VxWorks共享看門狗定時(shí)機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　0 引言

　　VxWorks是目前應(yīng)用最多的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療器械、通信、航空航天以及武器裝備等領(lǐng)域。VxWorks是32位實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，自20世紀(jì)80年代由風(fēng)河公司推出以來，其良好的實(shí)時(shí)性、對多任務(wù)的支持、體積精簡、可剪裁等優(yōu)點(diǎn)得到眾多公司、開發(fā)者及用戶的喜愛。

　　在實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用系統(tǒng)中，定時(shí)器是經(jīng)常被用到的重要器件。而對于VxWorks操作系統(tǒng)本身來說，并未提供一個(gè)通用、高效的定時(shí)器組件。文章所提出的共享看門狗定時(shí)機(jī)制就是針對這種情況實(shí)現(xiàn)的一種通用型定時(shí)器組件。

　　1 VxWorks定時(shí)的方法

　　1.1 使用taskDely函數(shù)

　　函數(shù)原型為：STATUS taskDelay(int ticks)該函數(shù)提供一種簡單的任務(wù)休眠機(jī)制，常用于需要不精確定時(shí)或延時(shí)的應(yīng)用中，其定時(shí)的單位為tick,默認(rèn)情況下60(ticks)為1s (利用sysClkRateSet函數(shù)可以修改系統(tǒng)默認(rèn)的時(shí)鐘速率)。在任務(wù)中調(diào)用taskDelay函數(shù)可以在指定的ticks期間空出CPU的使用權(quán)，同時(shí)改變該任務(wù)的狀態(tài)為DELAY.由于經(jīng)常受到任務(wù)調(diào)度的影響，該定時(shí)機(jī)制并不精確。

　　1.2 看門狗watchDog

　　VxWorks提供了一個(gè)看門狗定時(shí)器(watchDog timer)，它由以下四個(gè)函數(shù)維護(hù)：

　　wdCreate( ) 創(chuàng)建并初始化一個(gè)看門狗定時(shí)器;wdDelete( ) 終止并刪除一個(gè)看門狗定時(shí)器;wdStart( ) 啟動(dòng)看門狗定時(shí)器;wdCancel( ) 暫停當(dāng)前看門狗定時(shí)器運(yùn)行。

　　利用wdCreate函數(shù)，在任何任務(wù)中都可以創(chuàng)建一個(gè)看門狗定時(shí)器，經(jīng)過設(shè)置的時(shí)間段后，實(shí)現(xiàn)指定的C函數(shù)。

　　watchDog定時(shí)器作為系統(tǒng)時(shí)鐘中斷服務(wù)程序的一部分來維護(hù)。因此看門狗所定時(shí)執(zhí)行的程序工作在系統(tǒng)中斷級(jí)別具有很高的優(yōu)先級(jí)，該程序必須遵守一般ISR程序的規(guī)定，不能使用任何可能被阻塞的程序。文章所介紹的高效定時(shí)器就是在看門狗定時(shí)器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。

　　1.3 POSIX標(biāo)準(zhǔn)的timer

　　VxWorks同時(shí)也提供IEEE的POSIX 1003.1b標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器接口。POSIX標(biāo)準(zhǔn)保證了應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)之間接口的簡易性，利用這些接口編程，可以使得應(yīng)用程序很輕松地從一個(gè)操作系統(tǒng)移植到另外的操作系統(tǒng)。使用該定時(shí)機(jī)制，在指定時(shí)間段后，任務(wù)將向自身發(fā)送SIGNAL,該定時(shí)器是建立在時(shí)鐘和信號(hào)之上。POSIX標(biāo)準(zhǔn)的timer定時(shí)器常常用來編寫跨平臺(tái)、需要在多個(gè)操作系統(tǒng)下運(yùn)行、易移植的程序。

　　2 基于看門狗定的高效定時(shí)機(jī)制

　　2.1 共享看門狗高效定時(shí)器

　　在一些基于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的項(xiàng)目中，經(jīng)常使用定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)某一時(shí)間段后執(zhí)行某一段程序或函數(shù)，而往往計(jì)時(shí)長度都存在差異，定時(shí)器的使用也往往來自不同任務(wù)，既要求實(shí)時(shí)性，又要保證資源竟?fàn)幍挠行蛐?。鑒于這些特點(diǎn)，經(jīng)常采用的一個(gè)定時(shí)任務(wù)使用一個(gè)看門狗定時(shí)器的模式已不再適用，如果按照這種模式構(gòu)建定時(shí)器機(jī)制，在定時(shí)任務(wù)較多的情況下，由于看門狗定時(shí)器運(yùn)行在中斷級(jí)別，資源消耗就會(huì)變得很大，從而對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性產(chǎn)生影響。

