嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)-預(yù)覽頁

　

【正文】 件把原本屬于應(yīng)用軟件層的一些通用的功能模塊抽取出來，形成獨(dú)立的一層軟件，為應(yīng)用軟件提供一個(gè)靈活、安全、移植性好、相互通信、協(xié)同工作的平臺。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 20 ? ? 在嵌入式系統(tǒng)中工作的操作系統(tǒng)稱為 EOS（ Embedded Operating System，嵌入式操作系統(tǒng)）， EOS的基本功能主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： ? 1． 構(gòu)成一個(gè)易于編程的虛擬機(jī)平臺 ? EOS構(gòu)成一個(gè)虛擬機(jī)平臺， EOS把底層的硬件細(xì)節(jié)封裝起來，為運(yùn)行在它上面的軟件（如中間件軟件和各種應(yīng)用軟件）提供了一個(gè)抽象的編程接口。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? 注意：不同的嵌入式系統(tǒng)的 EOS所包含的組件可能各不相同，內(nèi)核設(shè)計(jì)也可能各不相同的，完全取決于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及實(shí)際的應(yīng)用需求 。 ? （ 1）商業(yè)化系統(tǒng) ? 商業(yè)化的 EOS有風(fēng)河公司（ WindRiver）的 VxWorks，微軟公司的Windows CE， Palm公司的 PalmOS等等，其特點(diǎn)是功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定，輔助軟件工具齊全，應(yīng)用范圍廣泛，但成本較高。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? （ 1） 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng) ? 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)對響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格的要求，如果響應(yīng)時(shí)間不能滿足可能會引起系統(tǒng)的崩潰或致命的錯(cuò)誤。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 24 ? 3．按軟件結(jié)構(gòu)分類 ? 按照軟件的體系結(jié)構(gòu)， EOS可以分為單體結(jié)構(gòu)、分層結(jié)構(gòu)和微內(nèi)核結(jié)構(gòu)三大類，如 ～ 。 ? 單體結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)由一組功能模塊組成，系統(tǒng)的各個(gè)模塊之間可以相互調(diào)用，通信開銷比較小，系統(tǒng)高度集成和相互關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)剪裁、修改、調(diào)試和維護(hù)不方便。分層結(jié)構(gòu)要求在每個(gè)層次上都要提供一組 API接口函數(shù)，增加了系統(tǒng)的額外開銷，但系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)較為簡單。新的功能組件也可以被動態(tài)地添加進(jìn)來，擴(kuò)展、調(diào)試、移植方便。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 27 ? OS C Executive、 VxWorks， CMXRTX、 Nucleus Plus和 QNX等 EOS采用的都是微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。 ? 1． VxWorks ? 美國 WindRiver System公司開發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) VxWorks采用基于微內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)由四百多個(gè)相對獨(dú)立、短小精練的目標(biāo)模塊組成，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇適當(dāng)?shù)哪K，進(jìn)行裁減和配置。其中： ? 實(shí)時(shí)微內(nèi)核 Wind包括 基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間的通信、同步和互斥、中斷處理、定時(shí)器和內(nèi)存管理機(jī)制等功能 。虛擬內(nèi)存模塊 VxVMI主要用于對指定內(nèi)存區(qū)的保護(hù)，以加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。常見的嵌入式 Linux有 μClinux、 RTLinux、 Embedix和 Hard Hat Linux等，具有如下特點(diǎn)： ? ● 具有高性能、可裁剪的內(nèi)核，其獨(dú)特的模塊機(jī)制使用戶可以根據(jù)自己的需要，實(shí)時(shí)地將某些模塊插入到內(nèi)核或從內(nèi)核中移走，很適合于嵌入式系統(tǒng)的小型化的需要。