1.1嵌入式操作系統及其開(kāi)發(fā)環(huán)境的應用背景
1.1.1 應用挑戰
應用范圍方面：
在嵌入式系統應用中，由于使用16位以下的CPU的資源量較少，任務(wù)比較簡(jiǎn)單，程序員可以
在應用程序中自己管理CPU資源，不一定需要一個(gè)專(zhuān)用的系統軟件，管理CPU。當嵌入式系
統比較復雜而采用32位CPU時(shí)情況就不同了，32位CPU的資源量非常大，尋址可以達到4GB空
間，處理能力也非常強大，可以實(shí)現實(shí)時(shí)多任務(wù)并發(fā)處理，因此如果仍然沿用手工編制CP
U管理程序，面對復雜的應用，就很難發(fā)揮出32位CPU的處理能力，開(kāi)發(fā)出高效可靠的應用
系統。
管理CPU的系統軟件是每一個(gè)系統所必需的，不同的CPU平臺，差異很大。如果都要應用系
統的開(kāi)發(fā)者自己完成，那么每次都要重復開(kāi)發(fā)，造成不必要的資源浪費，延長(cháng)了開(kāi)發(fā)周期
，增加了開(kāi)發(fā)成本。而且CPU管理是整個(gè)系統的基礎，任何缺陷都可能引起嚴重的問(wèn)題，這
樣，就使開(kāi)發(fā)者耗費大量的精力放在與應用無(wú)關(guān)的系統管理上。
1.1.2 VxWorks 簡(jiǎn)介
VxWorks是專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)嵌入式系統設計開(kāi)發(fā)的操作系統內核，為程序員提供了高效的實(shí)時(shí)多
任務(wù)調度、中斷管理，實(shí)時(shí)的系統資源以及實(shí)時(shí)的任務(wù)間通信。在各種CPU平臺上提供了統
一的編程接口和一致的運行特性，盡可能的屏蔽了不同CPU 之間的底層差異。應用程序員
可以將盡可能多的精力放在應用程序本身，而不必再去關(guān)心系統資源的管理?；赩xWork
s操作系統的應用程序可以在不同CPU平臺上輕松移植。
VxWorks 是美國 Wind River System 公司（ 以下簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)河公司 ，即 WRS 公司）推出的
一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統。WRS 公司組建于1981年，是一個(gè)專(zhuān)門(mén)從事實(shí)時(shí)操作系統開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)的
軟件公司，該公司在實(shí)時(shí)操作系統領(lǐng)域被世界公認為是最具有領(lǐng)導作用的公司。
VxWorks 是一個(gè)運行在目標機上的高性能、可裁減的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。它以其良好的
可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要
求極高的領(lǐng)域中，如衛星通訊、軍事演習、彈道制導、飛機導航等。在美國的 F-16、FA-
18 戰斗機、B-2 隱形轟炸機和愛(ài)國者導彈上，1997年4月在火星表面登陸的火星探路者上
也使用了VxWorks。
VxWorks是一種功能強大而且比較復雜的操作系統，包括了進(jìn)程管理、存儲管理、設備管理
、文件系統管理、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議及系統應用等幾個(gè)部分。VxWorks只占用了很小的存儲空間，并
可高度裁減，保證了系統能以較高的效率運行。所以，僅僅依靠人工編程調試，很難發(fā)揮
它的功能并設計出可靠、高效的嵌入式系統，必須要有與之相適應的開(kāi)發(fā)工具。TornadoI
I就是為開(kāi)發(fā)VxWorks應用系統提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，TornadoII中包含的工程管理軟件，可
以將用戶(hù)自己的代碼與VxWorks的核心有效的組合起來(lái)，可以按用戶(hù)的需要裁剪配置VxWor
ks內核；vxSim原型仿真器可以讓程序員不用目標機的情況下，直接開(kāi)發(fā)系統原型，作出系
統評估；功能強大的CrossWind調試器可以提供任務(wù)級和系統級的調試模式，可以進(jìn)行多目
標機的聯(lián)調；優(yōu)化分析工具可以幫助程序員從多種方式真正地觀(guān)察、跟蹤系統的運行，排
除錯誤，優(yōu)化性能。
1.2 TornadoII 嵌入式開(kāi)發(fā)系統概述
1.2.1 TornadoII 嵌入式開(kāi)發(fā)系統簡(jiǎn)介
TornadoII開(kāi)發(fā)環(huán)境是嵌入式實(shí)時(shí)領(lǐng)域里最新一代的開(kāi)發(fā)調試環(huán)境，是實(shí)現嵌入式實(shí)時(shí)應用
