-- 作者：wangxinxin
-- 發(fā)布時間：2010-11-17 10:44:12
-- 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。基于優(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)間的快速且功能強大的通信機制。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。這包括多進程處理，Ada和對更新的、功能更強的處理器結(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)核支持的功能遠強于上面所列的要求。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)建以后進入掛起態(tài)，需要通過特定的操作使被創(chuàng)建的任務(wù)進入就緒態(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。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)定了刪除保護的任務(wù)的任務(wù)將被阻塞。當(dāng)被保護的任
務(wù)完成臨界區(qū)操作以后，它將取消刪除保護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，帶來了未被保護內(nèi)存的重入訪
問的危險。UNIX操作系統(tǒng)通過隔離進程提供這樣的保護，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?br/>。用來獲得一個資源的互斥訪問的許多機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行資源鎖定。
中斷禁止：最強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)模驗樗阪i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，由資源競爭引起的優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)。
刪除保護----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)刪除保護的機制。
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)氖录幚沓绦颉Ｐ盘柫吭谌蝿?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
機制。這種機制在功能上類似于管道，但有較少的開銷。
管道、套接字、遠程過程調(diào)用和更多
許多高層的VxWorks機制提供任務(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
值得注意的是搜索一個足夠大的空閑內(nèi)存塊的可能的冗長的時間是發(fā)生在調(diào)用任務(wù)
的上下文中。這是可以被高優(yōu)先級的任務(wù)搶占的（除了信號量調(diào)用的這段執(zhí)行時間）。
在一個標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的實時內(nèi)核中，內(nèi)存分配例程操作如下：
進入內(nèi)核
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