張 宇，王省書，胡春生

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410073)

1 引言

VxWorks操作系統(tǒng)是由美國(guó)Wind River System公司推出的一款嵌入式實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性，需研究VxWorks在不同任務(wù)數(shù)量下的實(shí)時(shí)性性能。利用PC104硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了測(cè)量程序?qū)θ蝿?wù)搶占切換時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而得出了內(nèi)核任務(wù)切換時(shí)間在多任務(wù)運(yùn)行環(huán)境下占用的時(shí)間開銷。同時(shí)根據(jù)信號(hào)量機(jī)制設(shè)計(jì)了任務(wù)間通信程序，并對(duì)實(shí)時(shí)性的影響進(jìn)行了定量測(cè)試與分析。

2 VxWorks多任務(wù)實(shí)時(shí)性的測(cè)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(wú)法實(shí)現(xiàn)多任務(wù)同時(shí)并發(fā)執(zhí)行的，也就是說(shuō)多任務(wù)必須通過(guò)一定的調(diào)度算法分時(shí)執(zhí)行。VxWorks的實(shí)時(shí)內(nèi)核Wind為Vx-Works的多任務(wù)實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)，并為多任務(wù)的分時(shí)執(zhí)行提供了基于優(yōu)先級(jí)的搶占式任務(wù)調(diào)度機(jī)制［3］。

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

圖1 優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度示意圖

2.2 任務(wù)切換時(shí)間測(cè)試方法

在VxWorks操作系統(tǒng)的多任務(wù)環(huán)境下，各個(gè)任務(wù)需要分時(shí)執(zhí)行，為了保證各個(gè)任務(wù)在特定的時(shí)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(jí)高低來(lái)對(duì)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(gè)功能的必要條件。同時(shí)這種基于優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶占切換時(shí)間也是VxWorks實(shí)時(shí)性的主要特征，該時(shí)間越短，說(shuō)明多個(gè)任務(wù)運(yùn)行花在切換上的時(shí)間開銷越小，對(duì)緊急任務(wù)的響應(yīng)越快，實(shí)時(shí)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(cè)試出具體的時(shí)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(cè)試并口中數(shù)據(jù)引腳電壓變化，得出任務(wù)切換時(shí)間，但切換時(shí)調(diào)用I/O函數(shù)輸出需要一定的時(shí)間，影響測(cè)試精度，另外這種方法對(duì)測(cè)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(shí)鐘，設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)間測(cè)試。

測(cè)試VxWorks的任務(wù)切換時(shí)間，需要一個(gè)高精度時(shí)鐘。VxWorks提供操作系統(tǒng)時(shí)鐘，該時(shí)鐘在操作系統(tǒng)運(yùn)行后便開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)精度為1tick，可以通過(guò)調(diào)用tickGet()獲取當(dāng)前計(jì)數(shù)值。因?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘默認(rèn)工作頻率為60Hz，一個(gè)tick相當(dāng)于16.7ms，不符合測(cè)試精度。盡管可以通過(guò)函數(shù)sysClkRateSet(1000)，將1秒平分為1000等份，每一份為系統(tǒng)時(shí)鐘的一個(gè)tick，這樣雖然可以將精度提高到1ms，但1kHz的系統(tǒng)時(shí)鐘中斷頻率會(huì)使得CPU的開銷大增，反而降低了操作系統(tǒng)的性能。

硬件測(cè)試平臺(tái)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(jí)以上的CPU都提供了64位寄存器“時(shí)間戳”部件，用以記錄CPU自上電后開始經(jīng)過(guò)的時(shí)間戳數(shù)量。目前CPU的頻率較高，這種定時(shí)可以達(dá)到微秒級(jí)精度甚至更高，因此選用CPU計(jì)數(shù)器作為切換時(shí)間測(cè)量工具。盡管CPU的每一個(gè)時(shí)鐘周期不完全相等，計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)存在一定的抖動(dòng)，但相對(duì)主頻500MHz的CPU，其抖動(dòng)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(shí)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(duì)時(shí)間戳計(jì)數(shù)器的低32位訪問(wèn)，pentiumTscGet64提供了對(duì)整個(gè)寄存器64位值的訪問(wèn)。

