VxWorks 操作系統(tǒng)學習筆記1. 任務(wù)VxWorks
任務(wù)：在執(zhí)行時每個程序都被稱之為任務(wù)。VxWorks操作系統(tǒng)中，任務(wù)可以直接地或者以共享方式訪問大多數(shù)系統(tǒng)資源，為了維護各自的線程，每個任務(wù)必須保持有足夠的上下文環(huán)境。
(1) 任務(wù)狀態(tài)：
就緒（READY）：該狀態(tài)時任務(wù)僅等待CPU的狀態(tài)，不等待其他任何資源。
阻塞（PEND）：任務(wù)由于一些資源不可用而被阻塞時的狀態(tài)。
睡眠（DELAY）：出于睡眠的任務(wù)狀態(tài)。
掛起（SUSPEND）：該狀態(tài)時任務(wù)不執(zhí)行，主要用于調(diào)試用。掛起僅僅約束任務(wù)的執(zhí)行，并不約束狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，因此pended-suspended狀態(tài)時任務(wù)可以解鎖，delayed-suspended狀態(tài)時任務(wù)可以喚醒。
DELAY+S：既處于睡眠又處于掛起的任務(wù)狀態(tài)。
PEND+S：既處于阻塞又處于掛起的任務(wù)狀態(tài)。
PEND+T：帶有超時值處于阻塞的任務(wù)狀態(tài)。
PEND+S+T：帶有超時值處于阻塞，同時又處于掛起的任務(wù)狀態(tài)。
state+I：任務(wù)處于state且?guī)в幸粋€繼承優(yōu)先級。
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| ready | ——> | pended | semTake () / msgQReceive () |
| ready | ——> | delayed | taskDelay () |
| ready | ——> | suspended | taskSuspend () |
| pended | ——> | ready | semGive () / msgQSend () |
| pended | ——> | suspended | taskSuspend () |
| delayed | ——> | ready | expired delay |
| delayed | ——> | suspended | taskSuspend () |
| suspended | ——> | ready | taskResume () / taskActivate () |
| suspended | ——> | pended | taskResume () |
| suspended | ——> | delayed | taskResume() |
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(2) Wind任務(wù)調(diào)度
在Wind內(nèi)核中，默認算法是基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度算法，也可以使用輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法。
任務(wù)調(diào)度控制函數(shù)：
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| 調(diào)用 | 描述 |
| kernelTimeSlice() | 控制輪轉(zhuǎn)調(diào)度 |
| taskPrioritySet() | 改變?nèi)蝿?wù)優(yōu)先級 |
| taskLock() | 禁止任務(wù)調(diào)度 |
| taskUnlock() | 允許任務(wù)調(diào)度 |
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基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度：
當一個新任務(wù)優(yōu)先級高于系統(tǒng)當前執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)先級時，它將搶占CPU執(zhí)行。因此，系統(tǒng)內(nèi)核將確保CPU分配給處于就緒狀態(tài)的具有最高優(yōu)先級的任務(wù)執(zhí)行。
缺點：當多個相同優(yōu)先級的任務(wù)需要共享一臺處理器時，如果某個執(zhí)行的任務(wù)永不阻塞，那么它將一直獨占處理器，其他相同優(yōu)先級的任務(wù)就沒有機會執(zhí)行。
輪轉(zhuǎn)式調(diào)度：
當所有相同優(yōu)先級的任務(wù)處于就緒狀態(tài)時，輪轉(zhuǎn)算法傾向于平均使用CPU，對于所有相同優(yōu)先級的任務(wù)，通過時間片獲得相同的CPU處理時間。
搶占上鎖：
通過調(diào)用taskLock()和taskUnlock()函數(shù)，可以禁止使用Wind內(nèi)核調(diào)度程序或啟用Wind內(nèi)核調(diào)度程序。當禁止使用調(diào)度程序時，若該任務(wù)正在執(zhí)行，不會發(fā)生基于優(yōu)先級的搶占。
搶占上鎖只能阻止任務(wù)的上下文切換，并不禁止中斷。
taskLock()和intLock()比較
任務(wù)優(yōu)先級：所有應用任務(wù)的優(yōu)先級應該在100-250之間；但是驅(qū)動程序支持的任務(wù)（與中斷服務(wù)程序關(guān)聯(lián)的任務(wù)）優(yōu)先級能夠位于51-99。
(3) 任務(wù)異常處理：
(4) 共享代碼和重入
VxWorks操作系統(tǒng)中，大多數(shù)函數(shù)是可重入的。但若存在一個對應于命名為someName_r()的函數(shù)，someName() 因作為函數(shù)重入的版本將認為是不可重入的。例如，ldiv() 有一個對應函數(shù)ldiv_r()，則ldiv() 是不可重入的。
重入技術(shù)：
. 動態(tài)堆棧變量
. 被信號保護的全局和靜態(tài)變量
. 任務(wù)變量：taskVarAdd(), taskVarDelete()和taskVarGet()
(5) 操作系統(tǒng)任務(wù)VxWorks
.
