VxWorks系统概念妙喻

　　当前嵌入式系统已无所不在，应用于各行各业。在嵌入式系统中，有一类很重要的成员，即实时嵌入式系统。其中，WindRiver公司的 VxWorks是目前软件工程师采用最多的，用于开发实时嵌入式系统的商用实时嵌入式操作系统，以其可靠性及强大的工具支持著称。很多程序开发人员由 Windows编程转向嵌入式编程时感到困难，因为在Windows的API函数中有不少操作系统内核机制都进行了封装（如信号量、消息等），往往不必了解这些概念，而优秀的VxWorks编程者则需要更加了解与内核相关的概念。下面通过现实生活中的一些事例进行类比来说明这些概念，即使是初学者也能轻松领悟。

1 实时性与非实时性

　　VxWorks作为实时操作系统，实时性指的是对外部事件的响应在规定的时间内完成。举个工作中的例子，有一种情况：假如你的公司规定对客户的投诉必须在当天予以解决，因而当接到投诉时，你马上去往客户处交涉并解决问题。另一种情况：公司在收到客户投诉后，并不马上解决，而是在一段时间后汇总并根据客户所在地集中解决。第一种情况就好比实时系统，在规定时间内对外部事件进行响应；第二种情况好比非实时系统。很可能出现的一种情形就是，刚解决好一个客户的问题后回公司，得知又一位同一地点的客户要求你去，因此懊悔不已，接到投诉后不如不马上行动。同样，非实时系统也需要付出额外的代价，因此不能简单地说哪种系统效率更高或性能更好。第一种公司制度更让客户满意，因为它能在规定时间内给客户反馈，虽然效率不一定最高。具体选用哪一种管理制度应该结合实际经营情况而定，同理，实时系统也有它适合的应用。比如汽车控制设备、国防系统中，不在预定时间内对外部随机事件作出响应是很不合理的；而在 Windows系统中，鼠标点击在系统繁忙时可能好几秒才响应过来。

2  多任务与单任务

　　多任务好比一个团队的多个人分工合作完成一项工作，而单任务则是一个人独立完成一项工作。假如这项工作就是去邮局邮寄一份文件，那么一个人足以胜任，多个人反而显得多余。假如这项工作包括去邮局邮寄文件，收取客户Email并及时回复，接听电话，那么一个人就显得杂乱无章，不能及时回复邮件，或错过电话。如果安排两个人完成此项工作就容易得多，一人去邮寄文件，一人留单位接听电话并收取Email。从程序设计角度来说，单任务或多任务都没有绝对优势，因此应用程序是采用何种任务划分，需根据具体应用而定。

　　还有一个问题，毕竟CPU资源是固定的，如果同时运行多个任务，那么每个任务的处理能力都降低了，整体性能是否提高了呢？假如需要将两个文件从 A地分别送往B地和C地，如图1所示。一个行走速度极快的运动员从A地到B地需要10 min，交接文件需10 min，从B地返回A地需10 min，再从A地到C地需15 min，交接文件需10 min，总共花费55 min。而两个行走较慢的人共同完成该任务，一人从A地到B地需20 min，交接文件10 min，30 min完成；另一人从A地往C地需30 min，交接文件需10 min，总共也就40 min。交接文件时间越长，两个人的优势越明显。在程序中等待慢设备的应答信号就是这种情况，不能将整个CPU的时间花费在等待中。但假如任务就是将文件从A送到B，那么多个行走慢的人就不如一个速度快的人了。

图1  文件派送两地示意图

3  信号量（semaphore）

　　VxWorks系统中，信号量包括互斥信号量、二进制信号量和计数信号量，其他操作系统基本上也是如此。按作用划分为同步和互斥机制。通过信号量的同步和互斥机制可以方便、高效地协调任务。互斥方式的功能是不同任务可以利用信号量互斥地访问临界资源。现实生活中也是如此，比如单位会议室只有一个，可能有多个部门使用会议室，单位采取如下管理方式：使用前向负责人申请，若会议室空闲就可以使用，会议结束后通知负责人；否则，等待负责人通知。这里的会议室就好比临界资源，申请和通知这种方式就好比信号量的互斥机制，如图2所示。

图2  信号量互斥机制与会议室管理机制对比

　　信号量的同步机制有所不同，提供的任务同步功能是指一个任务可以利用信号量控制自己的执行进度，使自己同步于一组外部事件。好比甲等待乙的电话再一起吃饭。甲接电话之前没有任何行动，好比这个任务阻塞；接到电话好比获取信号量（乙打电话好比释放信号量）；去吃饭就好比继续执行任务。

　　计数信号量与二进制信号量都可以用于任务之间的同步与互斥，不同之处在于，计数信号量能够记录信号量释放的次数，可以用来监视某一资源的使用状况。好比存钱与消费：存入的金额计数累加（释放信号量计数），消费时金额减少（获取信号量计数减少），只要金额不为零就还有消费能力（信号量可用），金额为零就只能等待存入（获取信号量但无信号量可用只能等待其他任务释放信号量）。

4  消息机制

　　仅通过信号量的同步、互斥是无法提供完善的响应式交互信息的。消息（message）机制通过消息队列保存多个消息，一般来说，消息是按照 FIFO的顺序通过消息队列的。信号量好比是两人相互约定，电话铃响，不用接听，直接出门迎接；而消息机制发送就是，接听电话并根据电话内容执行相应操作。接听电话并根据电话内容办理相应事情，比电话铃响就按约定办理事情多花费时间，同样，消息机制比信号量更耗费时间；但接听电话后根据电话内容办事比前者更加灵活，适应更多的场合，同样，消息机制的使用比信号量更加灵活，并且电话内容可以是临时增加的，类似消息内容的可扩展性。

5  信号

　　信号（signal）与信号量听起来很相似，其实是完全不同的两种机制，一定需要明确区分。信号是一种由事件触发的软件中断，它可以异步地改变信号接收任务的执行流程，使其转向对应的信号处理程序执行。即使该任务当前处于阻塞状态，一旦接收信号后就会处于准备执行状态，但是当信号处理程序执行之后继续处于阻塞状态。举个例子，上班时你可以随意安排你的工作，就好比任务中程序的顺序执行；单位出现突发事件需要你立刻解决，当前工作被打断，就好比该任务接收到信号，当前程序被打断；处理完突发事件后继续工作，就好比信号处理程序执行完返回原来被打断的地方继续执行。这个突发事件就好比一个信号，该信号影响的任务立刻跳转到指定的程序；这个突发事件是随机、不可预料的，就好比信号接收的不可预料性，在程序中信号机制常用于异常处理。不同于信号量用显式语句表示何时需要获取或释放信号量，信号机制允许程序在任何地方被信号中断而转向相应的处理程序。

　　以上是对VxWorks操作系统一些相关概念的理解和总结，在技术交流中很容易被接受，希望能分享给更多的朋友。