程序的完整的軟件開(kāi)發(fā)平臺，是交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境運行在主機上的部分，是開(kāi)發(fā)和調試VxWork
s系統不可缺少的組成部分。TornadoII給嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)不受目標機資源
限制的超級開(kāi)發(fā)和調試環(huán)境。
TornadoII 開(kāi)發(fā)系統包含三個(gè)高度集成的部分：
運行在宿主機和目標機上的強有力的交叉開(kāi)發(fā)工具和實(shí)用程序；
運行在目標機上的高性能、可裁剪的實(shí)時(shí)操作系統VxWorks；
連接宿主機和目標機的多種通訊方式，如：以太網(wǎng)，串口線(xiàn)，ICE或ROM仿真器等
。
Torando II嵌入式集成開(kāi)發(fā)系統結構圖
1.2.2 VxWorks主要的應用領(lǐng)域
消費電子
掌上電腦
機頂盒
可視電話(huà)
汽車(chē)導航系統
航空航天
飛行模擬器
航班管理系統
衛星跟蹤系統
航空電子設備
數字圖象設備
打印機、傳真機
數字復印機
數字相機
數據通訊網(wǎng)絡(luò )
交換機
路由器
遠程訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器
ATM及幀中繼交換機
電信設備
PBXs，ACDs
CD交換系統
移動(dòng)通訊基站
蜂窩式電話(huà)
Cable Modem
交通運輸
汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制
交通信號控制
高速列車(chē)控制
工業(yè)控制
機器人
測試與測量設備
過(guò)程控制系統
計算機外設
網(wǎng)絡(luò )計算機
X終端
RAID存儲系統
I/O控制設備
1.2.3 TornadoII支持的主機
Sun-4: Sun OS 4.1.x; Solaris 2.4/2.5; Solaris 2.5.1/2.6; Solaris 2.7;
HP 9000/700: HP-UX 9.0.7; HP-UX 10.10; HP-X 10.20;
PC: Win95; Win98; WinNT
1.2.4 VxWorks支持的目標機CPU
Motorola 68k:
68000; 68010; 68020; 68030; 68040; 68060; CPU32;
Motorola ColdFire:
MCF51xx; MCF52xx; MF53xx
Motorola/IBM Power PC:
PPC4xx; PPC6xx; PPC7xx; MPC5xx; MPC8xx; MPC82x;
Motorola M-CORE
Intel: i386; i486; Pentium; Pentium-Pro;
Intel Strong ARM: SA-110; SA-1100; SA-1110;
ARM: ARM7; ARM7T; ARM8，ARM9;
i960:KA/KB/CA/JX/RP; RP/RD;
NEC:V85x; V83x;
NEC/LSI MIPS:
R3K; R4K; Vr41xx; R4700; CW400x; CW4011; R5K;
HITACHI SH: SH-1; SH-2; SH-3; SH-4; SH-DSP; SH3-DSP;
SUN SPARC: UltraSPARC; SPARC
今天就先第一章吧，大家有興趣的話(huà)有空再繼續貼
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標 題: 第2章 VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統
發(fā)信站: 飲水思源 (2004年06月26日02:52:13 星期六)
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第2章 VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統
2.1 VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統概述
2.1.1 VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統背景簡(jiǎn)介
我們知道，用戶(hù)在開(kāi)發(fā)具有日益復雜的32位嵌入式處理器的產(chǎn)品時(shí)，需要一個(gè)用來(lái)連接產(chǎn)
品應用程序和底層硬件的操作系統。用戶(hù)所尋求的操作系統應該具有的最重要的特點(diǎn)包括
：
可靠性高的實(shí)時(shí)性能
可下載到最終產(chǎn)品的板上內存的豐富和靈活的功能模塊集
