VXWORKS內(nèi)核分析

　1． 實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
　　在計算的早期開發(fā)的操作系統(tǒng)的最原始的結(jié)構(gòu)形式是一個統(tǒng)一的實體（monolithic）。在這樣的系統(tǒng)中，提供的不同功能的模塊，如處理器管理、內(nèi)存管理、輸入輸出等，通常是獨立的。然而他們在執(zhí)行過程中并不考慮其他正在使用中的模塊，各個模塊都以相同的時間粒度運行。
　　由于現(xiàn)代實時環(huán)境需要許多不同的功能，以及在這樣的環(huán)境中存在的并發(fā)活動所引起的異步性和非確定性，操作系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。所以早期操作系統(tǒng)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的組織已經(jīng)被更加精確的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所淘汰。層次結(jié)構(gòu)的起點----內(nèi)核
　　操作系統(tǒng)的最好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型是一個層次性的結(jié)構(gòu)，最低層是內(nèi)核。這些層次可以看成為一個倒置的金字塔，每一層都建立在較低層的功能之上。 內(nèi)核僅包含一個操作系統(tǒng)執(zhí)行的最重要的低層功能。正象一個統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)，內(nèi)核提供了在高層軟件與下層硬件之間的抽象層。然而，內(nèi)核僅提供了構(gòu)造操作系統(tǒng)其他部分所需的最小操作集。
　　對一個實時內(nèi)核的要求
　　一個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核需滿足許多特定的實時環(huán)境所提出的基本要求，這些包括： 多任務(wù)：由于真實世界的事件的異步性，能夠運行許多并發(fā)進(jìn)程或任務(wù)是很重要的。多任務(wù)提供了一個較好的對真實世界的匹配，因為它允許對應(yīng)于許多外部事件的多線程執(zhí)行。系統(tǒng)內(nèi)核分配CPU給這些任務(wù)來獲得并發(fā)性。
　　搶占調(diào)度：真實世界的事件具有繼承的優(yōu)先級，在分配CPU的時候要注意到這些優(yōu)先級?；趦?yōu)先級的搶占調(diào)度，任務(wù)都被指定了優(yōu)先級， 在能夠執(zhí)行的任務(wù)（沒有被掛起或正在等待資源）中，優(yōu)先級最高的任務(wù)被分配CPU資源。換句話說，當(dāng)一個高優(yōu)先級的任務(wù)變?yōu)榭蓤?zhí)行態(tài)，它會立即搶占當(dāng)前正在運行的較低優(yōu)先級的任務(wù)。
　　快速靈活的任務(wù)間的通信與同步：在一個實時系統(tǒng)中，可能有許多任務(wù)作為一個應(yīng)用的一部分執(zhí)行。系統(tǒng)必須提供這些任務(wù)間的快速且功能強(qiáng)大的通信機(jī)制。內(nèi)核也要提供為了有效地共享不可搶占的資源或臨界區(qū)所需的同步機(jī)制。
　　方便的任務(wù)與中斷之間的通信：盡管真實世界的事件通常作為中斷方式到來，但為了提供有效的排隊、優(yōu)先化和減少中斷延時，我們通常希望在任務(wù)級處理相應(yīng)的工作。所以需要雜任務(wù)級和中斷級之間存在通信。
　　性能邊界：一個實時內(nèi)核必須提供最壞情況的性能優(yōu)化，而非針對吞吐量的性能優(yōu)化。我們更期望一個系統(tǒng)能夠始終以50微妙執(zhí)行一個函數(shù)，而不期望系統(tǒng)平均以10微妙執(zhí)行該函數(shù)，但偶爾會以75微妙執(zhí)行它。
