1、嵌入式培训专家 应用最广泛的嵌入式实时操作系统 VxWorks介绍 华清远见 日程 v VxWorks操作系统介绍 v为实时性需求而设计的操作系统 多任务和任务间通信 中断处理 内存管理 IO系统 v走进 VxWorks BSP 开发 v VxWorks最新技术 像 Windows中一样使用进程和动态连接库（ VxWorks RTP） 对多核的支持（ VxWorks SMP） v课程培训目标VxWorks操作系统介绍 嵌入式培训专家华清远见 VxWorks的应用 v网络设备 v工业自动化 v汽车 v航空航天 v国防工业 v消费电子华清远见 VxWorks的特点 v实时性 v稳定性 v可裁减性
2、v友好的开发调试环境 v广泛的运行环境支持华清远见 实时性 v 硬实时 有一个刚性的、不可改变的时间限制 它不允许任何超出时限的错误 v 软实时 时限是一个柔性灵活的，可以容忍偶然的超时错误 只能提供统计意义上的实时 v 非实时 对时间没有什么特定的要求 非实时 软实时 硬实时 计 算 机 仿 真 用 户 界 面 网 络 视 频 Cruise 控 制 电 信 飞 行 控 制 电 子 引 擎华清远见 对开发人员的要求华清远见 WorkBench 开发环境 Shell Browser Debugger Windview Project Editor Target Server WDB Agent
3、VxSim Simulator WTX WTX WTX WTX HOST DEVELOPMENT SYSTEM WDB Agent Application VxWorks WDB TARGET SYSTEM为实时性需求而设计的操作系统 嵌入式培训专家华清远见 进程和线程华清远见 多任务内核 v进行任务管理 任务是竞争系统资源的最小运行单元。任务可以使用 或等待 CPU、 I/O设 备及 内存 空 间等系统资源， 并独立 于其 它任务， 与 它 们 一 起并发 运行（ 宏观 上 如此 ）。 VxWorks内核使任务能 快速共享 系统的 绝大部分 资 源， 同 时有 独立 的上 下文来控 制个 别
4、线 程的 执 行 ； vVxWorks实时内核 Wind提供了基本的多任 务环境，系统内核根据某一调度策略让它 们交替运行。 v系统调度器 使用 任务 控制块 的 数 据 结构 （简记 为 TCB)来 管理任务调度 功能 。华清远见 基于优先级的抢占式调度华清远见 任务间通信手段 v任务 间通信手段 共享数据结构 、 共享 内存 ； 信 号量； 消息队列； 管 道； 信 号 事件与 Task网络 通信华清远见 VxWorks 中断处理 v硬 件中断处 理 是 实时系统设计的最 重要、 最 关键 的 问题 。 v为了 获得尽 可 能快 的 中断响应 时 间 ， VxWorks的 中断处 理程 序
5、 运行 在特 定的 上下文中 (在所有 任 务 上下文之外 )。 因此 ， 中断处 理 不会涉及 任 何 任务 上下文 的交 换 。 v ISR拥有专用堆栈 ， 在 系统 初始 化时 分配 ， 大小 由 INT_STACK_SIZE决 定。 v通过 内核工作 队列 (Kernel Work Queue)，最 大 程 度 较小中断处 理 延 时。华清远见 中断和任务的优先级 v中断抢占 最 高优先级 的任务华清远见 intLock and taskLock v谨慎使用 v taskLock增加任务的抢占延时 v intLock增加中断延时 v intLock在锁中断的同时会锁任务切换 v尽量避免
6、使用 intLock lockLevel = intLock(); for(i=0;i10000000;i+) gDataCount+; taskDelay(10); intUnlock(lockLevel);华清远见 VxWorks的内存空间布局华清远见 内存分配管理 v memPartLib 和 memLib v malloc（）和 free(); v其他 的内 存分配相关函数： void * calloc (nElems, size) Allocate zeroed memoryfor an array.； void * realloc (ptr, newSize) Resize an