與綜合全面的主機開(kāi)發(fā)環(huán)境的可協(xié)同工作。
VxWorks操作系統是美國WindRiver公司于1983年設計開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統（RT
OS），是TornadoII嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續發(fā)展能力、高性能的內核
以及友好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統領(lǐng)域逐漸占據一席之地。首先，它十分
靈活，具有多達1800個(gè)功能強大的應用程序接口（API）；其次，它適用方面廣，可以適用
于從最簡(jiǎn)單到最復雜的產(chǎn)品設計；再次，它可靠性高，可以用于從防抱死剎車(chē)系統到星際
探索的關(guān)鍵任務(wù)；最后，適用性強，可以用于所有的流行的CPU平臺。
2.2.2 VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的簡(jiǎn)介
VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統包括微內核wind、高級的網(wǎng)絡(luò )支持、強有力的文件系統和I/O
管理、C++和其他標準支持等核心功能。這些核心功能還可以與WindRiver公司的其他產(chǎn)品
以及320個(gè)WindRiver公司的合作伙伴的產(chǎn)品聯(lián)合使用。
1. 高性能的微內核設計
處于VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統核心的是高性能的微內核wind。這個(gè)微內核支持所有的實(shí)
時(shí)特征：快速任務(wù)切換、中斷支持、搶占式和時(shí)間片輪轉調度等。微內核設計減少了系統
開(kāi)銷(xiāo)，從而保證了對外部事件的快速、確定的反應。
運行環(huán)境也提供了有效的任務(wù)間通信機制，允許獨立的任務(wù)在實(shí)時(shí)系統中與其行動(dòng)相協(xié)調
。開(kāi)發(fā)者在開(kāi)發(fā)應用程序時(shí)可以使用多種方法：用于簡(jiǎn)單數據共享的共享內存、用于單CP
U的多任務(wù)間信息交換的消息隊列和管道、套接口、用于網(wǎng)絡(luò )通信的遠程過(guò)程調用、用于處
理異常事件的信號等。為了控制關(guān)鍵的系統資源，提供了三種信號燈：二進(jìn)制、計數、有
優(yōu)先級繼承特性的互斥信號燈。
2. 可裁剪的運行軟件
VxWorks之所以設計為具有可裁剪性，是為了使開(kāi)發(fā)者能夠根據自己的應用程序需要，而不
是根據操作系統的需要，來(lái)分配稀少的內存資源。從需要幾個(gè)KB字節內存的深層嵌入式設
計到需要更多的操作系統的功能的復雜的高端的實(shí)時(shí)系統，開(kāi)發(fā)者也許需要從100多個(gè)不同
的選項中進(jìn)行選擇以產(chǎn)生上百種的配置方式。許多獨立的模塊都是在開(kāi)發(fā)時(shí)要使用而在產(chǎn)
品中卻不再使用。
而且，這些子系統本身也是可裁剪的，這樣就允許開(kāi)發(fā)者為最廣泛的應用程序進(jìn)行更為優(yōu)
化的VxWorks運行環(huán)境配置。例如，如果應用程序不需要某些功能模塊，就可以將它移出A
NSI C運行庫；如果應用程序不需要某些特定的內核同步對象，這些對象也可以忽略。還有
，TCP、UDP、套接口和標準Berkeley服務(wù)也可以根據需要將之移出或移入網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧。
這些配置選項可以通過(guò)TornadoII的項目工具圖形接口輕易地選擇。開(kāi)發(fā)者也可以使用Tor
nadoII的自動(dòng)裁剪特性，自動(dòng)地分析應用程序代碼并合并合適的選項。
3. 綜合的網(wǎng)絡(luò )工具
VxWorks是第一個(gè)支持工業(yè)標準TCP/IP的實(shí)時(shí)操作系統。創(chuàng )新的傳統伴隨著(zhù)VxWorks TCP/I
P協(xié)議棧，它支持最新的Berkeley網(wǎng)絡(luò )特性，包括：
IP, IGMP, CIDR, TCP, UDP, ARP
RIP v.1/v.2
Standard Berkeley sockets and zbufs
NFS client and server, ONC, RPC
Point-to-Point Protocol
BOOTP, DNS, DHCP, TFTP
FTP, rlogin, telnet, rsh
WindRiver也支持可選的WindNet產(chǎn)品：SNMP v.1/v.2c, OSPF v.2, STREAMS.
