嵌入式系統軟件及操作系統基礎(更新版)

　　

【正文】 fork/exec和 spawn兩種模型。在多道程序的嵌入式操作系統中，同時存在著多個任務，嵌入式內核啟動時，只有一個任務存在，然后由該任務派生出其他所有任務，這些任務采用層狀結構，存在著父子關系。任務到底是進程還是線程，在研究一個具體的嵌入式操作系統的時候，要注意加以區分。從程序運行的角度來看，進程就是一個正在運行的程序，在圖 一條帶有箭頭的線段來表示。 ? 總而言之，進程包含了正在運行的一個程序的所有狀態信息。進程和程序之間并不是一一對應的。 ? 從圖 ，由于 CPU和 I/O設備的使用是并行進行的，在總的執行時間上要明顯少于單道程序系統。如圖 ，從 t0到 t1，甲在使用 I/O設備，乙處于等待狀態。 ? 例如：有兩個程序甲和乙，它們在運行過程中都要用到 CPU和 I/O設備。 μC/OSII內核本身并不支持文件系統，但它具有良好的擴展性能，可以根據需要自行加入。 ? Windows CE操作系統集成了大量的 Windows XP Professional的特性，能提供與 PC機類似的桌面、任務欄、窗口、圖標、控件等圖形界面和各種應用程序。 Windows CE不是一個硬實時系統。 ? ● 具有完善的網絡通信和文件管理機制，支持所有標準的Inter網絡協議，支持 ext2， ? fat16, fat32, romfs等文件系統。與 ANSI C兼容的 I/O系統包括 UNIX標準的緩沖 I/O和 POSIX標準的異步 I/O。 圖 微內核結構 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。典型代表有 MSDOS，其結構就是一個有代表性的、組織良好的分層結構。 ? （ 1）單體結構 ? 單體結構是一種常見的組織結構，嵌入式 Linux操作系統、 Jbed RTOS、 181。 Tech. 電子信息工程學院 23 ? 2．按響應時間分類 ? 按照系統對響應時間的敏感程度， EOS可以分為 RTOS（ Real Time Operating Systems ，實時操作系統）和非實時操作系統兩大類：。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。軟件開發在這個編程接口的上進行，而不直接與機器硬件層打交道。近年來，中間件技術也被引入到嵌入式系統的設計中，并與實時多任務操作系統緊密結合。 ? 設備驅動程序通常可以完成一些特定的功能，這些功能一般采用函數的形式來實現，這些函數有分層結構和混合結構兩種組織結構形式。 ? （ 2）板級初始化 ? 板級初始化是一個同時包含有 軟件和硬件在內的初始化過程 ，通過正確地設置各種寄存器的內容來完成微處理器以外的其他硬件設備的初始化。通過這段程序，初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環境設置到一個合適的狀態，以便為最終調用操作系統內核做好準備。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。利用商業軟件提供的多任務調試環境，可大大提高系統軟件的開發效率，降低開發成本，縮短開發周期。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。缺乏硬件上的 時間控制機制 ，無法實現定時功能。 ? 無操作系統的嵌入式軟件主要采用循環輪轉和中斷（前后臺）兩種實現方式。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 3 ? （ 2）開發難度大 ? 嵌入式系統由于硬件資源的有限，使得嵌入式軟件在時間和空間上都受到嚴格的限制，需要開發人員對編程語言、編譯器和操作系統有深刻的了解，才有可能開發出運行速度快、存儲空間少、維護成本低的軟件。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? （ 4）軟件固化存儲 ? 為了提高系統的啟動速度、執行速度和可靠性，嵌入式系統中的軟件一般都固化在存儲器芯片或微處理器中。 Tech. 電子信息工程學院 6 嵌入式軟件的體系結構 ? 1．無操作系統的嵌入式軟件 ? 