VxWorks下的異步通用定時器設(shè)計

VxWorks下的異步通用定時器設(shè)計

1 概 述
??? VxWorks是WindRiver公司開發(fā)的高性能實時嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核。在應(yīng)用軟件開發(fā)過程中經(jīng)常會用到定時器。VxWorks下要實現(xiàn)定時功能有2個途徑：一，借助taskDelay函數(shù)實現(xiàn)；二，使用VxWorks提供的看門狗(watchdog)。使用taskDelay函數(shù)實現(xiàn)定時器的缺點在于它是基于任務(wù)的，任務(wù)優(yōu)先級會導(dǎo)致定時不準?？撮T狗基于系統(tǒng)時鐘中斷，定時精度大大優(yōu)于前者，但是對用戶的回調(diào)函數(shù)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(shù)，否則會引起死機)。另外，看門狗只觸發(fā)一次回調(diào)函數(shù)，如果用戶需要周期定時器就需要重新啟動看門狗。
??? 本文設(shè)計了基于看門狗機制的異步通用定時器，并根據(jù)實際需要設(shè)計了周期性定時和一次性定時兩種定時器。異步是指定時器運行于任務(wù)中，對用戶沒有任何限制。異步通用定時器提供類似于Windows下定時器的操作接口，簡單、方便。

2 VxWorks下的看門狗
??? VxWorks提供看門狗機制，允許將希望若干時間延遲后執(zhí)行的用戶函數(shù)連接到看門狗，在定時時間到達后由看門狗自動執(zhí)行?？撮T狗機制由操作系統(tǒng)維持在系統(tǒng)時鐘中斷，連接到看門狗的函數(shù)同樣運行在系統(tǒng)時鐘中斷服務(wù)程序中。如果操作系統(tǒng)由于種種原因(如在系統(tǒng)時鐘中斷前的中斷或者內(nèi)核狀態(tài))，將不能立即執(zhí)行的函數(shù)存放在tExcTask任務(wù)的隊列中，則隊列中的函數(shù)將以tExc-Task任務(wù)的優(yōu)先級運行(通常為0)。操作系統(tǒng)對中斷服務(wù)程序的各種限制同樣適用于連接到看門狗的用戶函數(shù)，如不能使用printf、semTake等。
??? 對看門狗的操作函數(shù)有4個：創(chuàng)建看門狗函數(shù)，WDOGID wdCreate(void)；啟動看門狗函數(shù)，STATUS wdStart(WDOG_ID wdId，int delay，F(xiàn)UNCPTR pRoutine，intparameter)；刪除看門狗函數(shù)，STATUS WdDelete(WDOG_ID wdld)；取消看門狗計時函數(shù)，STATUS wdCancel(WDOG_ID wdld)。
??? 看門狗的簡單使用如下：

???
??? 首先創(chuàng)建看門狗，然后在啟動看門狗時連接用戶函數(shù)并設(shè)置延遲時間。上面程序中的interval即為延遲時間，單位為系統(tǒng)時鐘的tick數(shù)。缺省情況下，系統(tǒng)時鐘每秒的tick數(shù)為60。當interval為1時，即延遲1／60 s后執(zhí)行usrFunc。系統(tǒng)時鐘的tick數(shù)可以通過sysClkRateSet函數(shù)設(shè)置。

3 異步通用定時器的設(shè)計
3．1 設(shè)計思想
??? 雖然看門狗提供的定時機制相對簡單易用，但還有許多局限性：①定時時間的單位為tick數(shù)，而不是通常使用的s或者ms。②用戶函數(shù)運行在系統(tǒng)時鐘中斷服務(wù)程序中，而不是運行在任務(wù)的上下文中。這給用戶函數(shù)帶來許多限制(比如用戶函數(shù)中不能使用內(nèi)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法實現(xiàn)。③看門狗的觸發(fā)是一次性的，而通常需要周期性的定時器。④相對于Windows下的定時器接口，看門狗接口不夠簡潔明了。異步通用定時器的設(shè)計基于看門狗，并在此基礎(chǔ)上做進一步的封裝，提供類似于Windows的使用方式。系統(tǒng)時鐘每秒的tick數(shù)可以通過sysClkRateSet函數(shù)設(shè)置，一般設(shè)置為1 000，即每個tick代表1 ms。這樣就可以提供分辨率為ms級的定時器，對大多數(shù)應(yīng)用而言可以滿足使用要求。每個定時器對應(yīng)一個看門狗，同時對應(yīng)一個任務(wù)，使得用戶函數(shù)運行在任務(wù)中，而不是在中斷中，這樣可以避免操作系統(tǒng)對中斷處理函數(shù)的種種限制。具體的做法是：在生成定時器時，啟動看門狗開始定時，同時創(chuàng)建一個任務(wù)等待一個計數(shù)信號量(該信號量初始為空，任務(wù)處于PEND狀態(tài))；當定時時間到達時看門狗釋放該信號，激活任務(wù)，在任務(wù)中調(diào)用用戶函數(shù)。這樣做的優(yōu)點在于，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)建了一個任務(wù)，但是在定時器沒有觸發(fā)時任務(wù)仍處于PEND狀態(tài)，對資源占用很小。

