嵌入式系統軟件及操作系統基礎(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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。 Windows CE不是一個硬實時系統。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 32 ? Windows CE主要包含內核模塊、內核系統調用接口模塊、文件系統模塊、圖形窗口和事件子系統模塊和通信模塊五個功能模塊。其中：內核模塊支持進程和線程處理及內存管理等基本服務。內核系統調用接口模塊允許應用軟件訪問操作系統提供的服務。文件系統模塊支持 DOS等格式的文件系統。圖形窗口和事件子系統模塊控制圖形顯示，并提供 Windows GUI圖形界面。通信模塊允許同其他的設備進行信息交換。 ? 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。熟悉 Windows操作系統的用戶可以很快地使用基于 Windows CE的嵌入式設備。另外，微軟公司提供了Visual 、 Embedded Visual C++、 Embedded Visual Basic等一組功能強大的應用程序開發工具，專門用于對 Windows CE操作系統的開發。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 33 ? 4． ?C/OSII ? ?C/OSII是一種免費、開放源代碼、結構小巧、基于可搶占優先級調度的實時操作系統，其內核提供任務調度與管理、時間管理、任務間同步與通信、內存管理和中斷服務等功能。名稱 ?C/OSII來源于術語 MicroController Operating System（微控制器操作系統），它通常也稱為 MUCOS或者 UCOS。 ? ?C/OSII內核在 2KB ～ 10KB數量級，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點，主要面向中小型嵌入式系統。 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。 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。?C/OSII具有良好的可移植性。 ?C/OSII的大部分代碼都是用 C語言寫成的，只有與處理器的硬件相關的一部分代碼采用匯編語言編寫。 ?C/OSII并不是一個商業實時操作系統，但 ?C/OSII的穩定性和實用性卻被數百個商業級的應用所驗證， ?C/O SII不已在眾多的商業領域中獲得了廣泛的應用。 ? ?C/OSII支持 ARM、 PowerPC、 MIPS、 68k/ColdFire和 x86等多種體系結構。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 34 嵌入式系統的任務管理 ? 單道程序設計和多道程序設計 ? 嵌入式操作系統可以分為單道程序設計和多道程序設計（ muftiprogramming）兩種類型。 ? 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。 ? 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。如圖 ，圖中我們采用不同的方框來表示這兩個程序對兩種資源的使用情況，方框的長度表示使用的時間。 ? 在單道程序設計的環境下，在任何時候，系統中只能有一個程序在運行，因此，甲和乙這兩個程序只能一個接一個的執行。如圖，首先執行程序甲，從 t0時刻開始，到 t6時刻結束。然后再執行程序乙，從 t6時刻開始，一直到它所有的工作都已完成。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 35 ? 2. 多道程序設計類型 ? 采用多道程序設計的操作系統允許多個程序同時存在并運行，采用多道程序技術可以有效提高系統資源的利用率。 ? 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。如圖 ，從 t0到 t1，甲在使用 I/O設備，乙處于等待狀態。在到達了 t1時刻后，甲釋放剛剛占用的 I/O設備，交給程序乙去使用。因此，在 t1到 t2期間，程序甲在使用 CPU，程序乙在使用 I/O設備。在到達 t2時刻后，乙釋放剛剛占用的 I/O設備，交給程序甲去使用。因此，在 t2到 t3期間，甲和乙兩個程序相互交換資源，繼續執行。同樣的情形也發生在t3時刻和 t4時刻。但是在 t5時刻，甲已經使用完了 I/O設備，而乙仍然在使用 CPU，所以甲只能處于等待狀態，等到 t6時刻再交換資源。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。 ? 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。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 36 圖 單道程序與多道程序的運行過程 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 37 、線程和任務 ? 1．進程 ? 進程（ process）是在描述多道系統中并發活動過程引入的一個概念。進程和程序是兩個既有聯系又有區別的概念，兩者不能混為一談。例如：一個程序主要由代碼和數據兩部分內容組成。而進程是正在執行的程序，它是由程序和該程序的運行上下文兩部分內容組成。程序是靜態的，而進程是一個動態的，變化的。進程和程序之間并不是一一對應的。一個進程在運行的時候可以啟動一個或多個程序，同一個程序也可能由多個進程同時執行。程序可以以文件的形式存放在硬盤或光盤上，作為一種軟件資源長期保存。而進程則是一次執行過程，它是暫時的，是動態地產生和終止的。 ? 一個進程通常包含有以下幾個方面的內容： ? 相應的程序：進程是一個正在運行的程序，有相應程序的代碼和數據。