7、allocated block. The block may be moved； int memFindMax( ) Returns the size of the largest free block in system memory；华清远见 虚拟内存管理 v采用页表 的 方式 管理内 存（ vmBaseLib） v主要功能包括： 启 动时设 置 内核 模式 内存 空 间的上 下文 映射物 理 地址到虚拟地址 设 置 内存的 Cache属 性 设 置 内存的 保护属 性 内存 映射 的 Enable/Disable TLB的 Lock/Unlock 页大 小的 优化 v RTP的支持 进程
8、内存 空 间上 下文 的管理华清远见 VxWorks IO系统 v专门 为实时系统设计， 简单、 灵活 、高 效 v提供了 对 标 准 C库 中 basic和 buffered I/O的支 持 v VxWorks IO系统 在 把 控制 传递给 设备 驱 动 之 前 ， 只做 最 简单 的基本 处 理，基本 上 只 是 把 用 户 IO请 求 路 由 到正确 的设备 驱 动程 序 入口 。 v驱 动实 现 相 当灵活 ， 甚至 可 以完全绕 开 IO系 统 v驱 动程 序 可 以被 动 态 的 安装 和 卸载 v驱 动程 序 执 行 在 执 行 该 IO操作的任务的 上下 文中 ，可 以被 抢
9、占 。华清远见 VxWorks I/O 系统走进 VxWorks BSP 开发 嵌入式培训专家华清远见 BSP概念 v屏蔽 硬 件单 板差异 ， 给 VxWorks提供 访 问 硬 件 的 接口 。 v BSP是 一系 列文件（函数） 的 集合 ， 有 些 用来在 操作系统内核 启 动 前执 行硬 件初始 化 ,有 些被 操作系统调 用 v和 Bootrom概念 的 区别 Bootrom相当于 PC的 BIOS, Linux下 的 Bootloader. 从生 存 周期 上 看 ， Bootrom完成引导后 不 再 存 在 ， BSP 则 一 直生 存。 在 VxWorks下 ， Bootro
10、m是 BSP的一个 应 用华清远见 BSP和 VxWorks华清远见 BSP功能 v上 电 或复位后 的 初始 化 CPU初始化 内存 控 制 器初始化 ，等等 v一 般 硬 件 的 初始 化 和配 置 串口 、 网口 、 硬盘 等等 通 过调 用 Device driver的接 口函数完成 ， 也需 要 BSP执 行 参数 配 置 v BSP特 定硬 件 的支持 中断 控 制 器 时 钟 和定时 器 v提供操作系统的 配 置参 数 内存 参数 总 线 配 置 （ PCI/VME）华清远见 三种 VxWorks映像 vLoadable 通 过 Bootrom进行 引导 . vROM-based
11、 等 于 Bootrom和 VxWorks的 组合 . 分 为压缩 和 非压缩两种 vROM-Resident 相 比 ROM-based，只是 把 数据 段 load进 RAM 中 .华清远见 VxWorks_romCompress启动过程华清远见 BSP开发流程 v建立 开发环境， 得 到参考 BSP。 v准 备内核 启 动 之 前 的 初始 化 代码 。 v启 动 VxWorks内核，提供系统时 钟 和 中断 向量 的 安装 。 v启 用 WDB， 使用 WorkBench进行调试。 v完成具体 的硬 件 支持。VxWorks最新技术 像像 Windows Windows中一样使用进程和
12、动态连接库中一样使用进程和动态连接库 （ VxWorks RTP VxWorks RTP） 嵌入式培训专家华清远见 什么是 RTP？ v Real Time Process v与 其他 操作系统进程 很 相 像 ，为实时 嵌入 式 系统 专门优 化 v用 户模 式 执 行 v每个 进程 有 自 己独立 的 地址 空 间 v应用 程 序和 操作系统 独立编译 v每个 进程的 命名 空 间相 对独立华清远见 RTP模型下的内存映射华清远见 RTP地址模型 v非 重 叠地址模型 。 所有 RTP和 Kernel共享 一 个 4G的 逻辑地址 空 间 。 每个 RTP占用其中 的 一 段 或几 段 。
