vxWorks下常用的幾種延時方法

     在應用編程的時候,通常會碰到需要一個任務在特定的延時之後執行一個指定的動作,如等待外設以確保數據可靠,控制揚聲器發聲時間以及串口通信超時重發等。這就需要利用定時器機制來計量特定長度的時間段。

    vxWorks作爲實時嵌入式系統,提供多樣的定時接口函數。下面結合我的項目經歷和網上的參考資料列舉一些常用的定時方式,並說明其注意事項。

一、taskDelay

    taskDelay(n)使調用該函數的任務延時n個tick(內核時鐘週期)。該任務在指定的時間內主動放棄CPU,除了taskDelay(0)專用於任務調度(將CPU交給同一優先級的其他任務)外,任務延時也常用於等待某一外部事件,作爲一種定時/延時機制。在沒有中斷觸發時,taskDelay能很方便地實現,且不影響系統整體性能。例如寫數據至EEPROM,EEPROM需要一個內部擦除時間(最大擦除時間爲l0ms)。以下所提及的一個tick都假設爲16.67 ms(1/60 s)。可以簡單地調用taskDelay(2)來保證數據擦寫完成。按理說taskDelay(1)就足以保證,爲什麼需要taskDelay(2)呢?

    這正是taskDelay使用的一個缺陷,使用時需要注意。taskDelay(n)表示任務延時至第n個系統時鐘到來的時刻,如圖1所示。如果在A時刻調用taskDelay(1)僅延時5 ms,則在B時刻taskDelay(1)就剛好是一個tick週期。可見需要10 ms的延時就必須調用taskDelay(2)才能實現。taskDelay有接近一1個tick的誤差存在,taskDelay(n)實際上是延時(n-1)tick~n tick的時間。延時精度爲l/n,延時1s就是taskDelay(60)的誤差極限爲1.6%,而taskDelay(1)的誤差極限將是100%。

    使用taskDelay需注意的另外一點是:即使經過n個tick,調用延時的任務也不保證返回執行狀態,可能有更高或相同優先級的任務佔用了CPU。看了上面的介紹,就可以用它模擬實現Sleep函數了,代碼如下:

ST_VOID sMsSleep (ST_LONG ms)
{
	int m = sysClkRateGet();/*獲取內核時鐘頻率*/
	m = 1000/m;
	m = ms/m + 1;/* taskDelay(n)實際上是延時(n-1)tick~n*tick的時間*/
	taskDelay(m);
}

下面是taskDelay的延時示意圖:

 

二、WatchDog

    VxWorks提供了一種通用的看門狗定時器機制。利用提供的函數,任何任務都可以創建一個看門狗定時器,經過指定的延時後,實現在系統時鐘ISR的上下文中運行指定的程序。需要注意的是,看門狗定時觸發的程序是在中斷級別上執行,而不是在任務的上下文中。因此,看門狗定時掛接的程序編寫有一定的限制,這個限制條件與中斷服務程序的約束是一樣的。比如,不能使用獲取信號量的語句,以及像printf()這樣的I/O系統函數。

    通過wdCreate()可以創建一個看門狗定時器。調用wdStart()啓動定時器,延時參數同taskDelay一樣以tick爲單位,同時還須指定定時完成後要調用的程序。如果應用程序同時需要多個看門狗函數,則應使用wdCreate()產生多個獨立的看門狗ID。因爲對於給定的看門狗ID,通過wdStart()只能關聯一個看門狗函數。在指定的tick計數到達之前,要取消一個看門狗計時器,可以通過調用wdCancel()實現。每調用一次wdStart(),看門狗定時器只執行一次,因此對於一些要求週期性執行的應用程序,要獲得該效果,則定時器函數本身必須通過遞歸調用wdStart()來重新啓動定時器。

    如果利用看門狗定時器實現延時,則存在與taskDelay一樣的精度上的缺陷,以tick爲基準.並且看門狗關聯的函數所受的限制很大,這也是使用不便的一個方面。不過啓動看門狗的任務不會被阻塞,因爲wdStart()調用立即返回並繼續執行。

