VxWorks+SMP内核调度、信号量和中断机制的设计与实现
VxWorks实时操作系统SIGNAL机制的应用
1.
信号可用来在同一任务内部或不同任务之间实现异步通信，从而改变对多个任务的控制流程。所有任务或中断服务程序均能向指定的任务发送信号，该信号的接收任务将立刻挂起当前的执行线程，而激活任务指定的信号处理程序。信号处理程序是由用户定义的，它关联与特定的信号，而且任务接收到该指定信号时的所有必要处理都在该程序中实现。信号的这种机制使得它特别适合于用来实现差错和异常处理。
sigset_tsa_mask;/*信号屏蔽集*/
intsa_flags;/*处理方式*/
};
下面以Intel i386/i486为例进行进一步的解释：
列出信号定义如下：
Signal
Code
Exception
SIGILL
ILL_DIVIDE_ERROR
Divide error
SIGEMT
EMT_DEBUG
多参数信号处理程序，该函数只提供了不同的信号编号signo和信号代码code信息，可对信号接收所更加详细的处理。
第二方案：利用sigaction函数实现信号与处理函数的关联
int sigaction ( int signo, const struct sigaction *pAct, struct sigaction *pOact )；
voidsigHandler(int signo);
单参数信号处理程序，这里sigHandler为用户自己定义的函数名（下同），该函数只提供了不同的信号编号signo，进一步的信号代码信息无法获取。
voidsigHandler(int signo, int code, struct sigcontext * pContext);
Vxwork实时操作系统
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内核— Wind Task调度
基于优先级的抢占调度
基于优先级的抢占调度 与轮转调度算法结合
低级操作
参数：
所有从目标机启动的任务以字母 t开头，所有从主机启动的任务以字母 u开头
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内核— 任务扩展函数
为扩展与task相关的功能，Wind提供勾连（hook）功能，在task创建、切换、删除时，自动唤起相关的勾连例程。 在TCB中有一个字段存放此扩展 taskCreateHookAdd( ) 每个task创建时增加一个例程 taskCreateHookDelete( ) taskSwitchHookAdd( ) taskSwitchHookDelete( ) taskDeleteHookAdd( ) taskDeleteHookDelete( )
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内核—任务控制块（TCB）
保存任务的上下文，一个任务的上下文包括： 程序执行指针 CPU寄存器和浮点寄存器 动态变量和函数调用的堆栈 标准输入、输出和错误的I/O分配 延迟定时器 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
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内核—任务状态转换
一切就绪，只差CPU
等待某种资源
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内核— 任务控制函数
taskSpawn()：创建并激活一个task（定位） taskInit()：初始化一个新task taskActivate()：激活一个task Task ID：32bits，指向task控制块的指针(ID 0指调用task) Task Name：代表task的ASCII字符串 Task选项 获取Task信息 Task删除和删除保险 Task控制：改变task的状态
VxWorks操作系统基础(适合初学者阅读)2024新版
系统库（System Library）
提供一系列操作系统服务，如文件操作、网络协议栈等。
驱动程序（Device Drivers）
与硬件设备交互，实现对硬件设备的控制和管理。
内核组成及作用
内核组成及作用
01
内核的主要作用包括
02 管理系统资源，如CPU、内存、I/O设备等 。
06
VxWorks文件系统操作指南
文件系统类型及特点介绍
RAM-based File System
基于RAM的文件系统，读写速度快，但数据在 关机后丢失。
TrueFFS
Wind River特有的闪存文件系统，提供磨损均 衡和掉电保护功能。
ABCD
DOS File System (dosFs)
兼容MS-DOS的文件系统，支持FAT12、FAT16 和FAT32格式。
01
VxWorks操作系统概述
VxWorks操作系统定义
VxWorks是一款由美国风河公司（ Wind River）开发的嵌入式实时操 作系统（RTOS），专为需要实时响 应和高可靠性的应用而设计。
