關鍵詞：嵌入式 實時 操作系統(tǒng) 微內核 任務 中斷 調度 目標系統(tǒng)

一 VxWorks實時操作系統(tǒng)背景

用戶在開發(fā)具有日益復雜的32位嵌入式處理器的產(chǎn)品時，需要一個用來連接產(chǎn)品應用程序和底層硬件的操作系統(tǒng)。用戶所尋求的操作系統(tǒng)應該具有的最重要的特點包括：

可靠性高的實時性能

可下載到最終產(chǎn)品的板上內存的豐富和靈活的功能模塊集與全面的主機開發(fā)環(huán)境的可協(xié)同工作。

VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1987年設計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（），是Tornado II嵌入式開發(fā)環(huán)境的關鍵組成部分。

VxWorks是Windriver公司開發(fā)專門為實時嵌入式系統(tǒng)設計開發(fā)的操作系統(tǒng)軟件，為程序員提供了高效的實時任務調度、中斷管理，實時的系統(tǒng)資源以及實時的任務間通信。應用程序員可以將盡可能多的精力放在應用程序本身，而不必再去關心系統(tǒng)資源的管理。該系統(tǒng)主要應用在單板機、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（以太網(wǎng)交換機、路由器）和通信方面等多方面。通過對VxWorks的研究，可以使我們對嵌入式操作系統(tǒng)的研究和開發(fā)更進一步，尤其對國內的類似研制廠家有借鑒意義。

VxWorks操作系統(tǒng)的主要功能

目前VxWorks操作系統(tǒng)的版本為VxWorks 5.4，其核心功能主要有：

微內核wind

任務間通信機制

網(wǎng)絡支持

文件系統(tǒng)和I/O管理

標準實時擴展

C++以及標準支持

這些核心功能可以與WindRiver系統(tǒng)的附件和Tornado合作伙伴的產(chǎn)品結合在一起使用。

二 VxWorks實時操作系統(tǒng)的簡介

VxWorks實時操作系統(tǒng)包括微內核wind、網(wǎng)絡支持、文件系統(tǒng)和I/O管理、C++和標準支持等核心功能。

1. 微內核設計

處于VxWorks實時操作系統(tǒng)核心的是高性能的微內核wind。這個微內核支持所有的實時特征：快速任務切換、中斷支持、搶占式和時間片輪轉調度等。微內核設計減少了系統(tǒng)開銷，從而保證了對外部事件的快速、確定的反應。

運行環(huán)境也提供了有效的任務間通信機制，允許獨立的任務在實時系統(tǒng)中與其行動相協(xié)調。開發(fā)者在開發(fā)應用程序時可以使用多種方法：用于簡單數(shù)據(jù)共享的共享內存、用于單CPU的多任務間信息交換的消息隊列和管道、套接口、用于網(wǎng)絡通信的遠程過程調用、用于處理異常事件的信號等。為了控制關鍵的系統(tǒng)資源，提供了三種信號燈：二進制、計數(shù)、有優(yōu)先級繼承特性的互斥信號燈。

2. 可裁剪的運行軟件

VxWorks之所以設計為具有可裁剪性，是為了使開發(fā)者能夠根據(jù)自己的應用程序需要，而不是根據(jù)操作系統(tǒng)的需要，來分配稀少的內存資源。從需要幾個KB字節(jié)內存的深層嵌入式設計到需要更多的操作系統(tǒng)的功能的復雜的高端的實時系統(tǒng)，開發(fā)者也許需要從100多個不同的選項中進行選擇以產(chǎn)生上百種的配置方式。許多獨立的模塊都是在開發(fā)時要使用而在產(chǎn)品中卻不再使用。

而且，這些子系統(tǒng)本身也是可裁剪的，這樣就允許開發(fā)者為最廣泛的應用程序進行更為優(yōu)化的VxWorks運行環(huán)境配置。例如，如果應用程序不需要某些功能模塊，就可以將它移出 C運行庫；如果應用程序不需要某些特定的內核同步對象，這些對象也可以忽略。還有，TCP、UDP、套接口和標準Berkeley服務也可以根據(jù)需要將之移出或移入網(wǎng)絡協(xié)議棧。

這些配置選項可以通過Tornado II的項目工具圖形接口輕易地選擇。開發(fā)者也可以使用Tornado II的自動裁剪特性，自動地分析應用程序代碼并合并合適的選項。

三 VxWorks操作系統(tǒng)的基本結構

VxWorks操作系統(tǒng)的基本構成部件主要有以下五個部分：

板級支持包BSP(Board )

微內核wind

網(wǎng)絡系統(tǒng)

文件系統(tǒng)

I/O系統(tǒng)

VxWorks 操作系統(tǒng)包括了板級支持包BSP(Board )、進程管理、存儲管理、設備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡協(xié)議及系統(tǒng)應用等幾個部分。VxWorks只占用了很小的存儲空間，并可高度裁減，保證了系統(tǒng)能以較高的效率運行。

