VxWorks下的異步通用定時器設計

1 概 述
??? VxWorks是WindRiver公司開發的高性能實時嵌入式操作系統內核。在應用軟件開發過程中經常會用到定時器。VxWorks下要實現定時功能有2個途徑：一，借助taskDelay函數實現；二，使用VxWorks提供的看門狗(watchdog)。使用taskDelay函數實現定時器的缺點在于它是基于任務的，任務優先級會導致定時不準。看門狗基于系統時鐘中斷，定時精度大大優于前者，但是對用戶的回調函數有諸多限制(如不允許使用semTake、printf等需要等待獲取某種資源的函數，否則會引起死機)。另外，看門狗只觸發一次回調函數，如果用戶需要周期定時器就需要重新啟動看門狗。
??? 本文設計了基于看門狗機制的異步通用定時器，并根據實際需要設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行的用戶函數連接到看門狗，在定時時間到達后由看門狗自動執行。看門狗機制由操作系統維持在系統時鐘中斷，連接到看門狗的函數同樣運行在系統時鐘中斷服務程序中。如果操作系統由于種種原因(如在系統時鐘中斷前的中斷或者內核狀態)，將不能立即執行的函數存放在tExcTask任務的隊列中，則隊列中的函數將以tExc-Task任務的優先級運行(通常為0)。操作系統對中斷服務程序的各種限制同樣適用于連接到看門狗的用戶函數，如不能使用printf、semTake等。
??? 對看門狗的操作函數有4個：創建看門狗函數，WDOGID wdCreate(void)；啟動看門狗函數，STATUS wdStart(WDOG_ID wdId，int delay，FUNCPTR pRoutine，intparameter)；刪除看門狗函數，STATUS WdDelete(WDOG_ID wdld)；取消看門狗計時函數，STATUS wdCancel(WDOG_ID wdld)。
??? 看門狗的簡單使用如下：

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??? 首先創建看門狗，然后在啟動看門狗時連接用戶函數并設置延遲時間。上面程序中的interval即為延遲時間，單位為系統時鐘的tick數。缺省情況下，系統時鐘每秒的tick數為60。當interval為1時，即延遲1／60 s后執行usrFunc。系統時鐘的tick數可以通過sysClkRateSet函數設置。

3 異步通用定時器的設計
3．1 設計思想
??? 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，而不是通常使用的s或者ms。②用戶函數運行在系統時鐘中斷服務程序中，而不是運行在任務的上下文中。這給用戶函數帶來許多限制(比如用戶函數中不能使用內存分配、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。③看門狗的觸發是一次性的，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計基于看門狗，并在此基礎上做進一步的封裝，提供類似于Windows的使用方式。系統時鐘每秒的tick數可以通過sysClkRateSet函數設置，一般設置為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，對大多數應用而言可以滿足使用要求。每個定時器對應一個看門狗，同時對應一個任務，使得用戶函數運行在任務中，而不是在中斷中，這樣可以避免操作系統對中斷處理函數的種種限制。具體的做法是：在生成定時器時，啟動看門狗開始定時，同時創建一個任務等待一個計數信號量(該信號量初始為空，任務處于PEND狀態)；當定時時間到達時看門狗釋放該信號，激活任務，在任務中調用用戶函數。這樣做的優點在于，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)；盡管多創建了一個任務，但是在定時器沒有觸發時任務仍處于PEND狀態，對資源占用很小。

3．2 接口設計
??? 提供類似于Windows的接口函數，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。一次性定時器則只觸發一次，類似于倒計時定時器，觸發后看門狗自動刪除，相應的任務自動退出。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用定時器提供的接口。

3．3 具體實現
3．3．1 對看門狗的封裝
??? 基于程序設計上的考慮，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：看門狗的回調函數并不是用戶的回調函數，而是看門狗管理控制中提供的統一回調函數，回調函數中的參數為定時器的索引號。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模塊初始化、多個定時器相關參數的存儲管理、定時器任務的安全退出，以及用戶接口的實現。
??? 定時器的主要數據結構：定時器控制結構和存儲結構。

使用C++標準模板庫中的map實現對定時器的存儲。第1個參數為定時器的索引號，第2個參數為定時器控制結構。使用map可以方便地實現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。

??? 用戶在調用SetTimer函數時，創建一個初始狀態為空的計數信號量timerArrv，同時生成一個任務timerTask等待該信號量，此時任務狀態為PEND；實例化一個CClk-Generator對象，創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，回調用戶函數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運行過程，可見用戶回調函數是運行在任務空間中。“回調函數釋放信號量”到定時器任務semTake”的虛線表示釋放信號量使任務解鎖。

4 定時器的應用
??? 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操作之外，還包括通過sysClkRateSet函數設置系統時鐘每秒的tick數為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 語
??? 從應用實例中可以看出，異步通用定時器的使用方法和Windows下的定時器沒有太大區別，接口簡單清晰。異步通用定時器可以應用于定時精度為ms的絕大部分應用程序中，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對中斷處理函數的限制。