tUserRoot：內(nèi)核執(zhí)行的首個任務(wù)，入口點是安裝目錄/target/config/all/usrConfig.c下函數(shù)usrRoot()，可
初始化VxWorks操作系統(tǒng)的大部分程序，發(fā)起諸如日志任務(wù)、異常處理任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)任務(wù)和tRlogind后臺程序。正常情況下根任務(wù)在所有初始化結(jié)束
后，終止任務(wù)并且被刪除。
. tLogTask：日志任務(wù)
. tExcTask：異常處理任務(wù)，必須擁有系統(tǒng)的最高優(yōu)先級。
. tNetTask：網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，用于VxWorks網(wǎng)絡(luò)任務(wù)級程序處理。通常配置INCLUDE_NET_LIB組件的VxWorks操作系統(tǒng)可以發(fā)起網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。
. tWdbTask：目標代理任務(wù)，用INCLUDE_WDB組件配置的VxWorks操作系統(tǒng)包括目標代理功能。
. 可選組建的任務(wù)
. tShell
. tRlogind
. tTelnetd
. tPortmapd
2. 任務(wù)間通信
(1) 共享內(nèi)存，數(shù)據(jù)的簡單共享
在VxWorks操作系統(tǒng)中所有任務(wù)存在于一個單獨的線性地址空間中，所以任務(wù)間共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是很容易實現(xiàn)的。全局變量、線性緩沖、環(huán)形緩沖、連接鏈和指針都可以被運行在不同上下文中的代碼直接引用。
(2) 信號量，基本的互斥和同步
. 實現(xiàn)資源互斥訪問的方法包括：
中斷上鎖（中斷上鎖時不要調(diào)用VxWorks操作系統(tǒng)函數(shù)，強行使用會導致意外的中斷）：intLock() 和intUnlock()
搶占上鎖：taskLock() 和taskUnlock()
信號量對資源的上鎖
. VxWorks操作系統(tǒng)中的信號量類型
二進制，最快最通用的信號量，適用于同步和互斥。
互斥，為解決內(nèi)在互斥問題、優(yōu)先級繼承、刪除安全以及遞歸問題等而最優(yōu)化的一種特殊二進制信號量。
計數(shù)，類似于二進制信號量，但其跟蹤信號量被釋放的次數(shù)，適用于單個資源多個實例需要保護的情況。
. 隊列類型：
SEM_Q_PRIORITY：根據(jù)優(yōu)先級順序
SEM_Q_FIFO：根據(jù)先進先出順序
. 互斥信號量
基本行為與二進制信號量一致，不同之處如下：
僅用于互斥；
僅能由提取它（即調(diào)用semTake()）的任務(wù)釋放；
不能在中斷服務(wù)程序中釋放；
semFlush()函數(shù)操作非法；
..
優(yōu)先級倒置：互斥信號量選項SEM_INVERSION_SAF能夠繼承優(yōu)先級算法，優(yōu)先級繼承協(xié)議確保在資源阻塞的所有任務(wù)中優(yōu)先級最高的且擁有資源執(zhí)
行資格的任務(wù)將優(yōu)先執(zhí)行。一旦任務(wù)的優(yōu)先級被提高，它以提高后的優(yōu)先級執(zhí)行；直到釋放其占有的全部互斥信號量后，該任務(wù)將返回到正常或者標準的優(yōu)先級。該
選項要求與優(yōu)先級隊列（SEM_Q_PRIORITY）一起使用。
..