　　特殊考慮：由于對實時內(nèi)核的要求的增加，必須考慮對內(nèi)核支持不斷增加的復(fù)雜功能的要求。這包括多進(jìn)程處理，Ada和對更新的、功能更強(qiáng)的處理器結(jié)構(gòu)如RISC的支持。
　　擁有其它名字的內(nèi)核
　　許多商用化的內(nèi)核支持的功能遠(yuǎn)強(qiáng)于上面所列的要求。在這方面，他們不是真正的內(nèi)核，而更象一個小的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)。因為他們包含簡單的內(nèi)存分配、時鐘管理、甚至一些輸入輸出系統(tǒng)調(diào)用的功能。
　　這種分類不僅僅是在語義上的爭論，在這篇文章的后面章節(jié)將說明限制內(nèi)核功能和油畫這些功能的重要性。
　　2． VxWorks內(nèi)核：Wind
　　VxWorks操作系統(tǒng)是一種功能最全的現(xiàn)在可以獲得的獨立于處理器的實時系統(tǒng)。然而，VxWorks是帶有一個相當(dāng)小的真正微內(nèi)核的層次結(jié)構(gòu)。內(nèi)核僅提供多任務(wù)環(huán)境、進(jìn)程間通信和同步功能。這些功能模塊足夠支持VxWorks在較高層次所提供的豐富的性能的要求。 通常內(nèi)核操作對于用戶是不可見的。應(yīng)用程序為了實現(xiàn)需要內(nèi)核參與的任務(wù)管理和同步使用一些系統(tǒng)調(diào)用，但這些調(diào)用的處理對于調(diào)用任務(wù)是不可見的。應(yīng)用程序僅鏈接恰當(dāng)?shù)腣xWorks例程（通常使用VxWorks的動態(tài)鏈接功能），就象調(diào)用子程序一樣發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用。這種接口不象有些系統(tǒng)需要一個笨拙的跳轉(zhuǎn)表接口，用戶需要通過一個整數(shù)來指定一個內(nèi)核功能調(diào)用。
　　多任務(wù)
　　內(nèi)核的基本功能是提供一個多任務(wù)環(huán)境。多任務(wù)使得許多程序在表面上表現(xiàn)為并發(fā)執(zhí)行，而事實上內(nèi)核是根據(jù)基本的調(diào)度算法使他們分段執(zhí)行。每個明顯獨立的程序被成為一個任務(wù)。每個任務(wù)擁有自己的上下文，其中包含在內(nèi)核調(diào)度使該任務(wù)執(zhí)行的時候它所看到的CPU環(huán)境和系統(tǒng)資源。
　　任務(wù)狀態(tài)
　　內(nèi)核維護(hù)系統(tǒng)中的每個任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)。狀態(tài)遷移發(fā)生在應(yīng)用程序調(diào)用內(nèi)核功能服務(wù)的時候。下面定義了wind內(nèi)核狀態(tài)：
　　就緒態(tài)----一個任務(wù)當(dāng)前除了CPU不等待任何資源
　　阻塞態(tài)----一個任務(wù)由于某些資源不可獲得而被阻塞
　　延遲態(tài)----一個任務(wù)睡眠一段時間
　　掛起態(tài)----主要用于調(diào)試的一個輔助狀態(tài)，掛起禁止任務(wù)的執(zhí)行
　　任務(wù)被創(chuàng)建以后進(jìn)入掛起態(tài)，需要通過特定的操作使被創(chuàng)建的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，這一操作執(zhí)行速度很快，使應(yīng)用程序能夠提前創(chuàng)建任務(wù)，并以一種快捷的方式激活該任務(wù)。
　　調(diào)度控制
　　多任務(wù)需要一個調(diào)度算法分配CPU給就緒的任務(wù)。在VxWorks中默認(rèn)的調(diào)度算法是基于優(yōu)先級的搶占調(diào)度，但應(yīng)用程序也可以選擇使用時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。