三、sleep/nanosleep

    sleep()和nanosleep()是VxWorks提供的延時函數接口。但是在實際應用時,默認是沒有添加的,得手動添加。sleep以s爲單位,nanosleep可以提供更精確的延時;傳參是時鐘的結構體,參數可以精確到ns,但實際上只能做到大於或等於這個時問。因爲skep或nanosleep函數延時的時間基準仍是tick,調用此函數的任務處於任務延時狀態,這點與taskDelay()一致。不同的地方是,taskDelay()是用於任務調度,taskDelay(O)有其自身的含義,而sleep(O)則是沒有意義的。前面提過,taskDelay(n)延時時間爲(n-1)tick~ntick,而sleep/nanosleep則保證實際延時時間大於或等於設定的時間參數。實驗代碼如下:

void testTimer(int sec,int nsec)
{
	struct timespec tm;
	tm.tv_sec = sec;
	tm.tv_nsec = nsec;
	nanosleep(&tm,NULL);
}

四、高精度時鐘sysTimeStamp

    sysTimeStamp()也稱“時間戳”。是通過系統時鐘實現的。剛開始也覺得費解,系統時鐘的定時週期就是tick,怎麼實現高精度時鐘呢?通過讀BSP底層代碼發現,sysTimeStamp其實是通過讀取該定時器的當前計數值來獲取高精度定時的。通過sysTimestampFreq()函數可以得到系統時間戳的頻率,它往往反映的是CPU定時器的基準頻率。當然,如此高的分辨率只能是一個理想值,不同的系統不一定都能實現。畢竟該時間戳的實現方式有一個致命的弱點:通過查詢方式。系統時鐘定時中斷是以ticb:爲單位的,進一步提高分辨率讀取定時器計數值(CPU的一個特殊功能寄存器),只能是查詢方式實現。代碼示例如下:

void msDelay(int ms)
{
	int t,t1,t2;
	t1 = sysTimestamp(); /*記錄上一輪的時間戳*/
	do{
		t = 0;  /*計數清零*/
		while(t < sysTimestampFreq()/1000)
		{
			t2 = sysTimestamp();  /*讀取當前時間戳*/
			if(t2 > t1)
				t += (t2-t1);
			else
				t += t2;
			t1 = t2;
		}
	}while(ms--);
}

    這種定時方式比較佔用系統資源,且只適用於短時間的定時,但是實現方便。爲確保定時準確,應在鎖定中斷情況下調用sysTimestamp;否則,應考慮使用sysTimes-tampLock函數。

五、輔助時鐘

    輔助時鐘是利用目標板上CPU的另一個定時器(除了系統時鐘之外)中斷實現的。它可以靈活配置實現高分辨率的定時,而且容易實現ms級甚至μs級定時。VxWorks提供了一系列與系統時鐘相同的操作接口,用戶可以方便地掛接自己的中斷處理函數,時鐘分辨率的高低取決於硬件定時器的精度和用戶中斷函數的長短。要將輔助時鐘作爲精確的延時機制(如ms級延時),可以通過這種方式實現。初始化程序先調用SysAuxClkRateSet()函數設置輔助時鐘中斷週期爲1ms(一般在contig.h文件中AUX_CLK_RATE_MIN和AUX_CLK_RATE_MAX之間,對中斷頻率作了限定,如果需要可以對此宏定義修改),再通過ysAuxClkConneet()?將用戶處理函數連接到輔助時鐘中斷上,用戶處理函數可以爲SemGive(semTimer)釋放一個同步信號量。編寫一個msDelay(intms)作爲其他任務調用接口,函數代碼如下:

void msDelay(int ms)
{
	int i;
	sysAuxClkEnable();  /*啓動輔助定時器*/
	for(i = 0;i < ms;i++)
		semTake(semTimer);  /*等待定時中斷釋放信號量*/
	sysAuxClkDisable();
}

    這種方式能實現十分精確的定時,調用延時的任務處於任務阻塞狀態。但是使用上仍存在缺陷,不能實現多個任務同時調用,且需要CPU的一個時鐘資源,如果沒有多餘的時鐘,那麼這一方法就不能實現。

    另外還需要注意一點:Tornado的調試工具Browser一>SpyChart的實現原理是利用輔助定時器產生中斷,並記錄當前被中斷的任務,由抽樣數據反映各任務CPU佔用率的情況。因此如果調試程序中使用了輔助定時器,那麼使用Spy Chart時定時處理函數會被重新掛接,原有定時掛接的程序將得不到進行。反之,如果在Spy Chart運行之後掛接輔助定時處理函數,那麼Spy Chart的運行將出現問題。實驗發現,運行Spy Chart後重新掛接輔助定時處理函數,Spy Chart即使選中自動刷新,各任務狀態也不會更新。

    VxWorks提供的定時接口(不一定專門用於定時,也可間接實現)遠不只這些。具體使用哪種方式,應根據其精度、資源狀態和優先級要求而定。

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