13、 v每个 RTP有 自 己 的 上下文 。 Kernel空 间 加入 到每个 RTP的 上下文中 ， 降低 系统调 用 的开 销 。 v不 同 上下文之间 的 访 问 保护 通过 保护属 性 完 成 。 v RTP映 像 是 浮 动 映 像 。 RTP的 地址 再 加载 时 由 虚 存 管理器 确 定。 v不 支持 页 面 交 换 。华清远见 RTP的实质 v RTPs是用 户态 的 应用 程 序 类似 DOS/Windows .exe &Unix executable 和 Kernel的 开 发独立 v RTPs实 际 上是 一 个 “资源容 器 ” 程 序 （ 代码 &数据 ） 堆栈 堆
14、属于 这 个 RTP的任务 由 RTP创建 的 各种软 件 对 象 由 RTP管理的 各种 资源 v RTP特 性 内存 保护 （ MMU使能） 代码 /数据 /堆栈保护 内核 隔离 通过系统调用 /TRAP使用 内核功能 不需要静态链接 本身 不 被 调 度 RTP中的任务被全局调度 当 所 有的任务 终止 时，资源 被 回收 独立于 MMU的 具体 实 现 Task RTP 2 Code Heap Task Task RTP 2 Task RTP 1 Code Heap Task Task RTP 1 Task VxWorks Kernel Modules Heap BSP Task Ta
15、sk Driver Driver华清远见 RTP映像和 RTP的执行 v RTP映 像 是一个 全 连接的 浮 动 映 像， 当 使用动态 链 接库时是 部分 连接的 WorkBench提供 了 构 建 RTP映 像的 Project模 版 构 建 RTP映 像 与构 建 Kernel映 像 基本 相同 ，只是 无需指定内存地址 连接的是 VxWorks用户库 RTP映 像 需 要 作为 一个 VxWorks可 执 行 文件 （ .vxe）存 放 在文件 系统 中 没有文件系统时，也可以通过 ROMFS将 .vxe文件绑定到 VxWorks映像中 v RTP可 以 通过 API调 用 ， Sh
16、ell命 令 启 动 执 行 VxWorks6在 用 户 空 间和 Kernel空 间提供 了 相同 的 API和 编 程 模式 用户空间的 API是系统服务的 Stub。 Stub通过 TRAP进入 Kernel， 在 Kernel执行真正的系统服务 系统 调 用 无 需 上 下文 切换 （ Kernel与 用 户 空 间 在 一个上 下文 中） 每 个 Task有 两 个 堆栈 用 户栈 和核 心栈 用 户 可以 方便 地 增加 系统 服 务华清远见 共享库与内核模块 v内核 模 块 （ Downloadable Kernel Modules） 可以 在 运行时动态 加载 、 卸载 可以和
17、 Kernel一 起 静 态 链 接，或 者 存 放 于文件 系统中 内核 空 间 执 行 通 过 系统 符 号 表 实 现 动态 加载 ， 主 要 目 的是 便 于 内核 模式 的 开 发与调 试 v共享库 （ Shared Library） 相当于 Windows中的 DLL 可以 在 运行时动态 加载 、 卸载 用 户 模式执 行 主 要 目 的是实 现 在 进程 之 间 共享 代码 ， 应 用程 序无 需 包含 共享 库 代码 ，可以 减 小程 序尺寸 。 实 现 上有 细微 的不 同华清远见 Kernel mode Vs. RTP vSize 对 RTP和 MMU的支持 会 导 致
18、系统 尺寸较 大 vSpeed 过 多的系统 调 用 会降低效率 vKernel-only features watchdog timers, ISRs, and VxMP vHardware access RTP不能 直 接 访问 硬件VxWorks最新技术 对多核的支持（对多核的支持（ VxWorks SMP VxWorks SMP） 嵌入式培训专家华清远见 多处理技术的几个概念 v UP（ Uniprocessor） v AMP（ Asymmetric Multiprocessing） 分 为 同 质 和 异质两种 每 个核 都 有 自己专 用的 主 内存，不 同 核 之 间可通 过共享