早期在嵌入式系統的應用范圍主要集中在控制領域，硬件的配置比較低，嵌入式軟件的設計主要是以應用為核心，應用軟件直接建立在硬件上，沒有專門的操作系統，軟件的規模也很小。 ? 循環輪轉方式的 缺點是程序必須按順序執行 ，無法處理異步事件，缺乏并行處理的能力。而一些對實時性有要求的操作通常由中斷服務程序來完成， 大多數的中斷服務程序只做一些最基本的操作 ，如標記中斷事件的發生等，其余的事情會延遲到后臺程序去完成。 Tech. 電子信息工程學院 10 ? 在嵌入式操作系統環境下，開發一個復雜的應用程序，通常可以按照軟件工程的思想，將整個程序分解為多個任務模塊，每個任務模塊的調試、修改幾乎不影響其他模塊。最上層是網絡瀏覽器、MP3播放器、文本編輯器、電子郵件客戶端、電子游戲等各種應用軟件，實現嵌入式系統的功能。 BSP把嵌入式操作系統與具體的硬件平臺隔離開來。 Tech. 電子信息工程學院 15 ? 2． BootLoader ? BootLoader（引導加載程序）是在操作系統內核運行之前運行的一小段程序。片級初始化主要完成設置微處理器的核心寄存器和控制寄存器、微處理器的核心工作模式及其局部總線模式等初始化。但大多數的設備驅動程序都具有硬件啟動（初始化）、硬件關閉（關機）、硬件停用（暫停）、硬件啟用（重新啟用）、讀操作（讀取數據）、寫操作（寫入數據）等基本功能。 Tech. 電子信息工程學院 19 嵌入式中間件 ? 中間件是一種軟件平臺技術 ，在銀行、證券、電信等行業的大型計算機應用系統中廣泛應用。 Tech. 電子信息工程學院 20 ? ? 在嵌入式系統中工作的操作系統稱為 EOS（ Embedded Operating System，嵌入式操作系統）， EOS的基本功能主要體現在以下兩個方面： ? 1． 構成一個易于編程的虛擬機平臺 ? EOS構成一個虛擬機平臺， EOS把底層的硬件細節封裝起來，為運行在它上面的軟件（如中間件軟件和各種應用軟件）提供了一個抽象的編程接口。 ? 注意：不同的嵌入式系統的 EOS所包含的組件可能各不相同，內核設計也可能各不相同的，完全取決于系統的設計以及實際的應用需求 。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 24 ? 3．按軟件結構分類 ? 按照軟件的體系結構， EOS可以分為單體結構、分層結構和微內核結構三大類，如 ～ 。分層結構要求在每個層次上都要提供一組 API接口函數，增加了系統的額外開銷，但系統的開發和維護較為簡單。 Tech. 電子信息工程學院 27 ? OS C Executive、 VxWorks， CMXRTX、 Nucleus Plus和 QNX等 EOS采用的都是微內核結構。其中： ? 實時微內核 Wind包括 基于優先級的任務調度、任務間的通信、同步和互斥、中斷處理、定時器和內存管理機制等功能 。常見的嵌入式 Linux有 μClinux、 RTLinux、 Embedix和 Hard Hat Linux等，具有如下特點： ? ● 具有高性能、可裁剪的內核，其獨特的模塊機制使用戶可以根據自己的需要，實時地將某些模塊插入到內核或從內核中移走，很適合于嵌入式系統的小型化的需要。 ? 3． Windows CE ? Windows CE是一個基于優先級的多任務嵌入式操作系統，提供了256個優先級別，基本內核需要至少 200KB的 ROM，支持Win32API子集、支持多種用戶界面硬件、支持多種串行和網絡通信技術。通信模塊允許同其他的設備進行信息交換。 μC/OSII內核提供最基本的系統服務，例如信號量、郵箱、消息隊列、內存管理、中斷管理等。 ? 1．單道程序設計類型 ? 采用單道程序設計的操作系統在任何時候只能有一個程序在運行。 ? 在多道程序設計的環境下，允許多個程序同時運行，當一個程序在訪問 I/O設備時，會主動把 CPU交出來，讓另一個程序去運行，從而提高系統資源的使用效率。這樣一直進行下去，在 t7時刻，甲執行完畢，在 t8時刻，乙也執行完畢。程序是靜態的，而進程是一個動態的，變化的。 ? 一組系統資源：包括操作系統用來管理進程的數據結構、進程的內存地址空間、進程正在使用的文件等。 ? 從資源組合的角度來看，進程把一組相關的資源組合起來，構成了一個資源平臺（資源環境），其中包括運行上下文、內存地址空間、打開的文件等，在圖 。 