VxWorks提供了丰富的中间件和开发 工具，支持多种处理器架构和硬件平 台，广泛应用于航空、航天、通信、 医疗、工业自动化等领域。
在ISR中处理完中断事件后， 需要及时清除中断标志，避 免重复处理。
中断优先级设置和嵌套处理
01
VxWorks支持多级中断优先级，高优先级的中断可以打断低优先 级的中断处理。
02
中断优先级可以通过配置文件或动态调整进行设置，以满 足不同应用场景的需求。
03
在处理中断时，如果发生更高优先级的中断请求， VxWorks会自动保存当前中断的上下文信息，并跳转到更 高优先级的中断处理程序中。处理完成后，再恢复之前中 断的上下文信息并继续执行。这种机制称为中断嵌套处理 。
VxWorks操作系统简介
VxWorks操作系统简介VxWorks操作系统简介VxWorks操作系统是一种广泛应用于嵌入式系统开发的实时操作系统。
本文将详细介绍VxWorks操作系统的架构、特性、应用领域以及相关的法律名词注释。
一、VxWorks操作系统架构VxWorks操作系统采用分层架构，包括内核层、中间层以及外围应用层。
具体架构如下：⒈内核层：提供底层的操作系统服务，包括任务管理、内存管理、中断处理、设备驱动等。
内核层使用高度模块化的设计，可以根据需求选择性地加载不同的内核服务。
⒉中间层：提供更高层次的功能，如文件系统、网络协议栈、图形用户界面等。
中间层通过对内核接口的封装，提供更便捷的应用开发接口。
⒊外围应用层：包括用户应用程序和系统管理工具。
用户应用程序可以基于VxWorks操作系统的开发环境进行开发，并且通过内核和中间层提供的接口与系统进行交互。
二、VxWorks操作系统特性VxWorks操作系统有以下特点：⒈实时性：VxWorks操作系统被广泛应用于实时系统开发，具有快速响应、低延迟和可预测性等特性。
它使用了优化的调度算法和中断处理机制，确保系统对实时任务的及时响应。
⒉可靠性：VxWorks操作系统采用了可靠性设计和故障恢复机制，例如内存保护、任务隔离和异常处理等。
这些机制可最大限度地减少系统崩溃和错误的影响。
⒊可扩展性：VxWorks操作系统具有高度可扩展性，可以根据应用的需要进行灵活配置。
开发人员可以根据系统需求选择性地加载所需的内核服务和中间层模块，以达到最佳性能和资源利用。
⒋安全性：VxWorks操作系统提供了多层次的安全机制，包括权限控制、数据加密和访问控制等。
这些机制可以在网络和物理环境中保护系统不受未经授权的访问和攻击。
三、VxWorks操作系统的应用领域VxWorks操作系统在各行各业都有广泛的应用，特别适用于对实时性和可靠性要求较高的领域。
以下是一些典型的应用领域：⒈工业自动化：VxWorks操作系统被广泛用于控制系统和工业领域，如汽车制造、航空航天和机械制造等。
VxWorks_下多核编程研究
科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·76·2023年第15期文章编号：2095-6835（2023）15-0076-03VxWorks下多核编程研究赵昶宇1，胡平2（1.天津津航计算技术研究所，天津300308；2.海军工程大学舰船与海洋学院，湖北武汉430033）摘要：介绍了VxWorks支持对称多处理的特性，讨论了SMP（Symmetric Multi Processing，对称多处理）配置特有的特性，重点介绍了单处理器配置和SMP配置在编程实践时在“互斥/同步机制”上的差异，并列举了实现SMP性能优化的方法。
关键词：VxWorks系统；SMP编程；对称多处理；互斥/同步机制中图分类号：TP332文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2023.15.022多核系统在一个系统中包含2个或2个以上处理器。
对称多处理是多核技术的一种变体，在这种技术中，一个操作系统运行在多个处理器上，并且共享内存。
VxWorks SMP是一种用于对称多处理的系统。
它与单处理器一样，具备实时操作系统的特性。
SMP和单处理器配置之间的差异是有限的，并且与对多处理的支持密切相关[1]。
SMP系统中的全部CPU（Central Processing Unit/Processor，中央处理器）不仅可以共同享用系统的全部物理内存，即系统中的所有CPU均可对所有物理内存进行读、写及运行操作。
用户可指定VxWorks 系统的内核任务和用户任务运行在任意的CPU中。
大多数API（Application Program Interface，应用程序接口）在VxWorks的SMP和单处理器是通用的，单处理器中的少数API不适合SMP系统。
同样的，SMP 系统中的部分API在单处理器中执行时无法体现在SMP中执行时的效果，有的API甚至无法在单处理器中执行。
vxWorks开发入门教程索引
vxWorks还提供了内存泄漏检测功能，以帮助用户发现并及时处理内存泄漏问题。同时，vxWorks还支持内 存回收功能，可以自动回收不再使用的内存空间。
03 开发环境搭建与 配置
安装与配置开发环境
安装Wind River Workbench
