软件设计中模块化的思想已日益普遍，模块化的设计能够使程序结构清晰，便于维护，开发起来也更加高效。大型软件通常由多个功能模块构成，模块的功能 实现又是由多个线程所支撑的。诸如windows，Linux类型的操作系统自身能够对线程间的通信进行较好的管理，不需要过多的关心底层。而 VxWorks是一个多任务系统，任务是系统最基本的执行单元。功能模块间的通信也就是任务间的通信，VxWorks对任务间通信的管理远没有 windows的完善。在模块数量多，通信业务大的情况下VxWorks提供的任务间通信机制不能很好的满足实时性与资源利用的要求。本文提出了一种任务 间的通信模型，将用于网络通信的UDP方式引进到任务间的通信中，使通信更加灵活和便于管理，改善了整个系统的性能。
多任务实时操作系统VxWorks简介
VxWorks操作系统是一种嵌入式实时操作系统(RTOS)，是嵌入式开发环境的关键组成部分，具有可靠高、实时性强、可裁减性的特点。 VxWorks为程序员提供了高效的实时任务调度、中断管理、实时的系统资源以及任务间通信。应用程序员可以将精力放在应用程序本身，而不必关心系统资源 的管理。VxWorks可以支持多达256个任务，支持二进制信号量、互斥信号量、消息邮箱等资源共享方式。高效实时的多任务内核使得VxWorks能同 时面对多个系列的MPU、MCU、DSP提供类同的API接口，其良好的移植性在跨处理器平台上只需要修改1%～5%的代码。
良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，使VxWorks在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它以良好的可靠性和卓越的 实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通信、军事演习、弹道制导、飞机导航等。
传统模块间通信方式存在的问题
嵌入式操作系统大多用于对实时性要求较高的场合，由于体积和成本的限制，嵌入式系统的资源和运行速度都不能和PC机相比。因此在此类系统上开发 的应用程序的效率和减少资源消耗是十分重要的。VxWorks是一个多任务操作系统，传统的任务间通信模型有以下几种：共享内存、信号量和消息队列三种， 这几种方式都有其不足的地方。
共享内存方式使用全局变量或缓存，对于大型而复杂的程序，多个任务同时对一个变量进行读写操作会引起冲突或缓从区的溢出。信号量的通信模型虽然 可以很好的起到互斥作用，但在多个任务同时与某一任务通信时就会产生对信号量的竞争，引起通信发起端的排队，降低系统的效率。消息队列可以通过异步的消息 传送模型避免了由于信号量引起的排队问题，但任务数量较多时所需要的队列数量过大，会耗费大量系统资源。模块数量多，通信量大引起的任务排队和资源耗费会 对VxWorks的实时性和系统性能产生影响。下面介绍的通信模型在克服以上问题方面有着一定的优势。
通信模型的原理与性能分析
整个通信模型由业务模块、UDP插口、虚拟设备控制器（DEV）和统一定时器四部分组成。模块间采用基于UDP的通信方式进行信息交互，通过一 种虚拟设备控制器（DEV）的概念将UDP插口与业务模块绑定，两者之间呈现一种松耦合的关系。每个模块拥有属于自己的DEV，负责管理UDP插口与其他 模块进行交互。统一定时器负责协调和控制业务模块发送消息的时机。统一定时器与DEV相结合共同完成模块间的通信。
UDP本来是一种面向无连接的网络通信方式，把它引入到一个程序的内部作为通信手段需要考察其可靠性。UDP通信虽然是面向无连接的，在网络情 况不好时有可能产生丢包，但由于程序是在一台主机上运行，程序内各个模块之间的交互也只限于本机上，并不经过网络，所以UDP包丢失的概率很小，通信可靠 性是完全能够得到保证的。通信模型的原理图如下：
图1 通信模型原理图
1 虚拟设备控制器（DEV）的概念
虚拟设备控制器（DEV）本质上是一种数据结构，每个模块通过声明这样一个数据结构来获得属于自己的DEV。DEV中记录了有关UDP插口的信 息，模块号或模块名称。DEV中还包括两个环形缓冲区用于和模块进行数据交互。UDP插口是与DEV紧密结合在一起的，但并不与模块直接联系，也就是说一 个UDP并不固定属于某一模块，他们之间是一种松耦合的关系。DEV概念的引入将UDP套接字抽象为一种虚拟设备，供模块使用。使通信功能与模块的业务功 能相互分离，更加独立，提高了效率。模块与UDP插口间也可以通过DEV进行灵活的配置与释放。DEV的结构如下：
Struct DEV
