的增加而大幅增加，百分之一微秒數(shù)量級的增加主要是因為操作系統(tǒng)在運行時，內(nèi)核Wind需要根據(jù)系統(tǒng)時鐘周期查詢?nèi)蝿?wù)列表tasklist，從而決定哪個任務(wù)應(yīng)該優(yōu)先占有CPU資源，因此這個任務(wù)列表中的任務(wù)數(shù)量越多，Wind內(nèi)核查詢時間越長，對切換時間有一定的影響。

表2 多任務(wù)切換時間測試

3 任務(wù)間的通信機制

在基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度中，可以使緊急任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行，這種算法盡管保證了系統(tǒng)的實時性，但也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。任務(wù)間對臨界資源的競爭會使一個高優(yōu)先級的任務(wù)被迫等待一個低優(yōu)先級任務(wù)完成后才能執(zhí)行，這種情況會產(chǎn)生優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)。因此，為了加強任務(wù)控制，需要使用任務(wù)間的通信機制。

3.1 信號量機制通信(Semaphores)

在VxWorks中，信號量被高度優(yōu)化，提供了最快的任務(wù)間通信機制，是實現(xiàn)任務(wù)間互斥與同步的最主要手段。VxWorks提供了二進制信號量、計數(shù)信號量和互斥信號量3種信號量［6］。其中，二進制信號量是最基本的信號量，速度最快，能夠滿足通常的互斥和同步操作［7］。

3.2 二進制信號量程序設(shè)計

在VxWorks中，為實現(xiàn)信號量機制所提供的函數(shù)庫是semLib.h，可通過調(diào)用該函數(shù)庫中的semB-Create()、semCCreate()、semMCeate()分別創(chuàng)建二進制信號量、計數(shù)信號量和互斥信號量。信號量通過上述函數(shù)創(chuàng)建后將返回一個信號量ID，該ID為隨后其他信號量控制函數(shù)的使用提供句柄。

使用VxWorks進行實時多任務(wù)建立和任務(wù)間的信號量通信，主要步驟如下:

(1)利用taskSpawn()函數(shù)創(chuàng)建多個任務(wù)，建立多任務(wù)環(huán)境;

(2)通過semBCreate()、semCCreate()、semMCeate()函數(shù)創(chuàng)建信號量，用于任務(wù)間的同步與協(xié)調(diào);

(3)通過semSend()、semGive()函數(shù)獲取和釋放信號量，實現(xiàn)任務(wù)的同步或互斥;

(4)任務(wù)完成相關(guān)功能后，調(diào)用taskDelete()、semDelete函數(shù)刪除相關(guān)任務(wù)和信號量，釋放資源。

根據(jù)上述開發(fā)步驟，設(shè)計程序部分代碼如下:

#include"vxWorks.h"

#include"taskLib.h"

#include"semLib.h"

#include"stdio.h"

void taskA(void);

void taskB(void);

SEM_ID semId1，semId2;/*定義信號量ID*/

void binary(void)

{int taskIdA，taskIdB;

semId1=semBCreate(SEM_Q_FIFO，SEM_FULL);

semId2=semBCreate(SEM_Q_FIFO，SEM_EMPTY);/*創(chuàng)建信號量，信號量1初始狀態(tài)可用，信號量2初始狀態(tài)不可用*/

taskIdA=taskSpawn("tTaskA"，120，0，2000，(FUNCPTR)taskA，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0);

taskIdB=taskSpawn("tTaskB"，120，0，2000，(FUNCPTR)taskB，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0);

/*創(chuàng)建任務(wù)A、B*/}

void taskA(void)

{semTake(semId1，WAIT_FOREVER);/* 獲取信號量1*/

/* 處理任務(wù)A的相關(guān)事務(wù)*/;…

semGive(semId2);/*釋放信號量2*/}

void taskB(void)