　　基于優(yōu)先級搶占調(diào)度：基于優(yōu)先級的搶占調(diào)度，每個任務(wù)被指定一個優(yōu)先級，內(nèi)核分配CPU給處于就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)。調(diào)度采用搶占的方式，是因為當(dāng)一個優(yōu)先級高于當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)變?yōu)榫途w態(tài)時，內(nèi)核將立即保存當(dāng)前任務(wù)的上文，并切換到高優(yōu)先級任務(wù)的上文。VxWorks有從0到255共256個優(yōu)先級。在創(chuàng)建的時候任務(wù)被指定一個優(yōu)先級，在任務(wù)運行的過程中可以動態(tài)地修改優(yōu)先級以便跟蹤真實世界的事件優(yōu)先級。外部中斷被指定優(yōu)先于任何任務(wù)的優(yōu)先級，這樣能夠在任何時候搶占一個任務(wù)。
　　時間片輪轉(zhuǎn)：基于優(yōu)先級搶占調(diào)度可以擴(kuò)充時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度允許在相同優(yōu)先級的處于就緒態(tài)的任務(wù)公平地共享CPU。沒有時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，當(dāng)有多個任務(wù)在同一優(yōu)先級共享處理器時，一個任務(wù)可能獨占CPU，不會被阻塞直到被一個更高優(yōu)先級的任務(wù)搶占，而不給同一優(yōu)先級的其他任務(wù)運行的機(jī)會。如果時間片輪轉(zhuǎn)被使能，執(zhí)行任務(wù)的時間計數(shù)器在每個時鐘滴答遞增。當(dāng)指定的時間片耗盡，計數(shù)器會被清零，該任務(wù)被放在同一優(yōu)先級任務(wù)隊列的隊尾。加入特定優(yōu)先級組的新任務(wù)被放在該組任務(wù)的隊尾，并將運行計數(shù)器初始化為零。
　　基本的任務(wù)函數(shù)
　　用于狀態(tài)控制的基本任務(wù)函數(shù)包括一個任務(wù)的創(chuàng)建、刪除、掛起和喚醒。一個任務(wù)也可以使自己睡眠一個特定的時間間隔不去運行。許多其他任務(wù)例程提供由任務(wù)上下文獲得的狀態(tài)信息。這些例程包括訪問一個任務(wù)當(dāng)前處理器寄存器控制。
　　任務(wù)刪除問題
　　wind內(nèi)核提供防止任務(wù)被意外刪除的機(jī)制。通常，一個執(zhí)行在臨界區(qū)或訪問臨界資源的任務(wù)要被特別保護(hù)。我們設(shè)想下面的情況：一個任務(wù)獲得一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的互斥訪問權(quán)，當(dāng)它正在臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行時被另一個任務(wù)刪除。由于任務(wù)無法完成對臨界區(qū)的操作，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可能還處于被破壞或不一致的狀態(tài)。而且，假想任務(wù)沒有機(jī)會釋放該資源，那麼現(xiàn)在其他任何任務(wù)現(xiàn)在就不能獲得該資源，資源被凍結(jié)了。
　　任何要刪除或終止一個設(shè)定了刪除保護(hù)的任務(wù)的任務(wù)將被阻塞。當(dāng)被保護(hù)的任務(wù)完成臨界區(qū)操作以后，它將取消刪除保護(hù)以使自己可以被刪除，從而解阻塞刪除任務(wù)。
　　正如上面所展示的，任務(wù)刪除保護(hù)通常伴有互斥操作。