3．2 接口設(shè)計
??? 提供類似于Windows的接口函數(shù)，定時器的唯一索引是id號，操作定時器均通過id完成。分為2種類型定時器：周期性定時器和一次性定時器。周期性定時器可以周期性地觸發(fā)。一次性定時器則只觸發(fā)一次，類似于倒計時定時器，觸發(fā)后看門狗自動刪除，相應(yīng)的任務(wù)自動退出。在用戶對定時器模塊進行初始化后，用戶可以在程序的任何地方調(diào)用定時器提供的接口。

3．3 具體實現(xiàn)
3．3．1 對看門狗的封裝
??? 基于程序設(shè)計上的考慮，將定時器的管理控制和看門狗的具體操作分開，對看門狗進行封裝，CClkGenerator類封裝了看門狗的所有操作，包括看門狗的創(chuàng)建、刪除、取消和啟動，保存定時器id、類型、定時周期等。值得注意的是：看門狗的回調(diào)函數(shù)并不是用戶的回調(diào)函數(shù)，而是看門狗管理控制中提供的統(tǒng)一回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)中的參數(shù)為定時器的索引號。封裝代碼如下：

??? 從類定義可以看出，用戶并不能直接使用CClkGen-erator。也就是說，該類對用戶而言是不可見的，屏蔽了對看門狗的直接操作，只有定時器管理控制模塊才可以對其進行操作。
3．3．2 定時器管理與控制
??? 定時器管理與控制模塊負責(zé)模塊初始化、多個定時器相關(guān)參數(shù)的存儲管理、定時器任務(wù)的安全退出，以及用戶接口的實現(xiàn)。
??? 定時器的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：定時器控制結(jié)構(gòu)和存儲結(jié)構(gòu)。

使用C++標準模板庫中的map實現(xiàn)對定時器的存儲。第1個參數(shù)為定時器的索引號，第2個參數(shù)為定時器控制結(jié)構(gòu)。使用map可以方便地實現(xiàn)基于定時器索引號的存儲管理和索引號的查找。使用map的定時器存儲示意圖如圖1所示。

??? 用戶在調(diào)用SetTimer函數(shù)時，創(chuàng)建一個初始狀態(tài)為空的計數(shù)信號量timerArrv，同時生成一個任務(wù)timerTask等待該信號量，此時任務(wù)狀態(tài)為PEND；實例化一個CClk-Generator對象，創(chuàng)建看門狗啟動定時器。當定時器超時時，釋放timerArrv信號量，解除阻塞在timerArrv上的任務(wù)，回調(diào)用戶函數(shù)完成一個完整的定時過程。定時器的典型運行過程如圖2所示。

??? 圖2中最底下的虛線指向啟動看門狗后的中斷處理流程。中間部分表示定時器任務(wù)運行過程，可見用戶回調(diào)函數(shù)是運行在任務(wù)空間中。“回調(diào)函數(shù)釋放信號量”到定時器任務(wù)semTake”的虛線表示釋放信號量使任務(wù)解鎖。

4 定時器的應(yīng)用
??? 定時器管理控制模塊是用戶的唯一接口，使用Single-ton模式。只要調(diào)用CTimerCtrl：：GetTimerCtrl()就可以完成對異步通用定時器的初始化，除對定時器進行相關(guān)操作之外，還包括通過sysClkRateSet函數(shù)設(shè)置系統(tǒng)時鐘每秒的tick數(shù)為1000。下面的例子包含2個定時器：一個是1 sN期性定時器；另一個是周期為5 s的一次性定時器。

結(jié) 語
??? 從應(yīng)用實例中可以看出，異步通用定時器的使用方法和Windows下的定時器沒有太大區(qū)別，接口簡單清晰。異步通用定時器可以應(yīng)用于定時精度為ms的絕大部分應(yīng)用程序中，對于精度要求高于ms的定時使用硬件輔助時鐘中斷更為合適，但是要注意操作系統(tǒng)對中斷處理函數(shù)的限制。