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 38 ? CPU上下文：程序在運行時， CPU中含有 PC（ Program Counter，程序計數器）、 PSW（ Program Status Word, 程序狀態字）、通用寄存器、段寄存器、棧指針寄存器等各種寄存器的當前值內容，例如：在 PC中記錄的將要取出的指令的地址，在PSW中用于記錄處理器的運行狀態信息，通用寄存器存放的數據或地址；段寄存器存放的程序中各個段的地址；棧指針寄存器記錄的棧頂的當前位置。 ? 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。 ? 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。進程具有動態性，進程是一個正在運行的程序，程序的運行狀態都在不斷地變化，如 PC寄存器的值、堆和棧的內容、通用寄存器存放數據和地址等。進程具有獨立性，一個進程是一個獨立的實體，占有計算機的系統資源，每個進程都有自己的運行上下文和內部狀態，在它運行的時候獨立于其他的進程。進程具有并發性，在系統中同時有多個進程存在，它們相互獨立地運行。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 39 ? 2．線程 ? 線程（ thread）是一個比進程更小的能獨立運行的基本單位。所謂的線程，就是進程當中的一條執行流程。 ? 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 。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。從圖 ，可以把進程看成是程序代碼在這個資源平臺上的一條執行流程（線程），也就是可以認為進程等于線程加上資源平臺。 ? 如圖 ，在一個進程當中，或者說在一個資源平臺上，可以同時存在多個線程。可以用線程來作為 CPU的基本調度單位，使得各個線程之間可以并發執行。對于同一個進程當中的各個線程來說，運行在相同的資源平臺上，可以共享該進程的大部分資源（如內存地址空間、代碼、數據、文件等），但也有一小部分資源是不能共享的，每個線程都必須擁有各自獨立的一份（如CPU運行上下文（如 PC寄存器、 PSW寄存器、通用寄存器和棧指針等）和棧）。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 40 圖 線程與進程的資源關系 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 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。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。 ? 在任務的創建過程需要定義的主要參數有任務的優先級、?？臻g的大小和函數名。任務具有獨立的優先級和棧空間， CPU上下文一般也是存放在棧空間中。對于不同的任務，它們也能夠訪問相同的全局變量，在這些任務之間，可以很方便地、直接地去使用共享的內存，而不需要經過系統內核來進行通信。 ? 通常認為，在嵌入式操作系統中 “ 任務 ” 就是線程，如在VxWorks、 181。C/OSII、 Jbed、嵌入式 Linux等嵌入式操作系統中。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 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 。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。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 43 圖 任務的層次結構 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 44 ? ? （ 1）任務的創建 ? 在一個嵌入式操作系統中，在系統初始化、任務運行過程中、人機交互等過程中都可以創建任務。 ? 在系統初始化時，一般都會創建系統與用戶進行交互的一些前臺任務，以及完成鍵盤掃描、系統狀態檢測、時間統計等一些特定功能的后臺任務。在任務運行過程中，也能夠使用相應的系統調用來創建新的任務，以幫助它完成自己的工作。在一些具有交互功能的嵌入式系統中，用戶可以通過輸入命令或單擊圖標的方式，讓系統啟動一個新的任務。 ? 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。 ? 在嵌入式操作系統當中，任務的創建主要采用 fork/exec和 spawn兩種模型。 fork/exec模型源于 IEEE/ISO POSIX ，而spawn模型是從它派生出來的。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 45 ? 兩種模型創建任務的過程非常相似，包括為新任務分配相應的數據結構，存放各種管理信息，分配內存空間，存放任務的代碼和數據。當這個新任務準備就緒后，就可以啟動它運行了。 ? 在 fork/exec模型，首先調用 fork函數為新任務創建一份與父任務完全相同的內存空間，然后再調用 exec函數裝入新任務的代碼，并用它來覆蓋原有的屬于父任務的內容。對于新創建的子任務來說，它可以從父任務那里繼承代碼、數據等各種屬性。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。 ? （ 2）任務的終止 ? 任務的終止可能有多種原因，正常退出、錯誤退出、被其他任務踢出等情況可以使任務終止。 ? 當一個任務完成了所有的工作，需要結束運行，提出退出要求，稱為正常退出。 ? 當一個任務在執行過程中，出現了致命的錯誤（例如執行了非法指令、內存訪問錯誤等），系統中止該任務的運行，強制性地讓該任務退出，稱為錯誤退出。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 46 ? 在一些操作系統中可以提供一些系統調用函數，用來把一個任務從系統中清除出局，稱為被其他任務踢出。 ? 在一些嵌入式系統中，某些任務被設計為 “ 死循環 ” 的模式，任務不會自行終止。 ? 3．任務的狀態