刪除安全：一個受信號量保護的臨界區(qū)域內(nèi)經(jīng)常需要保護執(zhí)行任務(wù)避免被意外地刪除。刪除一個在臨界區(qū)執(zhí)行的任務(wù)可能會導致意想不到的后果。原語
semSafe()和semUnsafe()提供了一種任務(wù)安全的方法。但是在使用互斥信號量選項SEM_DELETE_SAFE時，每次使用
semTake()將隱含調(diào)用taskSafe()，使用semGive()將隱含調(diào)用taskUnsafe()。使用這種方式，任務(wù)在占用信號量時不會
被刪除。
.. 遞歸資源訪問：互斥信號量能夠遞歸獲得。在釋放信號量前，遞歸獲取的互斥信號量被釋放和提取的次數(shù)應該相等，這通過一個計數(shù)器跟蹤實現(xiàn)。
. 計數(shù)器信號量
是實現(xiàn)任務(wù)同步和互斥的另一種手段，適用于保護多份復制的資源。
(3) 消息隊列
在VxWorks操作系統(tǒng)里，單個CPU里任務(wù)間的主要通信方式使用消息隊列。
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| 調(diào)用 | 描述 |
| msgQCreate() | 分配并初始化一個消息隊列 |
| msgQDelete() | 終止并釋放一個消息隊列 |
| msgQSend() | 向一個消息隊列發(fā)送消息 |
| msgQReceive() | 從一個消息隊列接收消息 |
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消息的優(yōu)先級：MSG_PRI_NORMAL和MSG_PRI_URGENT
中斷服務(wù)程序能夠向消息管道中寫入，但不能從消息管道中讀取。
(4) 管道
管道使用VxWorks操作系統(tǒng)中的I/O系統(tǒng)，并提供替換消息隊列的接口。管道是由驅(qū)動程序pipeDrv管理的虛擬I/O設(shè)備，任務(wù)能夠使用標準I/O 對管道進行打開、讀取或?qū)懭氲炔僮?，另外也可以調(diào)用函數(shù)ioctl。
與消息管道類似，中斷服務(wù)程序能夠向管道寫入，但不能從管道讀取。
(5) 任務(wù)間網(wǎng)絡(luò)通信
套接字Sockets
遠程程序調(diào)用RPC
(6) 信號
VxWorks支持軟件信號功能。信號可以異步改變?nèi)蝿?wù)的控制流程。任何任
務(wù)或中斷服務(wù)程序可以向指定任務(wù)發(fā)送信號。接收到信號的任務(wù)立即掛起當前的執(zhí)行線程，在下次調(diào)度執(zhí)行時轉(zhuǎn)而執(zhí)行指定的信號處理程序。信號處理程序在接收任
務(wù)的上下文中執(zhí)行，并使用任務(wù)的堆棧。即使在任務(wù)被阻塞時，仍可調(diào)用信號處理程序。
通常信號處理程序可作為中斷處理程序看待，任何導致調(diào)用程序阻塞的函數(shù)均不能在信號處理程序中調(diào)用。
Wind內(nèi)核支持兩種類型的信號接口：UNIX BSD風格的信號和POSIX兼容信號。為了簡化設(shè)計，建議在一個應用程序中使用一種類型接口，不要混合使用不同接口。
基本信號函數(shù)：
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| POSIX 1003.1b兼容調(diào)用|UNIX BSD兼容調(diào)用| 描述 |
| signal() | signal() | 指定信號的處理程序 |
| kill() | kill() | 向任務(wù)發(fā)送信號 |
| raise() | N/A | 向自身發(fā)送信號 |
| sigaction() | sigvec() | 檢查或設(shè)置信號的處理程序 |
| sigsuspend() | pause() | 掛起任務(wù)直至任務(wù)提交 |
| sigpending() | N/A | 恢復一組用于傳遞而被阻塞的信號|
| sigemptyset() ------- | ------------------------ | ---------------------------------------------|
| sigfillset() ------- | | |
| sigaddset() -------- | sigsetmask() | 設(shè)置信號屏蔽 |
| sigdelset() -------- | | |
| sigismember() ------- |--------------------- ---|---------------------------------------------|
| sigprocmask() | sigsetmask() | 設(shè)置阻塞信號的屏蔽 |
| sigprocmask() | sigblock() | 增加到一組阻塞的信號中 |
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信號發(fā)生通常與硬件中斷相聯(lián)系。例如總線出錯、非法指令以及浮點數(shù)異常都可能產(chǎn)生某種信號。