{
int Module_ID; //记录模块号；
int SocketKind; //记录插口类型；
int socket_ID; //记录socket句柄
struct RINGBUF_t m_Buf[2]; //两个环形缓冲区：[0]用于输入[1]用于输出
}
软件初始化时可以申请若干个空闲DEV设备，当某一业务模块启动时可以申请一个空闲的DEV供自己使用。将DEV结构体变量中的 Module_ID填上该业务模块的号码就完成了模块与DEV的绑定。再申请一个UDP插口，将插口句柄存放在DEV结构体的socket_ID变量中就 完成了UDP与DEV的结合，这样业务模块就通过DEV与UDP建立了联系，模块可以通过DEV来控制和使用该UDP进行通信。当模块不再需要使用UDP 时，或者UDP插口出现故障时，可以将其拥有的DEV中的Module_ID和socket_ID置为0，取消模块与DEV的连接，完成对UDP的释放。 当模块再次需要使用UDP时，可以重新申请DEV和UDP。这种送耦合的方式使得模块的正常运行不受UDP的影响，提高了程序的可靠性。
2 统一定时器的作用
统一定时器负责协调所有的UDP发送。程序初始化后启动统一定时器，定时器的时间一到就会执行特定的动作。它将轮询所有的DEV，将DEV发送缓存中的内容通过UDP发送出去。
3 通信的实现过程
①UDP消息的发送
当模块A的某个任务需要与其他模块通信时，它将把信息打包通过UDP方式发送给其他模块。模块A的任务（线程）将需要发送的消息包放入DEV的 1号缓存中，统一定时器每到一定的时间就轮询所有的DEV，如果有信息等待发送就通过该DEV所控制的UDP插口将信息发往目的地。
② UDP消息的接收
如图2所示，每个模块有一个监视任务（线程），负责定时监视该模块对应的DEV所控制的UDP端口，一旦UDP接收到消息，该线程负责将收到的消息从UDP的缓存中读出存放到DEV的0号缓存中。模块的其他工作任务需要获得消息时可以从0号缓存中读取并解析消息。
图2 UDP消息的接收
4 通信模型的性能分析
上述通信模型采用准异步的方式，发送消息时各模块同步，接收消息时异步。能够避免多模块通信时的冲突，并且能够节省资源，在效率上优于传统的通信模型。松耦合的映射关系使得模块与通信端口之间能够灵活的结合与释放，给软件结构的设计带来了较大的自由。
①效率：采用了定时器轮询的消息发送方式，避免任务通信的冲突。模块向其他模块发送UDP消息时只需要将消息打包放入DEV的发送缓存中，包的 发送工作由统一定时器完成。模块本身并不关心数据包的发送，将包放入DEV后就可以进行其他的工作。在多个模块同时与某一模块通信的情况下这种方式不会出 现信号量模型中排队等待信号量的现象，提升了系统的效率，实时性得到了保证。由于所有模块的发送都由定时器完成，程序代码得到了精简，增强了代码的共用 性。
②资源的利用：由于采用了UDP这种较为灵活的通信方式，模块间需要通信时才发送消息，而不必在各个模块间建立多条消息队列。当模块数较大时， 这种方式在资源的节约上体现得更加明显。例如：有n个模块，两两间建立一对消息队列就需要（n-1）!对队列，程序要维护大量的消息队列，资源消耗严重。 采用本文的通信模型将会节约有限的系统资源，充分适应嵌入式系统的开发。
③消息堆积问题的解决：传统通信模型中，模块发送消息是不加限制的。只要有消息需要发送就立刻调用发送函数，如果多个模块在一段时间内同时向一 个模块发送消息，而接收消息的模块又来不及处理，消息不断的堆积就会引起缓冲区的益处。采用统一定时器的方法在一定程度上使消息的发送有序和受限，在定时 器两次轮询某一模块的间歇期模块就能够处理前一次收到的消息，为接收新的消息作好准备。只要定时器的定时时间设置合适，就能够避免缓冲区的溢出。
通信模型的实现
Vxworks是一个多任务的操作系统，模型的各个组成部分可以通过任务来实现，VxWorks的 网络编程接口和定时器使用起来十分方便，对用户提供了开放的API。只需要使用socket（），send（），receive（）， CreateTimer（），SetTimer（）等函数就能够对套接字和定时器进行操作。在程序的初始化过程中可以先开启定时器任务，然后产生足够数量 的DEV，接下来顺序启动各个模块。启动每个模块的过程中，首先申请一个空闲的DEV，然后产生一个UDP套接字，将套接字与DEV建立映射关系。完成了 模块与DEV的绑定后，启动一个监视任务（Moniter_Task）监视UDP端口。到此，通信模型建立完毕。最后启动模块的其他工作任务开始正常的业 务流程。