VxWorks下基于看門狗的通用定時器設(shè)計(jì)

　　引言

　　VxWorks是目前應(yīng)用最多的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)之一，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療器械、通信、航空航天以及武器裝備等領(lǐng)域。VxWorks是32位實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)，自20世紀(jì)80年代由風(fēng)河公司推出以來，其良好的實(shí)時性、對多任務(wù)的支持、體積精簡、可剪裁等優(yōu)點(diǎn)得到眾多公司、開發(fā)者及用戶的喜愛。

　　在實(shí)時性要求高的應(yīng)用系統(tǒng)中，定時器是經(jīng)常被用到的重要器件。而對于VxWorks操作系統(tǒng)本身來說，并未提供一個通用、高效的定時器組件。文章所提出的共享看門狗定時機(jī)制就是針對這種情況實(shí)現(xiàn)的一種通用型定時器組件。

　　1 VxWorks定時的方法

　　1.1 使用taskDely函數(shù)

　　函數(shù)原型為：STATUS taskDelay（int ticks）該函數(shù)提供一種簡單的任務(wù)休眠機(jī)制，常用于需要不精確定時或延時的應(yīng)用中，其定時的單位為tick,默認(rèn)情況下60（ticks）為1s （利用sysClkRateSet函數(shù)可以修改系統(tǒng)默認(rèn)的時鐘速率）。在任務(wù)中調(diào)用taskDelay函數(shù)可以在指定的ticks期間空出CPU的使用權(quán)，同時改變該任務(wù)的狀態(tài)為DELAY.由于經(jīng)常受到任務(wù)調(diào)度的影響，該定時機(jī)制并不精確。

　　1.2 看門狗watchDog

　　VxWorks提供了一個看門狗定時器（watchDog timer），它由以下四個函數(shù)維護(hù)：

　　wdCreate（ ） 創(chuàng)建并初始化一個看門狗定時器；wdDelete（ ） 終止并刪除一個看門狗定時器；wdStart（ ） 啟動看門狗定時器；wdCancel（ ） 暫停當(dāng)前看門狗定時器運(yùn)行。

　　利用wdCreate函數(shù)，在任何任務(wù)中都可以創(chuàng)建一個看門狗定時器，經(jīng)過設(shè)置的時間段后，實(shí)現(xiàn)指定的C函數(shù)。

　　watchDog定時器作為系統(tǒng)時鐘中斷服務(wù)程序的一部分來維護(hù)。因此看門狗所定時執(zhí)行的程序工作在系統(tǒng)中斷級別具有很高的優(yōu)先級，該程序必須遵守一般ISR程序的規(guī)定，不能使用任何可能被阻塞的程序。文章所介紹的高效定時器就是在看門狗定時器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。

　　1.3 POSIX標(biāo)準(zhǔn)的timer

　　VxWorks同時也提供IEEE的POSIX 1003.1b標(biāo)準(zhǔn)定時器接口。POSIX標(biāo)準(zhǔn)保證了應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)之間接口的簡易性，利用這些接口編程，可以使得應(yīng)用程序很輕松地從一個操作系統(tǒng)移植到另外的操作系統(tǒng)。使用該定時機(jī)制，在指定時間段后，任務(wù)將向自身發(fā)送SIGNAL,該定時器是建立在時鐘和信號之上。POSIX標(biāo)準(zhǔn)的timer定時器常常用來編寫跨平臺、需要在多個操作系統(tǒng)下運(yùn)行、易移植的程序。

　　2 基于看門狗定的高效定時機(jī)制

　　2.1 共享看門狗高效定時器

　　在一些基于嵌入式實(shí)時系統(tǒng)的項(xiàng)目中，經(jīng)常使用定時器來實(shí)現(xiàn)某一時間段后執(zhí)行某一段程序或函數(shù)，而往往計(jì)時長度都存在差異，定時器的使用也往往來自不同任務(wù)，既要求實(shí)時性，又要保證資源竟?fàn)幍挠行蛐浴ｈb于這些特點(diǎn)，經(jīng)常采用的一個定時任務(wù)使用一個看門狗定時器的模式已不再適用，如果按照這種模式構(gòu)建定時器機(jī)制，在定時任務(wù)較多的情況下，由于看門狗定時器運(yùn)行在中斷級別，資源消耗就會變得很大，從而對系統(tǒng)的實(shí)時性產(chǎn)生影響。

　　共享看門狗定時器的定時機(jī)制可以解決這種資源嚴(yán)重浪費(fèi)的現(xiàn)象。共享看門狗定時機(jī)制，顧名思義，就是多個定時任務(wù)通過共享同一個看門狗定時器來實(shí)現(xiàn)定時操作，其優(yōu)點(diǎn)是資源消耗小、實(shí)時性好、無須產(chǎn)生額外的定時任務(wù)。

　　2.2 定時算法

　　共享看門狗高效定時器的基本原理是動態(tài)改變看門狗的定時任務(wù)。

　　如圖1所示，系統(tǒng)中存在A、B、C三個定時任務(wù)。首先A任務(wù)提交一個500ms的定時任務(wù)，200ms后B提交一個200ms的定時任務(wù)，再100ms后C提交一個150ms的定時任務(wù)。除此之外再無其他計(jì)時，A、B、C運(yùn)行情況如圖1所示。

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圖1 共享看門狗定時器計(jì)時機(jī)制

　　圖1 共享看門狗定時器計(jì)時機(jī)制（參見下頁）定時器A在時間軸50ms處向共享定時器發(fā)起定時申請，共享定時器在其維護(hù)的定時列表中加入A的時延與執(zhí)行程序的函數(shù)指針，并計(jì)算出定時器下一執(zhí)行時刻TA（系統(tǒng)運(yùn)行時間加上A的定時時延），此時由于還沒有其他定時器申請定時任務(wù)，該列表中只存在A的定時信息。當(dāng)時間軸到達(dá)250ms時，定時器B發(fā)起定時申請，由于定時器A的時延為500ms,B的時延為200ms,也就是說B將在時間軸450ms處執(zhí)行，比A提前了100ms（550ms減去450ms），此時定時列表將完成兩件事情，一是修改下一執(zhí)行時刻TB為系統(tǒng)運(yùn)行時間加上B的時延，二是針對執(zhí)行時刻TA、TB對列表進(jìn)行從小到大的順序排序。此時列表中B為表頭，A在B之后。同樣的道理當(dāng)時間軸到達(dá)350ms時，定時器C發(fā)起定時申請，定時任務(wù)C被加入到定時列表，計(jì)算得出TC為系統(tǒng)運(yùn)行時刻加上C的時延，然后依據(jù)TA、TB、TC重新進(jìn)行排序，此時列表順序?yàn)锽、C、A.當(dāng)時間軸執(zhí)行到450ms時，定時器B的ISR將被執(zhí)行，同時B定時任務(wù)將從定時列表中刪除；同理，500ms、550ms時C任務(wù)與A任務(wù)將分別從列表中刪除。

　　此時所有定時任務(wù)執(zhí)行結(jié)束，定時列表為空，共享看門狗定時器進(jìn)入休眠狀態(tài)。

　　2.3 定時器實(shí)現(xiàn)

　　2.3.1 定時器軟件結(jié)構(gòu)

　　共享定時器軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示：

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圖2 共享看門狗定時器計(jì)時機(jī)制

　　CWatchDogTimer類完成了對看門狗定時器的封裝，它由一些通用的函數(shù)來維護(hù)一個看門狗定時器。其中Create（）函數(shù)用來創(chuàng)建一個看門狗定時器；Delete（）用來刪除該定時器；Start（）用來啟動定時任務(wù)；Cancel（）用來暫停定時器工作，此時再使用Start（）函數(shù)可以恢復(fù)定時器的運(yùn)行。

　　TimerInfo數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由tExe與tInterval兩個屬性構(gòu)成，tExe記錄定時器的執(zhí)行時間，tInterval表示定時器的時間間隔。

　　TimerList用來維護(hù)多個TimerInfo結(jié)構(gòu)的變量，每個TimerInfo變量記錄一個定時器參數(shù)信息。

　　CEfficientTimer類完成對多個定時任務(wù)的管理，包括RegistTimer（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)注冊一個定時器；UnRegistTimer（）用來注銷一個定時器；ClearTimerList（）用來清空定時器列表中所有定時器任務(wù)；IsEmpty（）用來判斷定時器列表是否為空。