3. 事件VxWorks
VxWorks事件是一種在任務(wù)和中斷處理程序間，或任務(wù)和VxWorks結(jié)構(gòu)體間的通信方式。在VxWorks事件上下文中，這些結(jié)構(gòu)體被用作為資源，包括信號量和消息隊列。只有任務(wù)能夠接收事件；然而任務(wù)、中斷處理程序或資源都可以發(fā)送事件。
(1) 事件pSOS
. 發(fā)送和接收事件
任務(wù)、中斷服務(wù)程序以及資源都使用同一個應用編程接口ev_send()來發(fā)送事件。
對于從資源接收事件的任務(wù)來說，任務(wù)必須用資源寄存，而且請求資源在空閑時發(fā)送一系列指定的事件；這種資源可以使信號量，也可以是消息隊列。
. 等待事件
任務(wù)能夠從一個或多個資源等待多個事件。每個資源可以發(fā)送多個事件，同樣任務(wù)也可以等待接收一個或多個事件。
. 事件的寄存
從資源接收事件時，資源只能寄存一個任務(wù)。如果另一個任務(wù)隨后用同樣的資源寄存，那么不會通知原先寄存的任務(wù)就自動解除原有的寄存。VxWorks事件寄存的處理與pPOS事件則不同。
. 空閑資源
當資源給任務(wù)發(fā)送事件表明空閑時，不意味著資源的空閑狀態(tài)可以保留。因此，從資源等待事件的任務(wù)在資源空閑時被解除阻塞；但同時資源也可能被取走。
對于兩個或兩個以上的任務(wù)持續(xù)交換資源所有權(quán)的情況，資源雖然被釋放，但并不處于空閑狀態(tài)，所以資源將不會發(fā)送事件。
. 應用編程接口
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| 函數(shù) | 描述 |
| ev_send() | 給任務(wù)發(fā)送事件 |
| ev_receive() | 等待事件 |
| sm_notify() | 寄存一個被信號量告知可用的任務(wù) |
| q_notify() | 寄存一個被消息隊列告知有消息到來的任務(wù) |
| q_vnoify | 寄存一個被可變長度的消息隊列告知有消息到來的任務(wù) |
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(2) 事件VxWorks
VxWorks事件執(zhí)行以pPOS事件為基石。
. 空閑資源定義
互斥信號量：當一個互斥信號量被釋放并且在其上沒有任務(wù)阻塞
二進制信號量：當沒有任務(wù)占有或等待一個二進制信號量
計數(shù)器信號量：一個計數(shù)器信號量在其計數(shù)值非零且其上沒有阻塞任務(wù)時
消息隊列：隊列中有消息存在，且沒有等待該隊列中消息而阻塞的任務(wù)
. VxWorks對pPOS事件的擴展
單任務(wù)資源寄存：在pPOS系統(tǒng)中一個任務(wù)用資源寄存發(fā)送pSOS事件時，它會無意地取消另一個已用該資源寄存的任務(wù)寄存，第一個用該資源寄存的任務(wù)將無
限期地被阻止。VxWorks事件則提供了一個選項，在該選項中如果另一個任務(wù)已經(jīng)用某個資源寄存了，則不允許第二個任務(wù)用該資源再寄存。如果第二個任務(wù)
用該資源寄存，將返回一個錯誤。
立即發(fā)送選項：當一個pPOS任務(wù)用資源寄存時，即使寄存時資源處于空閑狀態(tài)，也不會立即給任務(wù)發(fā)送時間。對于VxWorks事件，默認行為與之相同。然
而，VxWorks事件提供了一個選項，即若該資源在寄存時處于空閑狀態(tài)，該選項允許任務(wù)請求資源立即給其發(fā)送事件。
自動取消寄存選項：pPOS執(zhí)行過程序要任務(wù)在從資源接收任務(wù)后明確地取消寄存。VxWorks執(zhí)行提供一個選項，該選項可以通知資源僅發(fā)送一次事件，然后在發(fā)送后自動取消寄存。
自動解除資源堵塞：當刪除資源（一個信號量或者消息隊列時），調(diào)用函數(shù)semDelete()和msgQDelete()解除所有任務(wù)的掛起。在任務(wù)等待
被刪除資源發(fā)送事件時，該措施保護任務(wù)避免無限期地堵塞。然后任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行，導致任務(wù)掛起的函數(shù)eventReceive()返回一個ERROR值。
事件25到32（VXEV25或0x01000000到VXEV32或0x80000000）用作系統(tǒng)保留用，VxWorks用戶不可以使用這些事件。
(3) 比較API
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| VxWorks函數(shù) | pPOS函數(shù) | 注釋 |
| eventSend | ev_send | 直接端口 |
| eventReceive | ev_receive | 直接端口 |
| eventClear | | VxWorks中的新功能 |
| semEvStart | sm_notify | SemEvStart等價于用非零事件參數(shù)調(diào)用sm_notify |