　　這樣，為了方便性和效率，互斥信號量包含了刪除保護(hù)選項。（參見“互斥信號量”）
　　任務(wù)間通信
　　為了提供完整的多任務(wù)系統(tǒng)的功能，wind內(nèi)核提供了一套豐富的任務(wù)間通信與同步的機(jī)制。這些通信功能使一個應(yīng)用中各個獨立的任務(wù)協(xié)調(diào)他們的活動。
　　共享地址空間
　　wind內(nèi)核的任務(wù)間通信機(jī)制的基礎(chǔ)是所有任務(wù)所在的共享地址空間。通過共享地址空間，任務(wù)能夠使用共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針自由地通信。管道不需要映射一塊內(nèi)存區(qū)到兩個互相通信任務(wù)的尋址空間。
　　不幸的是，共享地址空間具有上述優(yōu)點的同時，帶來了未被保護(hù)內(nèi)存的重入訪問的危險。UNIX操作系統(tǒng)通過隔離進(jìn)程提供這樣的保護(hù)，但同時帶來了對于實時操作系統(tǒng)來說巨大的性能損失。
　　互斥操作
　　當(dāng)一個共享地址空間簡化了數(shù)據(jù)交換，通過互斥訪問避免資源競爭就變?yōu)楸匾牧?。用來獲得一個資源的互斥訪問的許多機(jī)制僅在這些互斥所作用的范圍上存在差別。實現(xiàn)互斥的方法包括禁止中斷、禁止任務(wù)搶占和通過信號量進(jìn)行資源鎖定。
　　中斷禁止：最強(qiáng)的互斥方法是屏蔽中斷。這樣的鎖定保證了對CPU的互斥訪問。這種方法當(dāng)然能夠解決互斥的問題，但它對于實時是不恰當(dāng)?shù)?，因為它在鎖定期間阻止系統(tǒng)響應(yīng)外部事件。長的中斷延時對于要求有確定的響應(yīng)時間的應(yīng)用來說是不可接受的。
　　搶占禁止：禁止搶占提供了強(qiáng)制性較弱的互斥方式。 當(dāng)前任務(wù)運行的過程中不允許其他任務(wù)搶占，而中斷服務(wù)程序可以執(zhí)行。這也可能引起較差的實時響應(yīng)，就象被禁止中斷一樣，被阻塞的任務(wù)會有相當(dāng)長時間的搶占延時，就緒態(tài)的高優(yōu)先級的任務(wù)可能會在能夠執(zhí)行前被強(qiáng)制等待一段不可接受的時間。為避免這種情況，在可能的情況下盡量使用信號量實現(xiàn)互斥。
　　互斥信號量：信號量是用于鎖定共享資源訪問的基本方式。不象禁止中斷或搶占，信號量限制了互斥操作僅作用于相關(guān)的資源。一個信號量被創(chuàng)建來保護(hù)資源。VxWorks的信號量遵循Dijkstra的P（）和V（）操作模式。
　　當(dāng)一個任務(wù)請求信號量，P（）， 根據(jù)在發(fā)出調(diào)用時信號量的置位或清零的狀態(tài)， 會發(fā)生兩種情況。如果信號量處于置位態(tài)， 信號量會被清零，并且任務(wù)立即繼續(xù)執(zhí)行。如果信號量處于清零態(tài)，任務(wù)會被阻塞來等待信號量。
　　當(dāng)一個任務(wù)釋放信號量，V（），會發(fā)生幾種情況。如果信號量已經(jīng)處于置位態(tài)，釋放信號量不會產(chǎn)生任何影響。如果信號量處于清零態(tài)且沒有任務(wù)等待該信號量，信號量只是被簡單地置位。如果信號量處于清零態(tài)且有一個或多個任務(wù)等待該信號量，最高優(yōu)先級的任務(wù)被解阻塞，信號量仍為清零態(tài)。
　　通過將一些資源與信號量關(guān)聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)互斥操作。當(dāng)一個任務(wù)要操作資源，它必須首先獲得信號量。只要任務(wù)擁有信號量，所有其他的任務(wù)由于請求該信號量而被阻塞。當(dāng)一個任務(wù)使用完該資源，它釋放信號量，允許等待該信號量的另一個任務(wù)訪問該資源。