利用時(shí)間戳方法可以測(cè)試程序執(zhí)行時(shí)間，對(duì)于某段待測(cè)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(shí)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(shí)間。

同樣，可以設(shè)計(jì)程序利用CPU計(jì)數(shù)器為任務(wù)搶占切換時(shí)間提供時(shí)間戳:優(yōu)先級(jí)為N的任務(wù)A占用CPU，任務(wù)B優(yōu)先級(jí)為N－1，某個(gè)時(shí)刻任務(wù)B優(yōu)先級(jí)加2，同時(shí)記錄時(shí)間戳，任務(wù)B搶占CPU后優(yōu)先級(jí)馬上－2，任務(wù)A重新?lián)屨糃PU，再一次記錄時(shí)間戳。整個(gè)過(guò)程發(fā)生了兩次搶占，將兩次的時(shí)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(shí)間。

2.3 實(shí)時(shí)性測(cè)試結(jié)果與分析

2.3.1 簡(jiǎn)單環(huán)境下任務(wù)切換時(shí)間測(cè)試

在程序中只創(chuàng)建兩個(gè)任務(wù)，分別為主任務(wù)和子任務(wù)，根據(jù)上述測(cè)試方法，對(duì)任務(wù)搶占切換時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。將測(cè)試循環(huán)100次，測(cè)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(shí)間波動(dòng)在0.7μs以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)方差值為0.1381μs，從數(shù)據(jù)中可以看出VxWorks的任務(wù)切換時(shí)間非常穩(wěn)定。

另外需要說(shuō)明的是，在大量的循環(huán)測(cè)試中，會(huì)出現(xiàn)個(gè)別明顯高于其他數(shù)據(jù)值的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這是由于VxWorks操作系統(tǒng)后臺(tái)中存在一些優(yōu)先級(jí)為0的默認(rèn)任務(wù)，其中某些默認(rèn)任務(wù)按一定周期循環(huán)執(zhí)行。在一定時(shí)刻，這些默認(rèn)任務(wù)的執(zhí)行正好阻塞了測(cè)試任務(wù)，從而導(dǎo)致了測(cè)試時(shí)間的顯著增大，在處理數(shù)據(jù)時(shí)只需要將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)刪除即可。在實(shí)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(yùn)行時(shí)任務(wù)切換時(shí)間

2.3.2 復(fù)雜環(huán)境下任務(wù)切換時(shí)間測(cè)試

為了測(cè)試在多任務(wù)環(huán)境下任務(wù)搶占切換時(shí)間，在VxWorks操作系統(tǒng)中添加4個(gè)任務(wù)，分別為tCosmos、tSchlep、tCrunch、tMontier。其中 tCosmos任務(wù)用來(lái)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(gè)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(gè)任務(wù)依次運(yùn)行一次為程序的一個(gè)周期，測(cè)試時(shí)使其運(yùn)行100個(gè)周期，分別測(cè)試5組，運(yùn)用時(shí)間戳方法，分別得出程序運(yùn)行時(shí)間和任務(wù)切換總時(shí)間，進(jìn)而可得出任務(wù)搶占所花費(fèi)的時(shí)間開銷百分比如表1所示。

表1 程序執(zhí)行總時(shí)間與切換總時(shí)間測(cè)試

從數(shù)據(jù)中可以看出，任務(wù)搶占切換時(shí)間的開銷非常小，體現(xiàn)出了VxWorks操作系統(tǒng)良好的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，測(cè)量了在4個(gè)任務(wù)運(yùn)行時(shí)，每次任務(wù)優(yōu)先級(jí)搶占切換時(shí)間，見圖3，從圖中數(shù)據(jù)看出，切換時(shí)間最小值1.0479μs，最大值1.6779μs，平均值1.3657μs。

圖3 多任務(wù)運(yùn)行時(shí)任務(wù)切換時(shí)間

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

表2 多任務(wù)切換時(shí)間測(cè)試

3 任務(wù)間的通信機(jī)制

在基于優(yōu)先級(jí)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(shí)時(shí)性，但也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。任務(wù)間對(duì)臨界資源的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)被迫等待一個(gè)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)完成后才能執(zhí)行，這種情況會(huì)產(chǎn)生優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)。因此，為了加強(qiáng)任務(wù)控制，需要使用任務(wù)間的通信機(jī)制。