下载并安装适用于您的操作系统的Wind River Workbench，这是开发vxWorks应用程序的集成开发环境（ IDE）。
vxWorks开发入门教程索 引
contents
目录
• 引言 • vxWorks基础知识 • 开发环境搭建与配置 • 驱动程序开发与调试 • 中间件及组件应用 • 系统优化与性能提升 • 项目实战：基于vxWorks的智能家居控
制系统设计
01 引言
vxWorks概述
01
vxWorks是一款实时操作系统（RTOS），专为嵌入式系统设计 ，具有高性能、可确定性和低延迟等特点。
日志和跟踪工具
使用vxWorks提供的日志和跟踪工具来记录应用程序的运行状态和错误信息。这有助于 分析和解决问题。
04 驱动程序开发与 调试
设备驱动模型概述
01
设备驱动模型组成
包括设备、驱动和服务等组件， 用于实现硬件设备的抽象和访问 控制。
02
设备驱动模型作用
提供统一的设备访问接口，屏蔽 底层硬件细节，简化驱动开发流 程。
关键模块代码实现及讲解
设备驱动模块
展示设备驱动模块的代码实现，包括 设备初始化、数据读写等操作。
通信协议模块
介绍通信协议模块的实现，包括协议 的选择、封装和解封装等过程。
应用功能模块
展示应用功能模块的代码实现，如远 程控制、自动化场景设置等。
VxWorks编程常用函数说明
taskSend() { if (OK != msgQSend(msgQID, "A", 1, NO_WAIT, MSG_PRI_NORMAL)) { printf("Message send failed!"); } }
if (select(width, &readFds, NULL, NULL, NULL) == ERROR) { /*监听*/ close(fds[0]); ... ...; close(fds[3]); return; } for(i=0; i if (FD_ISSET(fds[i], &readFds)) { ... ...; /* 进行读写操作 */
Init() { /* 创建管道 */
if (pipeDevCreate("/pipe/mypipe", 8, 1) != OK) { printf("/pipe/mypipe create fialed!\n"); } /* 创建互斥信号量 */ if ((semMID = semMCreate(SEM_Q_FIFO)) == NULL) { printf("Mutex semaphore create failed!\n"); } }
taskReceive() { uchar_t ch; msgQReceive(msgQID, &ch, 1, WAIT_FOREVER); /* 这里任务会阻塞 */ printf("Received from msgq: %c ", ch); }
VxWorks中信号量实现任务间通信同步与互斥,代码
VxWorks信号量是提供任务间通信、同步和互斥的最优选择，提供任务间最快速的通信。
也是提供任务间同步和互斥的主要手段。
VxWorks提供3种信号量来解决不同的问题。
二进制信号量是最快的最常用的信号量，可用于同步或互斥。
互斥为了解决内在的互斥问题、优先级继承、删除安全和递归等情况而最优化的特殊的二进制信号量。
计数器类似于二进制信号量，但是随信号量释放的次数改变而改变。
二进制信号量semBCreate (SEM_Q_FIFO/SEM_Q_PRIORITY , SEM_EMPTY/SEM_F ULL)有两个作用：（1）任务间的互斥－－同一个任务获取和释放信号量，防止两个任务同时存取一个资源（2）任务间的同步－－一个任务获取信号量，另一个任务（或者中断）释放信号量二进制信号量实现互斥使用二进制信号量可以很方便的实现互斥，互斥是指多任务在访问临界资源时具有排他性。
为了使多个任务互斥访问临界资源，只需要为该资源设置一个信号量，相当于一个令牌，那个任务拿到令牌即有权使用该资源。
把信号量设置为可用，然后把需要的资源的任务的临界代码置于semTake()和semGive()之间即可。
注明：1、互斥中的信号量与任务优先级的关系：任务的调度还是按照任务优先级进行，但是在使用临界资源的时候只有一个任务获得信号量，也就是说还是按照任务优先级获得信号量从而访问资源。
只是当前使用资源的任务释放信号量semGive()，其它任务按照优先级获得信号量。
2、信号量属性中的参数为：SEM_Q_PRIORITY。
而且在创建信号量的时候必须把信号量置为满SEM_FULL。
即信号量可用。
基本实现互斥模型：SEM_ID semMutex;semMutex = semBCreate(SEM_Q_PRIORITY, SEM_FULL)；task(void){semTake(semMutex, W AIT_FOREVER)；//得到信号量，即相当于得到使用资源的令牌//临界区，某一个时刻只能由一个任务访问semGive(semMutex);}二进制信号量实现同步同步即任务按照一定的顺序先后执行，为了实现任务A和B同步，只需要让任务A和B共享一个信号量，并设置初始值为空，即不可用，将semGive()置于任务A之后，而在任务B 之前插入semTake()即可。