　　共享看門狗定時(shí)器的定時(shí)機(jī)制可以解決這種資源嚴(yán)重浪費(fèi)的現(xiàn)象。共享看門狗定時(shí)機(jī)制，顧名思義，就是多個(gè)定時(shí)任務(wù)通過共享同一個(gè)看門狗定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)定時(shí)操作，其優(yōu)點(diǎn)是資源消耗小、實(shí)時(shí)性好、無須產(chǎn)生額外的定時(shí)任務(wù)。

　　2.2 定時(shí)算法

　　共享看門狗高效定時(shí)器的基本原理是動(dòng)態(tài)改變看門狗的定時(shí)任務(wù)。

　　如圖1所示，系統(tǒng)中存在A、B、C三個(gè)定時(shí)任務(wù)。首先A任務(wù)提交一個(gè)500ms的定時(shí)任務(wù)，200ms后B提交一個(gè)200ms的定時(shí)任務(wù)，再100ms后C提交一個(gè)150ms的定時(shí)任務(wù)。除此之外再無其他計(jì)時(shí)，A、B、C運(yùn)行情況如圖1所示。

　　圖1 共享看門狗定時(shí)器計(jì)時(shí)機(jī)制

　　圖1 共享看門狗定時(shí)器計(jì)時(shí)機(jī)制(參見下頁)定時(shí)器A在時(shí)間軸50ms處向共享定時(shí)器發(fā)起定時(shí)申請，共享定時(shí)器在其維護(hù)的定時(shí)列表中加入A的時(shí)延與執(zhí)行程序的函數(shù)指針，并計(jì)算出定時(shí)器下一執(zhí)行時(shí)刻TA(系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間加上A的定時(shí)時(shí)延)，此時(shí)由于還沒有其他定時(shí)器申請定時(shí)任務(wù)，該列表中只存在A的定時(shí)信息。當(dāng)時(shí)間軸到達(dá)250ms時(shí)，定時(shí)器B發(fā)起定時(shí)申請，由于定時(shí)器A的時(shí)延為500ms,B的時(shí)延為200ms,也就是說B將在時(shí)間軸450ms處執(zhí)行，比A提前了100ms(550ms減去450ms)，此時(shí)定時(shí)列表將完成兩件事情，一是修改下一執(zhí)行時(shí)刻TB為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間加上B的時(shí)延，二是針對執(zhí)行時(shí)刻TA、TB對列表進(jìn)行從小到大的順序排序。此時(shí)列表中B為表頭，A在B之后。同樣的道理當(dāng)時(shí)間軸到達(dá)350ms時(shí)，定時(shí)器C發(fā)起定時(shí)申請，定時(shí)任務(wù)C被加入到定時(shí)列表，計(jì)算得出TC為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)刻加上C的時(shí)延，然后依據(jù)TA、TB、TC重新進(jìn)行排序，此時(shí)列表順序?yàn)锽、C、A.當(dāng)時(shí)間軸執(zhí)行到450ms時(shí)，定時(shí)器B的ISR將被執(zhí)行，同時(shí)B定時(shí)任務(wù)將從定時(shí)列表中刪除;同理，500ms、550ms時(shí)C任務(wù)與A任務(wù)將分別從列表中刪除。

　　此時(shí)所有定時(shí)任務(wù)執(zhí)行結(jié)束，定時(shí)列表為空，共享看門狗定時(shí)器進(jìn)入休眠狀態(tài)。

　　2.3 定時(shí)器實(shí)現(xiàn)

　　2.3.1 定時(shí)器軟件結(jié)構(gòu)

　　共享定時(shí)器軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示：

　　圖2 共享看門狗定時(shí)器計(jì)時(shí)機(jī)制

　　CWatchDogTimer類完成了對看門狗定時(shí)器的封裝，它由一些通用的函數(shù)來維護(hù)一個(gè)看門狗定時(shí)器。其中Create()函數(shù)用來創(chuàng)建一個(gè)看門狗定時(shí)器;Delete()用來刪除該定時(shí)器;Start()用來啟動(dòng)定時(shí)任務(wù);Cancel()用來暫停定時(shí)器工作，此時(shí)再使用Start()函數(shù)可以恢復(fù)定時(shí)器的運(yùn)行。

　　TimerInfo數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由tExe與tInterval兩個(gè)屬性構(gòu)成，tExe記錄定時(shí)器的執(zhí)行時(shí)間，tInterval表示定時(shí)器的時(shí)間間隔。