19、 内存通信 每 个 CPU内核运行一个 独立 的 操作 系统或 同 一 操作 系统的 独立 实 例 （ instantiation） 相 互 连接进行通信和 同 步 工 作 在 设计时进行 分 割 ， 并分 配 给 不 同 的处理 器 移植 到 不 同 的 硬件 平台 比较 困难华清远见 SMP（ Symmetric Multiprocessing） v每 一 个 核 都 可 以 公平 地访 问 系统设备， 如 内 存 。 每个 设备 对 不 同 的核 具 有相 同 的 物 理 地址 ， 每个 核 到 设 备的 “距离 ”是相 同 的 v因 为任务可 能会 被 调 度 到 不 同 的 CPU上
20、 ， 当 任务 切 换 CPU时， 它 所 需 要 的内 存 可 能 不在 新 CPU的 缓 存 中 ， 导致 任务 切 换 CPU时的 较大 开 销 v中断 可 以 通过 可 编 程 中断控制 器 路 由 到 任 何 一 个 核 上 Core 0 Core 1 PIC Device Cache Cache Memory Interrupts Snooping High Bandwidth Bus华清远见 Amdahl s Law华清远见 VxWorks SMP v 一 个 单 独 的 组 件 ，需 要 另 外 购买 v 硬 件 的 抽象 使 编 程 更 加 容易 v 所有 的核作为 资源 由
21、 操作系统 控制 v 任务 中断 可 以被 绑 定 到 特 定的核 （ Affinity） v 操作系统可 以 实 现 不 同 核 之间 的 负 载 均衡 v 保 持 和 UP VxWorks的最 大 兼容 ， 便于 代码 重用 v 支持 主 流 的多核 平台 v 提供 完 整 的多核开发 、 调试环境 （ WorkBench）华清远见 VxWorks SMP的特性 v VxWorks SMP 的调度器 基 于优 先级 的任务 抢占 （ 与 UP兼 容） 同 时有多个任务 在执 行 v与 VxWorks UP保 持 API兼容 v新的 高 效 同步机 制 Spin-locks Atomic o
22、perators Reader-writer semaphores v任务 与 CPU的 绑 定 绑 定一个任务 到 特定的核 提 高 性能， 方便 移植华清远见 SMP导致并发性华清远见 SMP 带来 的开发 上 的 挑战 v在 任 意 时 间 ， 存在 多 个 任务 同 时 执 行 v多 线 程 之间 的 通信和 同步更 加复 杂 v如 何 移植 传 统的 UP应用 程 序 到 SMP上 ， 以 充 分 利 用 多核 资源 v多核的调试 更 加 困难 v开发 人员必须 以 不 同 的 方式 思 考华清远见 VxWorks SMP API的 变化 v下 面 的 API在 SMP中不存在 in
23、tLock/intUnlock taskLock/taskUnlock taskRtpLock/taskRtpUnlock v新的 同步机 制 -spin-locks Task-only 用 于 多任务间的 同 步 ISR-callable 用 于 任务和中断间的 同 步 v Atomic Operators vxAtomicAdd vxAtomicAnd vxAtomicDec vxAtomicInc vxAtomicGet vxAtomicSet v任务 和 CPU的 绑 定 taskCpuAffinitySet and taskCpuAffinityGet v Reader/Writer Semaphores semRTake, semWTake华清远见 VxWorks 培训 的 目标 v系统 地 讲解 VxWorks的开发 流 程 v补 全 工程 师 所 缺 的 相关 知识 v让工程 师 具 有 独立把 握整 个 系统的 能 力华清远见 Questions!