WindRiver還通過(guò)提供工業(yè)級最廣泛的網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)加強這些核心技術(shù)，這主要是通過(guò)W
indLink for TornadoII伙伴計劃來(lái)實(shí)現的。高級的網(wǎng)絡(luò )解決方案還包括：
ATM, SMDS, frame relay, ISDN, SS7, X.25, V5廣域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議
IPX/SPX，AppleTalk，SNA局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議
分布式網(wǎng)絡(luò )管理的RMON，CMIP/GDMO，基于Web網(wǎng)的解決方案
CORBA分布式計算機環(huán)境
4. 兼容POSIX 1003.1b標準
VxWorks支持POSIX 1003.1b的規定和1003.1中有關(guān)基本系統調用的規定，包括：過(guò)程初始
化、文件與目錄、I/O初始化、語(yǔ)言服務(wù)、目錄處理；而且VxWorks還支持POSIX 1003.1b的
實(shí)時(shí)擴展，主要包括：異步I/O、記數信號量、消息隊列、信號、內存管理和調度控制。
5. 平臺的選擇
WindRiver還提供現成的一整套的商業(yè)和評估板。VxWorks開(kāi)放的設計具有高度的可移植性
并且支持幾乎所有的處理器，這樣，應用程序就可以在不同的體系結構之間毫不費力的移
植。
6. 方便地移植到用戶(hù)硬件上
能否將操作系統和應用程序以一種合適的方式進(jìn)行移植是嵌入式軟件開(kāi)發(fā)方面的關(guān)鍵。如
果事先就考慮了操作系統和應用程序代碼的可移植性，那么這個(gè)過(guò)程就會(huì )變得非常容易。
這需要明確劃分低級的依賴(lài)于硬件的代碼和高級的應用程序和操作系統代碼，這樣，移植
時(shí)只需要改變整個(gè)依賴(lài)于硬件的低級代碼，而不需要改變操作系統和應用程序。
依賴(lài)于硬件的這一層稱(chēng)為板極支持包(BSP, Board Support Package)。板極支持包是運行
VxWorks的任何目標板都需要的。BSP Developer’s Kit使開(kāi)發(fā)者很容易地在用戶(hù)硬件上使
用VxWorks；如果使用商業(yè)硬件，WindRiver提供了2000個(gè)板極支持包。當為用戶(hù)板開(kāi)發(fā)板
極支持包時(shí)，開(kāi)發(fā)者可以獲得大量的標準設備驅動(dòng)程序，這些程序對應于所有的目標體系
。
7. 操作系統選件
操作系統選件產(chǎn)品為開(kāi)發(fā)者提供了意想不到的特性和操作系統擴展。這些選件主要包括：
板極支持包開(kāi)發(fā)工具(BSP Developer’s Kit)
支持閃存文件系統的TrueFFS for TornadoII
支持圖形應用程序
支持虛擬內存管理VxVMI
支持多處理的VxMP、VxDCOM和VxFusion
2.2 VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統主要特點(diǎn)
1.微內核(wind microkernel)的主要特點(diǎn)
高效的任務(wù)管理：
無(wú)限數目多任務(wù)，具有256個(gè)優(yōu)先級
具有優(yōu)先級排隊和時(shí)間片輪轉調度
快速的、確定性的上下文切換
快速靈活的任務(wù)間通訊：
三種信號燈：二進(jìn)制、計數、有優(yōu)先級繼承特性的互斥信號燈
POSIX管道、記數信號量、消息隊列、信號和調度