| semEvStop | sm_notify | SemEvStop等價于用事件參數(shù)為0調(diào)用sm_notify |
| msgQEvStart | q_vnotify | msgQEvStart等價于用非零事件參數(shù)調(diào)用q_notify |
| msgQEvStop | q_vnotify | msgQEvStop等價于用事件參數(shù)為0調(diào)用q_notify |
| | q_notify | VxWorks沒有一個固定長度的消息隊列機制 |
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4. 看門狗定時器
VxWorks包括一個看門狗定時器機制，允許任何C函數(shù)與一個特定的時間
延時器聯(lián)系?？撮T狗定時器作為系統(tǒng)時鐘中斷服務(wù)程序的一部分來維護。被看門狗定時器調(diào)用的函數(shù)通常作為系統(tǒng)時鐘中斷級的中斷服務(wù)代碼來執(zhí)行。但如果內(nèi)核由
于某種原因不能立即執(zhí)行能夠函數(shù)（例如一個優(yōu)先中斷或者內(nèi)核狀態(tài)），函數(shù)將放在tExcTask工作隊列中。tExcTask工作隊列中的函數(shù)以
tExcTask（通常是0）優(yōu)先級來執(zhí)行。
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| 調(diào)用 | 描述 |
| wdCreate() | 分配并初始化一個看門狗定時器 |
| wdDelete() | 終止并釋放一個看門狗定時器 |
| wdStart() | 啟動一個看門狗定時器 |
| wdCancel() | 取消當前的一個計數(shù)的看門狗定時器 |
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5. 中斷服務(wù)代碼
為了盡快地響應中斷，VxWorks中斷處理程序在所有任務(wù)上下文之外的一個特殊上下文內(nèi)執(zhí)行。因此，中斷處理不涉及到任務(wù)上下文的切換。
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| 調(diào)用 | 描述 |
| intConnect() | 設(shè)置中斷處理的C程序 |
| intContext() | 如果是從中斷級調(diào)用，返回真 |
| intCount() | 獲得當前中斷嵌套深度 |
| intLevelSet() | 設(shè)置處理器的中斷屏蔽級 |
| intLock() | 禁止中斷 |
| intUnlock() | 重新允許中斷 |
| intVecBaseSet() | 設(shè)置向量基地址 |
| intVecBaseGet() | 得到向量基地址 |
| intVecSet() | 設(shè)置異常向量 |
| intVecGet() | 獲得異常向量 |
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調(diào)用中斷服務(wù)程序函數(shù)存在著很多的限制。例如，在應用中斷服務(wù)程序時不能使用printf(), malloc()和semTake()函數(shù)，但是可以使用semGive(), logMsg(), msgQSend()和bcopy()這樣的函數(shù)。
產(chǎn)生這些限制的原因是由于中斷服務(wù)程序不在一個固定的任務(wù)上下文中執(zhí)行，而且沒有任務(wù)控制塊，因此所有中斷服務(wù)程序必須共享一個單獨的堆棧。
. 中斷服務(wù)程序基本限制為禁止調(diào)用導致調(diào)用者堵塞的函數(shù)。
. malloc()和free()都要求獲得信號量，中斷服務(wù)程序不能調(diào)用任何用于創(chuàng)建或刪除的函數(shù)。
. 中斷服務(wù)程序不能通過VxWorks驅(qū)動程序來執(zhí)行I/O操作，因為大多數(shù)的設(shè)備驅(qū)動器可能會堵塞等待設(shè)備的調(diào)用者，因此它們需要一個任務(wù)上下文。但VxWorks管道驅(qū)動器是個例外，它設(shè)計用于中斷服務(wù)程序的寫操作。
. VxWorks提供了一個記錄功能，允許向系統(tǒng)任務(wù)平臺打印文本信息。這個機制是專門為中斷服務(wù)程序使用而設(shè)計的，同時它也是從中斷服務(wù)程序打印信息的最常用方法。
. 中斷服務(wù)程序同時禁止調(diào)用浮點協(xié)處理器函數(shù)。在VxWorks操作系統(tǒng)中，由intConnect()函數(shù)建立的中斷驅(qū)動代碼不能保存和恢復浮點寄存器。若中斷服務(wù)程序需要使用浮點指令，則必須明確地保存和恢復fppArchLib中函數(shù)浮點協(xié)處理器的寄存器。
. 所有VxWorks函數(shù)庫，像連接鏈和環(huán)形緩沖器，都可以被中斷服務(wù)程序使用。
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