　　Wind內(nèi)核提供了二值信號量來解決互斥操作所引起的問題。 這些問題包括資源擁有者的刪除保護(hù)，由資源競爭引起的優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)。
　　刪除保護(hù)----互斥引起的一個問題會涉及到任務(wù)刪除。在由信號量保護(hù)的臨界區(qū)中，需要防止執(zhí)行任務(wù)被意外地刪除。刪除一個在臨界區(qū)執(zhí)行的任務(wù)是災(zāi)難性的。資源會被破壞，保護(hù)資源的信號量會變?yōu)椴豢色@得，從而該資源不可被訪問。通常刪除保護(hù)是與互斥操作共同提供的。由于這個原因，互斥信號量通常提供選項來隱含地提供前面提到的任務(wù)刪除保護(hù)的機(jī)制。
　　優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)/優(yōu)先級繼承----優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)發(fā)生在一個高優(yōu)先級的任務(wù)被強(qiáng)制等待一段不確定的時間以便一個較低優(yōu)先級的任務(wù)完成執(zhí)行。考慮下面的假設(shè)：
　　T1，T2和T3分別是高、中、低優(yōu)先級的任務(wù)。T3通過擁有信號量而獲得相關(guān)的資源。當(dāng)T1搶占T3，為競爭使用該資源而請求相同的信號量的時候，它被阻塞。如果我們假設(shè)T1僅被阻塞到T3使用完該資源為止，情況并不是很糟。畢竟資源是不可被搶占的。然而，低優(yōu)先級的任務(wù)并不能避免被中優(yōu)先級的任務(wù)搶占，一個搶占的任務(wù)如T2將阻止T3完成對資源的操作。這種情況可能會持續(xù)阻塞T1等待一段不可確定的時間。這種情況成為優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)，因為盡管系統(tǒng)是基于優(yōu)先級的調(diào)度，但卻使一個高優(yōu)先級的任務(wù)等待一個低優(yōu)先級的任務(wù)完成執(zhí)行。
　　互斥信號量有一個選項允許實現(xiàn)優(yōu)先級繼承的算法。優(yōu)先級繼承通過在T1被阻塞期間提升T3的優(yōu)先級到T1解決了優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)引起的問題。這防止了T3，間接地防止T1，被T2搶占。通俗地說，優(yōu)先級繼承協(xié)議使一個擁有資源的任務(wù)以等待該資源的任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)的優(yōu)先級執(zhí)行。當(dāng)執(zhí)行完成，任務(wù)釋放該資源并返回到它正常的或標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)先級。因此，繼承優(yōu)先級的任務(wù)避免了被任何中間優(yōu)先級的任務(wù)搶占。
　　同步
　　信號量另一種通常的用法是用于任務(wù)間的同步機(jī)制。在這種情況下，信號量代表一個任務(wù)所等待的條件或事件。最初，信號量是在清零態(tài)。一個任務(wù)或中斷通過置位該信號量來指示一個事件的發(fā)生。等待該信號量的任務(wù)將被阻塞直到事件發(fā)生、該信號量被置位。一旦被解阻塞，任務(wù)就執(zhí)行恰當(dāng)?shù)氖录幚沓绦?。信號量在任?wù)同步中的應(yīng)用對于將中斷服務(wù)程序從冗長的事件處理中解放出來以縮短中斷響應(yīng)時間是很有用的。
　　消息隊列
　　消息隊列提供了在任務(wù)與中斷服務(wù)程序或其他任務(wù)間交換變長消息的一種較低層的機(jī)制。這種機(jī)制在功能上類似于管道，但有較少的開銷。
　　管道、套接字、遠(yuǎn)程過程調(diào)用和更多