控制套接口
共享內存(shared memory)
高度的可裁剪性
增量連接和部件加載
快速有效的中斷和異常事件處理
優(yōu)化的浮點(diǎn)支持
動(dòng)態(tài)內存管理
系統時(shí)鐘和計時(shí)工具
2.網(wǎng)絡(luò )支持方面
BSD 4.4 TCP/IP
IP, IGMP, CIDR, TCP, UDP, ARP
RIP v.1/v.2
標準Berkeley 套接口,zbufs(zero-copy socket)
SLIP, CSLIP, PPP
BOOTP, DNS, DHCP, TFTP
NFS, ONC, RPC
FTP, rlogin, rsh, telnet
SNTP
具有MIB編譯器的WindNet SNMP v.1/v.2c (可選)
WindNet OSPF v.2 (可選)
WindNet STREAMS SVR4(可選)
3.快速靈活的I/O和本地文件系統
POSIX 異步I/O和目錄管理
SCSI 支持
兼容MS-DOC文件系統
Raw disk文件系統
TrueFFS閃存文件系統
ISO 9660 CD-ROM文件系統
PCMCIA支持
4.目標機開(kāi)發(fā)特性
完全兼容ANSI C和C++的異常處理和模板支持
兼容POSIX 1003.1, .1b實(shí)時(shí)擴展
目標機shell上的交互式C解釋器
符號調試和反匯編
強大的性能監視功能
擴展的內核、任務(wù)、系統信息工具
動(dòng)態(tài)連接裝載
超過(guò)1800個(gè)實(shí)用例程庫
靈活的啟動(dòng)方式，可以從ROM、本地磁盤(pán)或通過(guò)網(wǎng)絡(luò )啟動(dòng)
高度可裁剪設計可以適用于廣泛的應用
通過(guò)以太網(wǎng)、串行線(xiàn)、ICE或ROM仿真器的系統級調試
2.3 VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統主要功能和結構
2.3.1 VxWorks操作系統的主要功能
目前VxWorks操作系統的版本為VxWorks 5.4，其核心功能主要有：
微內核wind
任務(wù)間通信機制
先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )支持
功能強大的文件系統和I/O管理
POSIX標準實(shí)時(shí)擴展
C++以及其他標準支持
這些核心功能可以與WindRiver系統的其他附件和超過(guò)400個(gè)TornadoII合作伙伴的產(chǎn)品很好
的結合在一起。
2.3.2 VxWorks操作系統的基本結構
VxWorks操作系統的基本構成部件主要有以下五個(gè)部分：
板級支持包BSP(Board Support Package)
微內核wind
網(wǎng)絡(luò )系統
文件系統
I/O系統
VxWorks 操作系統包括了板級支持包BSP(Board Support Package)、進(jìn)程管理、存儲管理
、設備管理、文件系統管理、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議及系統應用等幾個(gè)部分。VxWorks只占用了很小的存
儲空間，并可高度裁減，保證了系統能以較高的效率運行。
1.板級支持包 BSP（Board Support Package）
板級支持包對各種板子的硬件功能提供了統一的軟件接口，它包括硬件初始化、中斷的產(chǎn)
生和處理、硬件時(shí)鐘和計時(shí)器管理、局域和總線(xiàn)內存地址映射、內存分配等等。每個(gè)板級
支持包括一個(gè) ROM 啟動(dòng)（Boot ROM）或其它啟動(dòng)機制。
2.高性能的實(shí)時(shí)操作系統核心 wind