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? 3． Windows CE ? Windows CE是一個(gè)基于優(yōu)先級的多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，提供了256個(gè)優(yōu)先級別，基本內(nèi)核需要至少 200KB的 ROM，支持Win32API子集、支持多種用戶界面硬件、支持多種串行和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。其中：內(nèi)核模塊支持進(jìn)程和線程處理及內(nèi)存管理等基本服務(wù)。通信模塊允許同其他的設(shè)備進(jìn)行信息交換。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 μC/OSII內(nèi)核提供最基本的系統(tǒng)服務(wù)，例如信號量、郵箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、中斷管理等。 ?C/OSII并不是一個(gè)商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但 ?C/OSII的穩(wěn)定性和實(shí)用性卻被數(shù)百個(gè)商業(yè)級的應(yīng)用所驗(yàn)證， ?C/O SII不已在眾多的商業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。 ? 1．單道程序設(shè)計(jì)類型 ? 采用單道程序設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)在任何時(shí)候只能有一個(gè)程序在運(yùn)行。如圖，首先執(zhí)行程序甲，從 t0時(shí)刻開始，到 t6時(shí)刻結(jié)束。 ? 在多道程序設(shè)計(jì)的環(huán)境下，允許多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)程序在訪問 I/O設(shè)備時(shí)，會主動把 CPU交出來，讓另一個(gè)程序去運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)資源的使用效率。在到達(dá) t2時(shí)刻后，乙釋放剛剛占用的 I/O設(shè)備，交給程序甲去使用。這樣一直進(jìn)行下去，在 t7時(shí)刻，甲執(zhí)行完畢，在 t8時(shí)刻，乙也執(zhí)行完畢。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 37 、線程和任務(wù) ? 1．進(jìn)程 ? 進(jìn)程（ process）是在描述多道系統(tǒng)中并發(fā)活動過程引入的一個(gè)概念。程序是靜態(tài)的，而進(jìn)程是一個(gè)動態(tài)的，變化的。而進(jìn)程則是一次執(zhí)行過程，它是暫時(shí)的，是動態(tài)地產(chǎn)生和終止的。 ? 一組系統(tǒng)資源：包括操作系統(tǒng)用來管理進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、進(jìn)程的內(nèi)存地址空間、進(jìn)程正在使用的文件等。進(jìn)程具有并發(fā)性，在系統(tǒng)中同時(shí)有多個(gè)進(jìn)程存在，它們相互獨(dú)立地運(yùn)行。 ? 從資源組合的角度來看，進(jìn)程把一組相關(guān)的資源組合起來，構(gòu)成了一個(gè)資源平臺（資源環(huán)境），其中包括運(yùn)行上下文、內(nèi)存地址空間、打開的文件等，在圖 。可以用線程來作為 CPU的基本調(diào)度單位，使得各個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 41 ? 3．任務(wù) ? 在一些嵌入式系統(tǒng)中，把能夠獨(dú)立運(yùn)行的實(shí)體稱為 “ 任務(wù) ”（ task），并沒有使用 “ 進(jìn)程 ” 或 “ 線程 ” 這兩個(gè)概念。對于不同的任務(wù)，它們也能夠訪問相同的全局變量，在這些任務(wù)之間，可以很方便地、直接地去使用共享的內(nèi)存，而不需要經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)核來進(jìn)行通信。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 42 ? 1．任務(wù)的層次結(jié)構(gòu) ? 任務(wù)的層次結(jié)構(gòu)如圖 。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 44 ? ? （ 1）任務(wù)的創(chuàng)建 ? 在一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)中，在系統(tǒng)初始化、任務(wù)運(yùn)行過程中、人機(jī)交互等過程中都可以創(chuàng)建任務(wù)。 ? 創(chuàng)建任務(wù)的基本方法是在一個(gè)已經(jīng)存在的任務(wù)當(dāng)中，通過調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)函數(shù)來創(chuàng)建一個(gè)新的任務(wù)。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 45 ? 