3.1 信號(hào)量機(jī)制通信(Semaphores)

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

3.2 二進(jìn)制信號(hào)量程序設(shè)計(jì)

在VxWorks中，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)量機(jī)制所提供的函數(shù)庫(kù)是semLib.h，可通過(guò)調(diào)用該函數(shù)庫(kù)中的semB-Create()、semCCreate()、semMCeate()分別創(chuàng)建二進(jìn)制信號(hào)量、計(jì)數(shù)信號(hào)量和互斥信號(hào)量。信號(hào)量通過(guò)上述函數(shù)創(chuàng)建后將返回一個(gè)信號(hào)量ID，該ID為隨后其他信號(hào)量控制函數(shù)的使用提供句柄。

使用VxWorks進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)建立和任務(wù)間的信號(hào)量通信，主要步驟如下:

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

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

(3)通過(guò)semSend()、semGive()函數(shù)獲取和釋放信號(hào)量，實(shí)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(hào)量，釋放資源。

根據(jù)上述開發(fā)步驟，設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)量，信號(hào)量1初始狀態(tài)可用，信號(hào)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(hào)量1*/

/* 處理任務(wù)A的相關(guān)事務(wù)*/;…

semGive(semId2);/*釋放信號(hào)量2*/}

void taskB(void)

{semTake(semId2，WAIT_FOREVER);/* 等待信號(hào)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(hào)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(dòng)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(shí)，可以通過(guò)開發(fā)環(huán)境提供的軟件邏輯分析儀WindView對(duì)系統(tǒng)各個(gè)任務(wù)的運(yùn)行情況進(jìn)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(hào)量的控制下，分別有序處理各自事務(wù)。

圖4 信號(hào)量控制下任務(wù)執(zhí)行情況仿真

圖5 VxWorks中的多任務(wù)運(yùn)行時(shí)序

3.3 信號(hào)量機(jī)制的實(shí)時(shí)性影響

同樣利用時(shí)間戳方法，測(cè)試在使用信號(hào)量控制時(shí)，任務(wù)搶占時(shí)間的大小。測(cè)試程序應(yīng)用上述的二進(jìn)制信號(hào)量程序代碼，只需將在任務(wù)釋放和獲得信號(hào)量的同時(shí)添加時(shí)間戳調(diào)用函數(shù)記錄數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算即可得出任務(wù)切換時(shí)間。信號(hào)量測(cè)試程序循環(huán)測(cè)試100次，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 信號(hào)量機(jī)制下任務(wù)切換時(shí)間

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

與二進(jìn)制信號(hào)量的程序設(shè)計(jì)和測(cè)試方法相似，對(duì)計(jì)數(shù)信號(hào)量和互斥信號(hào)量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)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(hào)量后，任務(wù)切換平均時(shí)間僅僅增大了約0.1μs，并沒有對(duì)任務(wù)的搶占造成很大的延時(shí)，這是由于Wind內(nèi)核對(duì)信號(hào)量做了優(yōu)化，增加的時(shí)間主要是由于處理器解讀信號(hào)量代碼所造成的，并且這三種信號(hào)量的切換時(shí)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(hào)量各自的特點(diǎn)應(yīng)用在不同需求的任務(wù)控制中。

表3 三種信號(hào)量的任務(wù)切換時(shí)間測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

任務(wù)切換時(shí)間反映了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)緊急任務(wù)的響應(yīng)速度。本文利用CPU計(jì)數(shù)器提供時(shí)間測(cè)量工具，對(duì)任務(wù)搶占切換時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試，分析了多任務(wù)環(huán)境下任務(wù)的實(shí)時(shí)性。同時(shí)設(shè)計(jì)了信號(hào)量通信機(jī)制程序，結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)，分析了信號(hào)量機(jī)制對(duì)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的影響。該測(cè)量方法不需要其它測(cè)試硬件的輔助，操作簡(jiǎn)單，且還可以對(duì)某段程序執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，在程序調(diào)試時(shí)有利于優(yōu)化源代碼，進(jìn)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(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)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(jì)編程［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

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