[1].VxWorks 的核心，被稱(chēng)作 wind，包括多任務(wù)調度（采用優(yōu)先級搶占方式），任務(wù)間的
同步和進(jìn)程間通信機制以及中斷處理，看門(mén)狗和內存管理機制。一個(gè)多任務(wù)環(huán)境允許實(shí)時(shí)
應用程序以一套獨立任務(wù)的方式構筑，每個(gè)任務(wù)擁有獨立的執行線(xiàn)程和它自己的一套系統
資源。進(jìn)程間通信機制使得這些任務(wù)的行為同步、協(xié)調。
[2].wind使用中斷驅動(dòng)和優(yōu)先級的方式。它縮短了上下文轉換的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)和中斷的時(shí)延。
在 VxWorks 中，任何例程都可以被啟動(dòng)為一個(gè)單獨的任務(wù)，擁有它自己的上下文和堆棧。
還有一些其它的任務(wù)機制可以使任務(wù)掛起、繼續、刪除、延時(shí)或改變優(yōu)先級。
[3].wind 核提供信號量作為任務(wù)間同步和互斥的機制。在 wind 核中有幾種類(lèi)型的信號量
，它們分別針對不同的應用需求：二進(jìn)制信號量、計數信號量、互斥信號量和 POSIX 信號
量。所有的這些信號量是快速和高效的，它們除了被應用在開(kāi)發(fā)設計過(guò)程中外，還被廣泛
地應用在 VxWorks 高層應用系統中。對于進(jìn)程間通信，wind 核也提供了諸如消息隊列、
管道、套接字和信號等機制。
3.網(wǎng)絡(luò )設施
VxWorks的網(wǎng)絡(luò )結構如圖所示，它提供了對其它網(wǎng)絡(luò )和 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò )系統的"透明"訪(fǎng)問(wèn)，包
括與BSD套接字兼容的編程接口，遠程過(guò)程調用（RPC），SNMP（可選項），遠程文件訪(fǎng)問(wèn)
（包括客戶(hù)端和服務(wù)端的NFS機制以及使用RSH，FTP 或 TFTP的非NFS機制）以及BOOTP 和
ARP 代理。無(wú)論是松耦合的串行線(xiàn)路、標準的以太網(wǎng)連接還是緊耦合的利用共享內存的背
板總線(xiàn)，所有的 VxWorks 網(wǎng)絡(luò )機制都遵循標準的 Internet 協(xié)議。
4.文件系統
VxWorks 提供的快速文件系統適合于實(shí)時(shí)系統應用。它包括幾種支持使用塊設備（如磁盤(pán)
）的本地文件系統。這些設備都使用一個(gè)標準的接口從而使得文件系統能夠被靈活地在設
備驅動(dòng)程序上移植。
VxWorks 也支持 SCSI 磁帶設備的本地文件系統。VxWorks I/O 體系結構甚至還支持在一
個(gè)單獨的 VxWorks 系統上同時(shí)并存幾個(gè)不同的文件系統。
VxWorks 支持四種文件系統：
dosFs
rt11Fs
rawFs
tapeFs。
另一方面，普通數據文件，外部設備都統一作為文件處理。它們在用戶(hù)面前有相同的語(yǔ)法
定義，使用相同的保護機制。這樣既簡(jiǎn)化了系統設計又便于用戶(hù)使用。
5.I/O 系統
VxWorks 提供了一個(gè)快速靈活的與 ANSI C 兼容的 I/O 系統，包括
UNIX 標準的緩沖 I/O
POSIX 標準的異步 I/O
VxWorks 包括以下驅動(dòng)程序：
網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)
管道驅動(dòng)
RAM盤(pán)驅動(dòng)
SCSI驅動(dòng)
鍵盤(pán)驅動(dòng)
顯示驅動(dòng)
磁盤(pán)驅動(dòng)
并口驅動(dòng)