兩種模型創(chuàng)建任務(wù)的過程非常相似，包括為新任務(wù)分配相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存放各種管理信息，分配內(nèi)存空間，存放任務(wù)的代碼和數(shù)據(jù)。而 spawn模型在創(chuàng)建新任務(wù)的時(shí)，直接為它分配一個(gè)全新的地址空間，然后將新任務(wù)的代碼裝入并運(yùn)行。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。一般來說，任務(wù)具有運(yùn)行（ running）、就緒（ ready）和阻塞（ blocked）三種基本狀態(tài)。不過，只要把 CPU分給該任務(wù)，它就能夠立刻執(zhí)行。 ? 如圖 ，在一定條件下，任務(wù)會在不同的狀態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，存在運(yùn)行 → 阻塞、運(yùn)行 → 就緒、就緒 → 運(yùn)行、阻塞 → 就緒四種轉(zhuǎn)換關(guān)系。利用 TCB這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以描述任務(wù)的基本情況，以及它的運(yùn)行變化過程。 TCB主要包括任務(wù)的管理信息、 CPU上下文信息、資源管理信息等內(nèi)容。在實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)中， CPU上下文信息不一定直接存放在 TCB當(dāng)中，而是存放在任務(wù)的棧當(dāng)中，可以通過相應(yīng)的棧指針來訪問。 ? 任務(wù)切換通常包含有以下幾個(gè)基本步驟： ? （ 1）將處理器的運(yùn)行上下文保存在當(dāng)前任務(wù)的 TCB中； ? （ 2）更新當(dāng)前任務(wù)的狀態(tài)，從運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)或阻塞狀態(tài)。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。例如，處于運(yùn)行狀態(tài)的所有任務(wù)構(gòu)成了運(yùn)行隊(duì)列，處于就緒狀態(tài)的所有任務(wù)構(gòu)成了就緒隊(duì)列，而對于處于阻塞狀態(tài)的任務(wù)，則要根據(jù)它們阻塞的原因，分別構(gòu)成相應(yīng)的阻塞隊(duì)列。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? 一般來說，在一個(gè)新的任務(wù)被創(chuàng)建時(shí)、在一個(gè)任務(wù)運(yùn)行結(jié)束時(shí)、在一個(gè)任務(wù)由于 I/O操作、信號量或其他原因被阻塞時(shí)、在一個(gè)I/O中斷發(fā)生時(shí)、在一個(gè)時(shí)鐘中斷發(fā)生時(shí)這五種調(diào)度時(shí)機(jī)都可能會發(fā)生任務(wù)的調(diào)度。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)大都采用可搶占的調(diào)度方式。而對于發(fā)生的各種中斷，并不會去調(diào)用調(diào)度程序，而是在中斷處理完成后，又會回到剛才被打斷的任務(wù)中繼續(xù)執(zhí)行。 ? ● 一個(gè)任務(wù)從提交到完成所經(jīng)歷的時(shí)間稱為周轉(zhuǎn)時(shí)間（ turnaround time ）。另外，要防止饑餓（ starvation）情況出現(xiàn)，即某一個(gè)任務(wù)始終得不到處理器去運(yùn)行。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? FCFS的最大優(yōu)點(diǎn)就是簡單，易于理解也易于實(shí)現(xiàn)。可以證明，對于一批同時(shí)到達(dá)的任務(wù)，采用 SJF算法將得到一個(gè)最小的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間。這種方法也稱為 SRTF（ Shortest Remaining Time First，最短剩余時(shí)間優(yōu)先算法） 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。在 RR（ Round Robin，時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法）中，把系統(tǒng)當(dāng)中的所有就緒任務(wù)按照先來先服務(wù)的原則進(jìn)行排列，然后，在每次調(diào)度的時(shí)候，處理器分派給隊(duì)列當(dāng)中的第一個(gè)任務(wù)一小段 CPU執(zhí)行時(shí)間（ time slice，時(shí)間片）。 ? 采用 RR算法時(shí)，時(shí)間片 q既不能太大，也不能太小。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 59 圖 RR算法示意圖 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。在可搶占方式中，當(dāng)一個(gè)任務(wù)正在運(yùn)行的時(shí)候，如果這時(shí)來了一個(gè)新的任務(wù)，其優(yōu)先級更高，則立即搶占 CPU去運(yùn)行這個(gè)新任務(wù)。