Tech. 電子信息工程學院 41 ? 3．任務 ? 在一些嵌入式系統中，把能夠獨立運行的實體稱為 “ 任務 ”（ task），并沒有使用 “ 進程 ” 或 “ 線程 ” 這兩個概念。 Tech. 電子信息工程學院 42 ? 1．任務的層次結構 ? 任務的層次結構如圖 。 ? 創建任務的基本方法是在一個已經存在的任務當中，通過調用相應的系統函數來創建一個新的任務。而 spawn模型在創建新任務的時，直接為它分配一個全新的地址空間，然后將新任務的代碼裝入并運行。一般來說，任務具有運行（ running）、就緒（ ready）和阻塞（ blocked）三種基本狀態。 ? 如圖 ，在一定條件下，任務會在不同的狀態之間來回轉換，存在運行 → 阻塞、運行 → 就緒、就緒 → 運行、阻塞 → 就緒四種轉換關系。 TCB主要包括任務的管理信息、 CPU上下文信息、資源管理信息等內容。 ? 任務切換通常包含有以下幾個基本步驟： ? （ 1）將處理器的運行上下文保存在當前任務的 TCB中； ? （ 2）更新當前任務的狀態，從運行狀態變為就緒狀態或阻塞狀態。例如，處于運行狀態的所有任務構成了運行隊列，處于就緒狀態的所有任務構成了就緒隊列，而對于處于阻塞狀態的任務，則要根據它們阻塞的原因，分別構成相應的阻塞隊列。 ? 一般來說，在一個新的任務被創建時、在一個任務運行結束時、在一個任務由于 I/O操作、信號量或其他原因被阻塞時、在一個I/O中斷發生時、在一個時鐘中斷發生時這五種調度時機都可能會發生任務的調度。而對于發生的各種中斷，并不會去調用調度程序，而是在中斷處理完成后，又會回到剛才被打斷的任務中繼續執行。另外，要防止饑餓（ starvation）情況出現，即某一個任務始終得不到處理器去運行。 ? FCFS的最大優點就是簡單，易于理解也易于實現。這種方法也稱為 SRTF（ Shortest Remaining Time First，最短剩余時間優先算法） 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? 采用 RR算法時，時間片 q既不能太大，也不能太小。在可搶占方式中，當一個任務正在運行的時候，如果這時來了一個新的任務，其優先級更高，則立即搶占 CPU去運行這個新任務。 Tech. 電子信息工程學院 61 實時系統調度 ? 許多嵌入式操作系統都是實時操作系統（ RTOS），實時系統的調度追求的是實時性， RTOS調度器要讓每個任務都在其最終時間期限（ deadline）之前完成，而各任務之間的公平性并不是最重要的指標。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。另外，在一個實際的系統中，任務之間通常都需要進行通信和同步。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。采用內存保護機制的每個應用程序都有自己獨立的地址空間，當一個應用程序要訪問某個內存單元時，由硬件檢查該地址是否在限定的地址空間內，如果不是的話就要進行地址越界處理；二是防對于允許多個應用程序共享的某塊存儲區域，每個應用程序都有自己的訪問權限，如果違反了權限規定，則要進行操作越權處理。其中： .text：（代碼段）用來存放操作系統和應用程序的 所有代碼 。 ? 2．保護模式存儲管理 ? 在保護模式存儲管理方式中， 微處理器必須具有 MMU硬件 并啟用它。為了滿足不同程序的存儲需要，各個分區的大小可以是相等的，也可以是不相等的。 ? 與固定分區相比，可變分區存儲管理的分區的個數、位置和大小都是隨著任務的進出而動態變化的，非常靈活。 Tech. 電子信息工程學院 71 ? 在內存管理的數據結構上，系統會維護一個分區鏈表，來跟蹤記錄每一個內存分區的情況，包括該分區的狀態（已分配或空閑）、起始地址、長度等信息。 Tech. 電子信息工程學院 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基本概念。用戶的程序經過匯編或編譯后形成目標代碼，而這些目標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首地址來編址