VxWorks操作系统详解：实时多任务系统的关键特性与应用
VxWorks操作系统详解：实时多任务系统的关键特性与应用
VxWorks操作系统是全球广泛应用的一款实时操作系统（RTOS），尤其在航空航天、工业自动化、通信设备等领域。它以其高效、可靠和可裁剪性而著名。VxWorks的核心特性在于其强大的实时性能，能够确保任务在预定时间内完成并及时响应外部事件。
VxWorks操作系统简介
VxWorks是一款面向实时多任务操作的系统，它允许多个任务并发执行，每个任务拥有自己的内存空间和资源。系统中的任务管理、通信机制以及中断服务程序是其关键组成部分。VxWorks支持多种同步和通信机制，如信号灯、消息队列、管道和套接字，提供了丰富的API供开发者使用。此外，中断服务程序（ISR）具有独立的上下文，确保快速响应中断事件。
VxWorks操作系统内核
Wind实时内核是VxWorks的基础，它包括以下几个关键组件：
- 任务调度：基于优先级的调度策略，确保高优先级任务优先执行。
- 任务同步和通信：提供信号灯、消息队列等机制，使得任务之间可以安全地共享数据和协调执行。
- 中断处理：快速响应硬件中断，ISR有自己的上下文，保证中断处理的效率。
- 定时器：用于精确的时间控制和延迟任务调度。
- 内存管理：有效地分配和回收内存资源，确保系统的稳定运行。
任务管理
VxWorks支持创建和管理多个任务，每个任务都有不同的优先级和堆栈大小。任务间的切换是快速且无损的，确保了实时性能。
通信、同步和互斥机制
VxWorks提供了多种同步和通信原语，如信号灯、消息队列和管道，用于任务间的协作。同时，它还支持POSIX标准的互斥锁和条件变量，保证了并发访问资源时的正确性和一致性。
网络通信
VxWorks的网络功能强大，支持多种网络协议，如TCP/IP、UDP等，可以处理以太网、令牌环等多种网络接口。它还提供了网络透明的套接字API，使得开发者能方便地进行网络编程。
中断服务程序
中断服务程序在VxWorks中扮演着关键角色，它们在硬件中断发生时被调用，处理中断事件，并在完成后恢复原上下文，确保系统的实时响应。
时间管理器
时间管理器负责系统的定时任务，可以设置定时器，实现周期性任务的调度和执行。
VxWorks应用指导
这部分涵盖了VxWorks的系统启动、配置、板级支持包（BSP）以及系统任务的管理。BSP是VxWorks针对特定硬件平台的适配层，包含初始化代码和设备驱动，使得VxWorks能在各种硬件平台上运行。应用软件开发指导则提供了编写和调试VxWorks应用程序的实践经验。
总结，VxWorks操作系统以其高效实时性、灵活性和可扩展性，成为众多工程领域的首选RTOS。开发者可以通过选择和裁剪不同的模块来构建符合特定需求的系统，这不仅简化了开发过程，也提高了系统的可靠性。
基于优先级的抢占式调度，它具有很多优点。这种调度方法为每个任务指定不同的优先级。没有处于悬置或休眠态的最高优先级任务将一直运行下去。当更高优先级的任务由就绪态进入运行时，系统内核立即保存当前任务的上下文，切换到更高优先级的任务。
多任务调度须采用一种调度算法来分配CPU给就绪态任务。Wind内核采用基于优先级的抢占式调度法作为它的缺省策略，同时它也提供了轮转调度法。
基于优先级的抢占式调度，它具有很多优点。这种调度方法为每个任务指定不同的优先级。没有处于悬置或休眠态的最高优先级任务将一直运行下去。当更高优先级的任务由就绪态进入运行时，系统内核立即保存当前任务的上下文，切换到更高优先级的任务。
Wind内核划分优先级为256级（0~255）。优先级0为最高优先级，优先级255为最低。当任务被创建时，系统根据给定值分配任务优先级。然而，优先级也可以是动态的，它们能在系统运行时被用户使用系统调用taskPrioritySet()来加以改变，但不能在运行时被操作系统所改变。
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轮转调度法分配给处于就绪态的每个同优先级的任务一个相同的执行时间片。时间片的长度可由系统调用KernelTimeSlice()通过输入参数值来指定。很明显，每个任务都有一运行时间计数器，任务运行时每一时间滴答加1。一个任务用完时间片之后，就进行任务切换，停止执行当前运行的任务，将它放入队列尾部，对运行时间计数器置零，并开始执行就绪队列中的下一个任务。当运行任务被更高优先级的任务抢占时，此任务的运行时间计数器被保存，直到该任务下次运行时。
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1.1.4.抢占禁止
Wind内核可通过调用taskLock()和taskUnlock（）来使调度器起作用和失效。当一个任务调用taskLock()使调度器失效，任务运行时没有基于优先级的抢占发生。然而，如果任务被阻塞或是悬置时，调度器从就绪队列中取出最高优先级的任务运行。当设置抢占禁止的任务解除阻塞，再次开始运行时，抢占又被禁止。这种抢占禁止防止任务的切换，但对中断处理不起作用。
1.1.5.异常处理
程序代码和数据的出错，如非法命令、总线或地址错误、被零除等。理包，一般是将引起异常的任务休眠，保存任务在异常出错处的状态值。内核和其它任务继续执行。用户可借助Tornado开发工具，查看当前任务状态，从而确定被休眠的任务。
1.1.6.任务管理
VxWorks内核的任务管理提供了动态创建、删除和控制任务的功能，具体实现通过如下一些系统调用：
taskSpawn()创建（产生并激活）新任务
taskInit()初始化一个新任务
taskActivate()激活一个已初始化的任务
taskName()由任务ID号得到任务名
taskNameToId（）由任务名得到任务ID号
taskPriorityGet()获得任务的优先级
taskIsSuspended()检查任务是否被悬置
taskIsReady()检查任务是否准备运行
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