動態(tài)優(yōu)先級方式在創(chuàng)建任務(wù)的時(shí)候確定任務(wù)的優(yōu)先級，但是該優(yōu)先級可以在任務(wù)的運(yùn)行過程中動態(tài)改變，以便獲得更好的調(diào)度性能。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 61 實(shí)時(shí)系統(tǒng)調(diào)度 ? 許多嵌入式操作系統(tǒng)都是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RTOS），實(shí)時(shí)系統(tǒng)的調(diào)度追求的是實(shí)時(shí)性， RTOS調(diào)度器要讓每個(gè)任務(wù)都在其最終時(shí)間期限（ deadline）之前完成，而各任務(wù)之間的公平性并不是最重要的指標(biāo)。 周期 （ period）P（ i）是指第 i個(gè)任務(wù)的連續(xù)兩次運(yùn)行之間的最小時(shí)間間隔。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? RMS算法的基本思路是任務(wù)的優(yōu)先級與它的周期表現(xiàn)為單調(diào)函數(shù)的關(guān)系， 任務(wù)的周期越短，優(yōu)先級越高 ；任務(wù)的周期越長，優(yōu)先級越低。另外，在一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)中，任務(wù)之間通常都需要進(jìn)行通信和同步。當(dāng)有一個(gè)新的任務(wù)處于就緒狀態(tài)時(shí)，各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級就有可能要進(jìn)行調(diào)整。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。而對一些實(shí)時(shí)性要求不高，可靠性要求比較高、比較復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)對操作系統(tǒng)或任務(wù)的保護(hù)，在存儲管理方式上就相對較為復(fù)雜。采用內(nèi)存保護(hù)機(jī)制的每個(gè)應(yīng)用程序都有自己獨(dú)立的地址空間，當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序要訪問某個(gè)內(nèi)存單元時(shí)，由硬件檢查該地址是否在限定的地址空間內(nèi)，如果不是的話就要進(jìn)行地址越界處理；二是防對于允許多個(gè)應(yīng)用程序共享的某塊存儲區(qū)域，每個(gè)應(yīng)用程序都有自己的訪問權(quán)限，如果違反了權(quán)限規(guī)定，則要進(jìn)行操作越權(quán)處理。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。其中： .text：（代碼段）用來存放操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的 所有代碼 。棧用來保存運(yùn)行上下文以及函數(shù)調(diào)用時(shí)的 局部變量和運(yùn)行參數(shù) 。 ? 2．保護(hù)模式存儲管理 ? 在保護(hù)模式存儲管理方式中， 微處理器必須具有 MMU硬件 并啟用它。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 69 ? 分區(qū)存儲管理適合在多道程序操作系統(tǒng)中應(yīng)用。為了滿足不同程序的存儲需要，各個(gè)分區(qū)的大小可以是相等的，也可以是不相等的。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 70 ? ? 采用可變分區(qū)存儲管理方法時(shí)，各分區(qū)不是預(yù)先劃分好的固定區(qū)域，而是系統(tǒng)動態(tài)創(chuàng)建的。 ? 與固定分區(qū)相比，可變分區(qū)存儲管理的分區(qū)的個(gè)數(shù)、位置和大小都是隨著任務(wù)的進(jìn)出而動態(tài)變化的，非常靈活。所謂的外碎片，就是在各個(gè)占用的分區(qū)之間，難以利用的一些空閑分區(qū)。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 71 ? 在內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)會維護(hù)一個(gè)分區(qū)鏈表，來跟蹤記錄每一個(gè)內(nèi)存分區(qū)的情況，包括該分區(qū)的狀態(tài)（已分配或空閑）、起始地址、長度等信息。通常的分區(qū)分配算法有：最先匹配法（ firstfit）、下次匹配法（ nextfit）、最佳匹配法 ( bestfit）和最壞匹配法（ worstfit）。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 72 ? 1．物理地址和邏輯地址 ? 地址映射涉及到物理地址和邏輯地址兩個(gè)基本概念。物理地址的集合就稱為物理地址空間，或者內(nèi)存地址空間。用戶的程序經(jīng)過匯編或編譯后形成目標(biāo)代碼，而這些目標(biāo)代碼通常采用的就是相對地址的形式，其首地址為 0，其余指令中的地址都是相對于這個(gè)首地址來編址的。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . am