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1 概述 VxWorks是WindRiver公司開(kāi)發(fā)的高性能實(shí)時(shí)嵌入式操作系統內核。在應用軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中經(jīng)常會(huì )用到定時(shí)器。 VxWorks下要實(shí)現定時(shí)功能有2個(gè)途徑：一，借助taskDelay函數實(shí)現；二，使用VxWorks提供的看門(mén)狗(watchdog)。使用 taskDelay函數實(shí)現定時(shí)器的缺點(diǎn)在于它是基于任務(wù)的，任務(wù)優(yōu)先級會(huì )導致定時(shí)不準�？撮T(mén)狗基于系統時(shí)鐘中斷，定時(shí)精度大大優(yōu)于前者，但是對用戶(hù)的回調函數有諸多限制(如不允許使用semTake、printf等需要等待獲取某種資源的函數，否則會(huì )引起死機)。另外，看門(mén)狗只觸發(fā)一次回調函數，如果用戶(hù)需要周期定時(shí)器就需要重新啟動(dòng)看門(mén)狗。 本文設計了基于看門(mén)狗機制的異步通用定時(shí)器，并根據實(shí)際需要設計了周期性定時(shí)和一次性定時(shí)兩種定時(shí)器。異步是指定時(shí)器運行于任務(wù)中，對用戶(hù)沒(méi)有任何限制。異步通用定時(shí)器提供類(lèi)似于Windows下定時(shí)器的操作接口，簡(jiǎn)單、方便。 2 VxWOrks下的看門(mén)狗 VxWorks提供看門(mén)狗機制，允許將希望若干時(shí)間延遲后執行的用戶(hù)函數連接到看門(mén)狗，在定時(shí)時(shí)間到達后由看門(mén)狗自動(dòng)執行�？撮T(mén)狗機制由操作系統維持在系統時(shí)鐘中斷，連接到看門(mén)狗的函數同樣運行在系統時(shí)鐘中斷服務(wù)程序中。如果操作系統由于種種原因(如在系統時(shí)鐘中斷前的中斷或者內核狀態(tài))，將不能立即執行的函數存放在tExcTask任務(wù)的隊列中，則隊列中的函數將以tExcTask任務(wù)的優(yōu)先級運行(通常為 0)。操作系統對中斷服務(wù)程序的各種限制同樣適用于連接到看門(mén)狗的用戶(hù)函數，如不能使用printf、semTake等。 對看門(mén)狗的操作函數有4個(gè)：創(chuàng )建看門(mén)狗函數，WDOGID wdCreate(void)；啟動(dòng)看門(mén)狗函數，STATUS wdStart(WDOG_ID wdId，int delay，FUNCPTR pRoutine，intparameter)；刪除看門(mén)狗函數，STATUS wdDelete(WDOG_ID wdld)；取消看門(mén)狗計時(shí)函數，STATUS wdCancel(WDOG_ID wdld)。 看門(mén)狗的簡(jiǎn)單使用如下： 
首先創(chuàng )建看門(mén)狗，然后在啟動(dòng)看門(mén)狗時(shí)連接用戶(hù)函數并設置延遲時(shí)間。上面程序中的 interval即為延遲時(shí)間，單位為系統時(shí)鐘的tick數。缺省情況下，系統時(shí)鐘每秒的tick數為60。當interval為1時(shí)，即延遲1／60 s后執行usrFunc。系統時(shí)鐘的tick數可以通過(guò)sysClkRateSet函數設置。 3異步通用定時(shí)器的設計 3.1 設計思想 雖然看門(mén)狗提供的定時(shí)機制相對簡(jiǎn)單易用，但還有許多局限性：①定時(shí)時(shí)間的單位為tick數，而不是通常使用的s或者ms。②用戶(hù)函數運行在系統時(shí)鐘中斷服務(wù)程序中，而不是運行在任務(wù)的上下文中。這給用戶(hù)函數帶來(lái)許多限制(比如用戶(hù)函數中不能使用內存分配、獲取信號量、printf 打印輸出等)，在這些限制下某些功能可能就無(wú)法實(shí)現。③看門(mén)狗的觸發(fā)是一次性的，而通常需要周期性的定時(shí)器。④相對于Windows下的定時(shí)器接口，看門(mén)狗接口不夠簡(jiǎn)潔明了。 異步通用定時(shí)器的設計基于看門(mén)狗，并在此基礎上做進(jìn)一步的封裝，提供類(lèi)似于Windows的使用方式。系統時(shí)鐘每秒的tick數可以通過(guò)sysClkRateSet函數設置，一般設置為1 000，即每個(gè)tick代表1 ms。這樣就可以提供分辨率為ms級的定時(shí)器，對大多數應用而言可以滿(mǎn)足使用要求。每個(gè)定時(shí)器對應一個(gè)看門(mén)狗，同時(shí)對應一個(gè)任務(wù)，使得用戶(hù)函數運行在任務(wù)中，而不是在中斷中，這樣可以避免操作系統對中斷處理函數的種種限制。具體的做法是：在生成定時(shí)器時(shí)，啟動(dòng)看門(mén)狗開(kāi)始定時(shí)，同時(shí)創(chuàng )建一個(gè)任務(wù)等待一個(gè)計數信號量(該信號量初始為空，任務(wù)處于PEND狀態(tài))；當定時(shí)時(shí)間到達時(shí)看門(mén)狗釋放該信號，激活任務(wù)，在任務(wù)中調用用戶(hù)函數。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于，提高了效率，減輕了負載，減少了中斷中的運算(僅僅是釋放信號量)；盡管多創(chuàng )建了一個(gè)任務(wù)，但是在定時(shí)器沒(méi)有觸發(fā)時(shí)任務(wù)仍處于PEND狀態(tài)，對資源占用很小。 3.2 接口設計 提供類(lèi)似于Windows的接口函數，定時(shí)器的唯一索引是id號，操作定時(shí)器均通過(guò)id完成。分為2種類(lèi)型定時(shí)器：周期性定時(shí)器和一次性定時(shí)器。周期性定時(shí)器可以周期性地觸發(fā)。一次性定時(shí)器則只觸發(fā)一次，類(lèi)似于倒計時(shí)定時(shí)器，觸發(fā)后看門(mén)狗自動(dòng)刪除，相應的任務(wù)自動(dòng)退出。在用戶(hù)對定時(shí)器模塊進(jìn)行初始化后，用戶(hù)可以在程序的任何地方調用定時(shí)器提供的接口。
3.3具體實(shí)現 3.3.1對看門(mén)狗的封裝 基于程序設計上的考慮，將定時(shí)器的管理控制和看門(mén)狗的具體操作分開(kāi)，對看門(mén)狗進(jìn)行封裝，CClkGenerator類(lèi)封裝了看門(mén)狗的所有操作，包括看門(mén)狗的創(chuàng )建、刪除、取消和啟動(dòng)，保存定時(shí)器id、類(lèi)型、定時(shí)周期等。值得注意的是：看門(mén)狗的回調函數并不是用戶(hù)的回調函數，而是看門(mén)狗管理控制中提供的統一回調函數，回調函數中的參數為定時(shí)器的索引號。封裝代碼如下：
從類(lèi)定義可以看出，用戶(hù)并不能直接使用CClkGen-erator。也就是說(shuō)，該類(lèi)對用戶(hù)而言是不可見(jiàn)的，屏蔽了對看門(mén)狗的直接操作，只有定時(shí)器管理控制模塊才可以對其進(jìn)行操作。 3.3.2定時(shí)器管理與控制 定時(shí)器管理與控制模塊負責模塊初始化、多個(gè)定時(shí)器相關(guān)參數的存儲管理、定時(shí)器任務(wù)的安全退出，以及用戶(hù)接口的實(shí)現。 定時(shí)器的主要數據結構：定時(shí)器控制結構和存儲結構。
使用C++標準模板庫中的map實(shí)現對定時(shí)器的存儲。第1個(gè)參數為定時(shí)器的索引號，第2個(gè)參數為定時(shí)器控制結構。使用map可以方便地實(shí)現基于定時(shí)器索引號的存儲管理和索引號的查找。使用map的定時(shí)器存儲示意圖如圖1所示。
用戶(hù)在調用SetTimer函數時(shí)，創(chuàng )建一個(gè)初始狀態(tài)為空的計數信號量 timerArrv，同時(shí)生成一個(gè)任務(wù)timerTask等待該信號量，此時(shí)任務(wù)狀態(tài)為PEND；實(shí)例化一個(gè)CClk-Generatot對象，創(chuàng )建看門(mén)狗啟動(dòng)定時(shí)器。當定時(shí)器超時(shí)時(shí)，釋放timerArrv信號量，解除阻塞在timerArrv上的任務(wù)，回調用戶(hù)函數完成一個(gè)完整的定時(shí)過(guò)程。定時(shí)器的典型運行過(guò)程如圖2所示。
圖2中最底下的虛線(xiàn)指向啟動(dòng)看門(mén)狗后的中斷處理流程。中間部分表示定時(shí)器任務(wù)運行過(guò)程，可見(jiàn)甩戶(hù)回調函數是運行在任務(wù)空間中�！盎卣{函數釋放信號量”到定時(shí)器任務(wù)semTake"的虛線(xiàn)表示釋放信號量使任務(wù)解鎖。 4定時(shí)器的應用 定時(shí)器管理控制模塊是用戶(hù)的唯一接口，使用Singleton模式。只要調用CTimerCtrl：：GetTimerCtrl()就可以完成對異步通用定時(shí)器的初始化，除對定時(shí)器進(jìn)行相關(guān)操作之外，還包括通過(guò)sysClkRateSet函數設置系統時(shí)鐘每秒的tick數為1 000。下面的例子包含2個(gè)定時(shí)器：一個(gè)是1 s周期性定時(shí)器；另一個(gè)是周期為5 s的一次性定時(shí)器。
結語(yǔ) 從應用實(shí)例中可以看出，異步通用定時(shí)器的使用方法和 Windows下的定時(shí)器沒(méi)有太大區別，接口簡(jiǎn)單清晰。異步通用定時(shí)器可以應用于定時(shí)精度為ms的絕大部分應用程序中，對于精度要求高于ms的定時(shí)使用硬件輔助時(shí)鐘中斷更為合適，但是要注意操作系統對中斷處理函數的限制。 參考文獻 1. WindRiver System Inc.Tornado Training Workshop,1999. 2. WindRiver System Inc.VxWorks Programer's Guide,1999. 3. WindRiver System Inc.VxWorks API Reference,2009. 4. 吳紹根.μC/OS-II軟件定時(shí)器管理算法分析及改進(jìn)[J].微計算機信息,2009(11):96-98. 作者：駐航天二院二十三所軍事代表室 蘇玉強 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統應用》 2009（11） |