　　許多高層的VxWorks機(jī)制提供任務(wù)間通信的更高層的抽象，包括管道、TCP/IP套接字、遠(yuǎn)程過程調(diào)用和更多。為了保持裁減內(nèi)核為僅包含足夠支持高層功能的一個最小函數(shù)集的設(shè)計目標(biāo)，這些特性都是基于上面描述的內(nèi)核同步方式的。
　　3． 內(nèi)核設(shè)計的優(yōu)點
　　wind內(nèi)核的一個重要的設(shè)計特性是最小的搶占延時。其他的主要設(shè)計的優(yōu)點包括史無前例的可配置性，對不可預(yù)見的應(yīng)用需求的可擴(kuò)展性，在各種微處理器應(yīng)用開發(fā)中的移植性。
　　最小的搶占延時
　　正如前面所討論的，禁止搶占是獲得代碼臨界資源互斥操作的通常手段。這種技巧的不期望的負(fù)面影響是高的搶占延時，這可以通過盡量使用信號量實現(xiàn)互斥和保持臨界區(qū)盡量緊湊被減小。但即使廣泛地使用信號量也不能解決所有的可能導(dǎo)致?lián)屨佳訒r的根源。內(nèi)核本身就是一個導(dǎo)致?lián)屨佳訒r的根源。為了理解其原因，我們必須更好地理解內(nèi)核所需的互斥操作。
　　內(nèi)核級和任務(wù)級
　　在任何多任務(wù)系統(tǒng)中，大量的應(yīng)用是發(fā)生在一個或多個任務(wù)的上下文。然而，有些CPU時間片不在任何任務(wù)的上下文。這些時間片發(fā)生在內(nèi)核改變內(nèi)部隊列或決定任務(wù)調(diào)度。在這些時間片中，CPU在內(nèi)核級執(zhí)行，而非任務(wù)級。
　　為了內(nèi)核安全地操作它的內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，必須有互斥操作。內(nèi)核級沒有相關(guān)的任務(wù)上下文，內(nèi)核不能使用信號量保護(hù)內(nèi)部鏈表。內(nèi)核使用工作延期作為實現(xiàn)互斥的方式。當(dāng)有內(nèi)核參與時，中斷服務(wù)程序調(diào)用的函數(shù)不是被直接激活，而是被放在內(nèi)核的工作隊列中。內(nèi)核完成這些請求的執(zhí)行而清空內(nèi)核工作隊列。
　　當(dāng)內(nèi)核正在執(zhí)行已經(jīng)被請求服務(wù)時系統(tǒng)將不響應(yīng)到達(dá)內(nèi)核的函數(shù)調(diào)用。可以簡單地認(rèn)為內(nèi)核狀態(tài)類似于禁止搶占。如前面所討論的，搶占延時在實時系統(tǒng)中是不期望有的，因為它增加了對于會引起應(yīng)用任務(wù)重新調(diào)度的事件的響應(yīng)時間。
　　管操作系統(tǒng)在內(nèi)核級（此時禁止搶占）完全避免消耗時間是不可能的，但減少這些時間是很重要的。這是減少由內(nèi)核執(zhí)行的函數(shù)的數(shù)量的主要原因， 也是不采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計方式的原因。例如，有一種流行的實時操作系統(tǒng)的每個函數(shù)都是在內(nèi)核級執(zhí)行。這意味著當(dāng)一個低優(yōu)先級的任務(wù)在執(zhí)行分配內(nèi)存、獲得任務(wù)信息的函數(shù)時所有高優(yōu)先級的任務(wù)被禁止搶占。
　　一個最小的內(nèi)核
　　已經(jīng)說明了一個最小內(nèi)核的優(yōu)點和構(gòu)造高層操作系統(tǒng)功能的必要功能，我們使用這些操作原語來執(zhí)行一個傳統(tǒng)的內(nèi)核級功能，而在VxWorks中作為任務(wù)級功能執(zhí)行，內(nèi)存管理。 在這個例子中，考慮用戶可調(diào)用的子例程malloc， 用于分配所請求大小的內(nèi)存區(qū)并返回一個指向該內(nèi)存區(qū)的指針。假定空閑內(nèi)存區(qū)是通過搜索一個空閑內(nèi)存塊的隊列找到的，一個信號量必須被用來保護(hù)這個非搶占多用戶資源。分配內(nèi)存的操作如下：
　　獲得互斥信號量
　　搜索空閑內(nèi)存塊鏈表
　　釋放互斥信號量