VxWorks下的異步通用定時(shí)器設(shè)計(jì)

1 概 述
??? VxWorks是WindRiver公司開發(fā)的高性能實(shí)時(shí)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(huì)用到定時(shí)器。VxWorks下要實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能有2個(gè)途徑：一，借助taskDelay函數(shù)實(shí)現(xiàn)；二，使用VxWorks提供的看門狗(watchdog)。使用taskDelay函數(shù)實(shí)現(xiàn)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(jí)會(huì)導(dǎo)致定時(shí)不準(zhǔn)。看門狗基于系統(tǒng)時(shí)鐘中斷，定時(shí)精度大大優(yōu)于前者，但是對(duì)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(huì)引起死機(jī))。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(shí)器就需要重新啟動(dòng)看門狗。
??? 本文設(shè)計(jì)了基于看門狗機(jī)制的異步通用定時(shí)器，并根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)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(yùn)行于任務(wù)中，對(duì)用戶沒有任何限制。異步通用定時(shí)器提供類似于Windows下定時(shí)器的操作接口，簡(jiǎn)單、方便。

2 VxWorks下的看門狗
??? VxWorks提供看門狗機(jī)制，允許將希望若干時(shí)間延遲后執(zhí)行的用戶函數(shù)連接到看門狗，在定時(shí)時(shí)間到達(dá)后由看門狗自動(dòng)執(zhí)行。看門狗機(jī)制由操作系統(tǒng)維持在系統(tǒng)時(shí)鐘中斷，連接到看門狗的函數(shù)同樣運(yùn)行在系統(tǒng)時(shí)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(shí)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(duì)列中，則隊(duì)列中的函數(shù)將以tExc-Task任務(wù)的優(yōu)先級(jí)運(yùn)行(通常為0)。操作系統(tǒng)對(duì)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(duì)看門狗的操作函數(shù)有4個(gè)：創(chuàng)建看門狗函數(shù)，WDOGID wdCreate(void)；啟動(dòng)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(jì)時(shí)函數(shù)，STATUS wdCancel(WDOG_ID wdld)。
??? 看門狗的簡(jiǎn)單使用如下：

???
??? 首先創(chuàng)建看門狗，然后在啟動(dòng)看門狗時(shí)連接用戶函數(shù)并設(shè)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(tǒng)時(shí)鐘的tick數(shù)。缺省情況下，系統(tǒng)時(shí)鐘每秒的tick數(shù)為60。當(dāng)interval為1時(shí)，即延遲1／60 s后執(zhí)行usrFunc。系統(tǒng)時(shí)鐘的tick數(shù)可以通過sysClkRateSet函數(shù)設(shè)置。

3 異步通用定時(shí)器的設(shè)計(jì)
3．1 設(shè)計(jì)思想
??? 雖然看門狗提供的定時(shí)機(jī)制相對(duì)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(shù)，而不是通常使用的s或者ms。②用戶函數(shù)運(yùn)行在系統(tǒng)時(shí)鐘中斷服務(wù)程序中，而不是運(yùn)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(hào)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(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(shí)器。④相對(duì)于Windows下的定時(shí)器接口，看門狗接口不夠簡(jiǎn)潔明了。異步通用定時(shí)器的設(shè)計(jì)基于看門狗，并在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的封裝，提供類似于Windows的使用方式。系統(tǒng)時(shí)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(gè)tick代表1 ms。這樣就可以提供分辨率為ms級(jí)的定時(shí)器，對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言可以滿足使用要求。每個(gè)定時(shí)器對(duì)應(yīng)一個(gè)看門狗，同時(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)任務(wù)，使得用戶函數(shù)運(yùn)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(duì)中斷處理函數(shù)的種種限制。具體的做法是：在生成定時(shí)器時(shí)，啟動(dòng)看門狗開始定時(shí)，同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)等待一個(gè)計(jì)數(shù)信號(hào)量(該信號(hào)量初始為空，任務(wù)處于PEND狀態(tài))；當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)看門狗釋放該信號(hào)，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(diǎn)在于，提高了效率，減輕了負(fù)載，減少了中斷中的運(yùn)算(僅僅是釋放信號(hào)量)；盡管多創(chuàng)建了一個(gè)任務(wù)，但是在定時(shí)器沒有觸發(fā)時(shí)任務(wù)仍處于PEND狀態(tài)，對(duì)資源占用很小。

3．2 接口設(shè)計(jì)
??? 提供類似于Windows的接口函數(shù)，定時(shí)器的唯一索引是id號(hào)，操作定時(shí)器均通過id完成。分為2種類型定時(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，類似于倒計(jì)時(shí)定時(shí)器，觸發(fā)后看門狗自動(dòng)刪除，相應(yīng)的任務(wù)自動(dòng)退出。在用戶對(duì)定時(shí)器模塊進(jìn)行初始化后，用戶可以在程序的任何地方調(diào)用定時(shí)器提供的接口。

3．3 具體實(shí)現(xiàn)
3．3．1 對(duì)看門狗的封裝
??? 基于程序設(shè)計(jì)上的考慮，將定時(shí)器的管理控制和看門狗的具體操作分開，對(duì)看門狗進(jìn)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(dòng)，保存定時(shí)器id、類型、定時(shí)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(shí)器的索引號(hào)。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(duì)用戶而言是不可見的，屏蔽了對(duì)看門狗的直接操作，只有定時(shí)器管理控制模塊才可以對(duì)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(fù)責(zé)模塊初始化、多個(gè)定時(shí)器相關(guān)參數(shù)的存儲(chǔ)管理、定時(shí)器任務(wù)的安全退出，以及用戶接口的實(shí)現(xiàn)。
??? 定時(shí)器的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：定時(shí)器控制結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

使用C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)中的map實(shí)現(xiàn)對(duì)定時(shí)器的存儲(chǔ)。第1個(gè)參數(shù)為定時(shí)器的索引號(hào)，第2個(gè)參數(shù)為定時(shí)器控制結(jié)構(gòu)。使用map可以方便地實(shí)現(xiàn)基于定時(shí)器索引號(hào)的存儲(chǔ)管理和索引號(hào)的查找。使用map的定時(shí)器存儲(chǔ)示意圖如圖1所示。

??? 用戶在調(diào)用SetTimer函數(shù)時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)初始狀態(tài)為空的計(jì)數(shù)信號(hào)量timerArrv，同時(shí)生成一個(gè)任務(wù)timerTask等待該信號(hào)量，此時(shí)任務(wù)狀態(tài)為PEND；實(shí)例化一個(gè)CClk-Generator對(duì)象，創(chuàng)建看門狗啟動(dòng)定時(shí)器。當(dāng)定時(shí)器超時(shí)時(shí)，釋放timerArrv信號(hào)量，解除阻塞在timerArrv上的任務(wù)，回調(diào)用戶函數(shù)完成一個(gè)完整的定時(shí)過程。定時(shí)器的典型運(yùn)行過程如圖2所示。

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

4 定時(shí)器的應(yīng)用
??? 定時(shí)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(duì)異步通用定時(shí)器的初始化，除對(duì)定時(shí)器進(jìn)行相關(guān)操作之外，還包括通過sysClkRateSet函數(shù)設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘每秒的tick數(shù)為1000。下面的例子包含2個(gè)定時(shí)器：一個(gè)是1 sN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(jié) 語(yǔ)
??? 從應(yīng)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)器沒有太大區(qū)別，接口簡(jiǎn)單清晰。異步通用定時(shí)器可以應(yīng)用于定時(shí)精度為ms的絕大部分應(yīng)用程序中，對(duì)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(tǒng)對(duì)中斷處理函數(shù)的限制。