{semTake(semId2，WAIT_FOREVER);/* 等待信號量2，直至其被任務(wù)A釋放 */

/* 處理任務(wù)B的相關(guān)事務(wù)*/;…

semGive(semId1);/*釋放信號量1*/}

將程序代碼在Wind River Workbench中編譯生成.out文件，文件加載到集成仿真器VxSim，并啟動命令解釋工具WindSh，輸入－＞sp binary，調(diào)用主函數(shù)binary()，發(fā)起任務(wù)A和任務(wù)B，程序開始執(zhí)行，執(zhí)行情況如圖4所示。同時，可以通過開發(fā)環(huán)境提供的軟件邏輯分析儀WindView對系統(tǒng)各個任務(wù)的運行情況進行觀察分析。從圖5中可以觀察到，任務(wù)A與任務(wù)B在信號量的控制下，分別有序處理各自事務(wù)。

圖4 信號量控制下任務(wù)執(zhí)行情況仿真

圖5 VxWorks中的多任務(wù)運行時序

3.3 信號量機制的實時性影響

同樣利用時間戳方法，測試在使用信號量控制時，任務(wù)搶占時間的大小。測試程序應(yīng)用上述的二進制信號量程序代碼，只需將在任務(wù)釋放和獲得信號量的同時添加時間戳調(diào)用函數(shù)記錄數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)通過簡單的計算即可得出任務(wù)切換時間。信號量測試程序循環(huán)測試100次，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 信號量機制下任務(wù)切換時間

圖中○表示沒有使用二進制信號量時，任務(wù)切換時間的數(shù)據(jù)點，最小值 0.9945μs，最大值1.6579μs，平均值1.3257μs。△符號表示的是在信號量控制下，任務(wù)搶占時間的數(shù)據(jù)，最小值1.1459μs，最大值 1.7158μs，平均值 1.4109μs。

與二進制信號量的程序設(shè)計和測試方法相似，對計數(shù)信號量和互斥信號量進行測試，測試結(jié)果見表3。比較圖6和表3中的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，使用信號量后，任務(wù)切換平均時間僅僅增大了約0.1μs，并沒有對任務(wù)的搶占造成很大的延時，這是由于Wind內(nèi)核對信號量做了優(yōu)化，增加的時間主要是由于處理器解讀信號量代碼所造成的，并且這三種信號量的切換時間沒有顯著差異。因此，在VxWorks的具體開發(fā)中，可根據(jù)三種信號量各自的特點應(yīng)用在不同需求的任務(wù)控制中。

表3 三種信號量的任務(wù)切換時間測試

4 結(jié)束語

任務(wù)切換時間反映了實時操作系統(tǒng)對緊急任務(wù)的響應(yīng)速度。本文利用CPU計數(shù)器提供時間測量工具，對任務(wù)搶占切換時間進行了測試，分析了多任務(wù)環(huán)境下任務(wù)的實時性。同時設(shè)計了信號量通信機制程序，結(jié)合測試數(shù)據(jù)，分析了信號量機制對操作系統(tǒng)實時性的影響。該測量方法不需要其它測試硬件的輔助，操作簡單，且還可以對某段程序執(zhí)行時間進行測試，在程序調(diào)試時有利于優(yōu)化源代碼，進一步提高執(zhí)行效率，具有廣泛的應(yīng)用性。

［1］王金剛，宮霄霖，蘇琪，等.基于VxWorks的嵌入式實時系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京:清華大學出版社，2004－10.

［2］金敏，周翔，金梁.嵌入式系統(tǒng)組成、原理與設(shè)計編程［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

［3］王永亮，李秀娟.嵌入式多任務(wù)程序設(shè)計［J］.電子科技，2010，23(1):94 －96.

［4］李洪亮，侯朝楨，周紹生.VxWorks下實時多任務(wù)程序的實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2008(7－2):90－91.

［5］Wind River Inc.VxWorks Programmer’s Guide 5.5［C］.［2008 －06 －23］.http://www.windriver.com.

［6］張楊，于銀濤.VxWorks內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動與BSP開發(fā)詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［7］李俊.VxWorks下多任務(wù)間通信方式的比較與分析［J］.信息技術(shù)，2009(25):24－25.