　　TimerList用來維護(hù)多個(gè)TimerInfo結(jié)構(gòu)的變量，每個(gè)TimerInfo變量記錄一個(gè)定時(shí)器參數(shù)信息。

　　CEfficientTimer類完成對多個(gè)定時(shí)任務(wù)的管理，包括RegistTimer()函數(shù)實(shí)現(xiàn)注冊一個(gè)定時(shí)器;UnRegistTimer()用來注銷一個(gè)定時(shí)器;ClearTimerList()用來清空定時(shí)器列表中所有定時(shí)器任務(wù);IsEmpty()用來判斷定時(shí)器列表是否為空。

　　2.3.2 看門狗定時(shí)模塊實(shí)現(xiàn)

　　看門狗定時(shí)模塊處理流程如圖3所示。

　　圖3 看門狗定時(shí)模塊處理流程

　　看門狗定時(shí)器模塊是共享定時(shí)器的基礎(chǔ)，它實(shí)現(xiàn)了單一定時(shí)器的建立、啟動(dòng)、刪除、取消等功能。首先通過Create()函數(shù)建立一個(gè)看門狗定時(shí)器，同時(shí)設(shè)定定時(shí)器時(shí)延、定時(shí)次數(shù)等參數(shù);然后通過Start()函數(shù)啟動(dòng)定時(shí)器;看門狗程序判斷是否到達(dá)時(shí)間間隔，如果到達(dá)則開始執(zhí)行ISR程序，如果沒有到達(dá)則繼續(xù)等待;當(dāng)執(zhí)行完ISR程序后，定時(shí)器將判斷當(dāng)前執(zhí)行次數(shù)是否到達(dá)執(zhí)行總次數(shù)，如果是則結(jié)束該次定時(shí)任務(wù)，若不是程序?qū)⑻D(zhuǎn)到重新啟動(dòng)定時(shí)器后依次執(zhí)行。

　　2.3.3 定時(shí)器管理模塊實(shí)現(xiàn)

　　定時(shí)器管理模塊是共享定時(shí)機(jī)制的核心，用來維護(hù)定時(shí)器的注冊、注銷以及定時(shí)器鏈表的排序、刪除、清空等操作。

　　定時(shí)器的注冊流程如圖4所示，首先使用RegistTimer()函數(shù)注冊一個(gè)新的定時(shí)器任務(wù)， 并將該定時(shí)器的TimerInfo結(jié)構(gòu)插入鏈表中維護(hù)，然后針對該結(jié)構(gòu)中的tExe變量對鏈表按照升序排列，執(zhí)行時(shí)間最小的將置于表頭;若在插入該定時(shí)器任務(wù)之前鏈表中為空，則定時(shí)器處于休眠狀態(tài)，此時(shí)置定時(shí)器狀態(tài)為運(yùn)行;若插入前鏈表中已存在其他定時(shí)器任務(wù)，則無須重啟定時(shí)器。

　　圖4 看門狗定時(shí)器注冊流程

　　定時(shí)器的注銷流程如圖5所示， 首先使用UnRegistTimer ()函數(shù)注銷一個(gè)已注冊的定時(shí)器任務(wù)，并將該定時(shí)器的TimerInfo結(jié)構(gòu)從鏈表中刪除，然后針對該結(jié)構(gòu)中的tExe變量對鏈表按照升序排列，執(zhí)行時(shí)間最小的將置于表頭;若在刪除該定時(shí)器任務(wù)之前鏈表中除了該定時(shí)任務(wù)沒有其他定時(shí)任務(wù)時(shí)，則置定時(shí)器為休眠狀態(tài);反之，則無須重置定時(shí)器狀態(tài)。

　　圖5 看門狗定時(shí)器注銷流程

　　3 結(jié)束語

　　共享定時(shí)器提供了簡單、高效、通用的定時(shí)方法，使用者可以拋開管理諸多看門狗定時(shí)器的煩惱，從而專心于系統(tǒng)其他方面的設(shè)計(jì)。作為一個(gè)通用的系統(tǒng)組件，開發(fā)人員不僅可以直接使用，縮短開發(fā)時(shí)間，也可以繼承此定時(shí)器類，實(shí)現(xiàn)更多豐富的功能，提供了良好的擴(kuò)展性與靈活性。

　　該機(jī)制在VxWorks的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文應(yīng)答、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等方面得到了廣泛應(yīng)用，在有效節(jié)省系統(tǒng)資源的同時(shí)提高了系統(tǒng)定時(shí)機(jī)制的靈活性。