1.板級支持包 BSP（Board ）

板級支持包對各種板子的硬件功能提供了統(tǒng)一的軟件接口，它包括硬件初始化、中斷的產(chǎn)生和處理、硬件時鐘和計時器管理、局域和總線內存地址映射、內存分配等等。每個板級支持包括一個 ROM 啟動（Boot ROM）或其它啟動機制。

2.高性能的實時操作系統(tǒng)核心 wind

[1].VxWorks 的核心，被稱作 wind，包括多任務調度（采用優(yōu)先級搶占方式），任務間的同步和進程間通信機制以及中斷處理，看門狗和內存管理機制。一個多任務環(huán)境允許實時應用程序以一套獨立任務的方式構筑，每個任務擁有獨立的執(zhí)行線程和它自己的一套系統(tǒng)資源。進程間通信機制使得這些任務的行為同步、協(xié)調。

[2].wind使用中斷驅動和優(yōu)先級的方式。它縮短了上下文轉換的時間開銷和中斷的時延。在 VxWorks 中，任何例程都可以被啟動為一個單獨的任務，擁有它自己的上下文和堆棧。還有一些其它的任務機制可以使任務掛起、繼續(xù)、刪除、延時或改變優(yōu)先級。

[3].wind 核提供信號量作為任務間同步和互斥的機制。在 wind 核中有幾種類型的信號量，它們分別針對不同的應用需求：二進制信號量、計數(shù)信號量、互斥信號量和 信號量。所有的這些信號量是快速和高效的，它們除了被應用在開發(fā)設計過程中外，還被廣泛地應用在 VxWorks 高層應用系統(tǒng)中。對于進程間通信，wind 核也提供了諸如消息隊列、管道、套接字和信號等機制。

3.網(wǎng)絡設施

VxWorks的網(wǎng)絡結構如圖所示，它提供了對其它網(wǎng)絡和 TCP/IP 網(wǎng)絡系統(tǒng)的"透明"訪問，包括與BSD套接字兼容的編程接口，遠程過程調用（RPC），（可選項），遠程文件訪問（包括客戶端和服務端的NFS機制以及使用RSH，F(xiàn)TP 或 P的非NFS機制）以及 和 ARP 代理。無論是松耦合的串行線路、標準的以太網(wǎng)連接還是緊耦合的利用共享內存的背板總線，所有的 VxWorks 網(wǎng)絡機制都遵循標準的 協(xié)議。

4.文件系統(tǒng)

VxWorks 提供的快速文件系統(tǒng)適合于實時系統(tǒng)應用。它包括幾種支持使用塊設備（如磁盤）的本地文件系統(tǒng)。這些設備都使用一個標準的接口從而使得文件系統(tǒng)能夠被靈活地在設備驅動程序上移植。

VxWorks 也支持 磁帶設備的本地文件系統(tǒng)。VxWorks I/O 體系結構甚至還支持在一個單獨的 VxWorks 系統(tǒng)上同時并存幾個不同的文件系統(tǒng)。

VxWorks 支持四種文件系統(tǒng)：

dosFs

rt11Fs

rawFs

tapeFs。

另一方面，普通數(shù)據(jù)文件，外部設備都統(tǒng)一作為文件處理。它們在用戶面前有相同的語法定義，使用相同的保護機制。這樣既簡化了系統(tǒng)設計又便于用戶使用。

5.I/O 系統(tǒng)

VxWorks 提供了一個快速靈活的與 C 兼容的 I/O 系統(tǒng)，包括

標準的緩沖 I/O

標準的異步 I/O

VxWorks 包括以下驅動程序：

網(wǎng)絡驅動

管道驅動

RAM盤驅動

驅動

鍵盤驅動

顯示驅動

磁盤驅動

并口驅動

四Tornado II系統(tǒng)開發(fā)工具

了解Vxworks操作系統(tǒng)的構成，對我們開發(fā)目標系統(tǒng)上的軟件和調試有重要意義，同時也能鏈接其內核的許多功能方便共享。在Tornado集成環(huán)境上的開發(fā)其基本點是動態(tài)鏈接與加載，即Tornado允許開發(fā)者增量地將目標模塊加載到目標系統(tǒng)上去，這種動態(tài)的鏈接和加載功能是Tornado系統(tǒng)的核心功能，可以使開發(fā)者省去通常的開發(fā)步驟：在主機上將應用程序與內核鏈接起來，然后將整個應用程序下載到目標系統(tǒng)上去。這樣，編輯-測試-調試的周期會大為縮短；而且，所有的模塊都是可以共享的，主機上的應用程序模塊也不需要重新鏈接，所以，加載目標模塊到運行中的VxWorks目標系統(tǒng)中以達到調試和重新配置的目的成為可能。關于如何調試VXWORKS目標系統(tǒng)本文不贅述。