課、嵌入式實時操作系統簡介(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 e( level )。 ?從該行代碼開始開中斷，結束內核互斥操作 } 36 提高內核實時性的方法－系統運行狀態 ? 許多嵌入式操作系統不劃分“系統空間”和“用戶空間”，如VxWorks、 RTEMS等，操作系統內核與外圍應用程序之間不再有物理的邊界，系統中“進程”實際上都是內核線程。 ? 操作系統、應用程序均運行在特權級別的優缺點： ? 優點：減少由于空間切換導致的執行開銷，提高實時性。 ? 缺陷：應用程序可破壞操作系統內核，導致系統崩潰。 操作系統內核 應用程序系統 Ring0：特權級 Ring1 Ring2 Ring3：用戶級 操作系統、應用程序 通用系統運行狀態 實時系統運行狀態 系統調用 陷入內核 37 ?不支持 虛擬存儲 ：如果采用虛存技術，一個實時任務執行的最壞情況是每次訪存都需要調頁，如此累計起來的該任務在最壞情況下的運行時間是不可預測的，因此實時性無法得到保證。許多嵌入式操作系統不直接支持虛擬存儲管理技術。 ?不支持 動態內存分配 ：由于動態內存分配具有時間及分配結果的不確定性，因而在 強實時型 系統（ OSEK）中采用靜態內存分配方法，即在系統初始化時，為每個實時任務劃分固定的內存區域，系統運行只使用內存，而不再分配內存和釋放內存。 提高內核實時性的方法－存儲管理機制 38 ? 資源有限等待 ：任務沒能獲得需要的資源會被阻塞。如果資源不是任務繼續運行必備的，任務可選擇有限等待該資源。 提高內核實時性的方法－任務互斥、同步 ? 優先級逆轉 問題解決 —搶占式任務調度中的資源競爭： 1997年 7月 4日，火星探路者在火星表面成功著陸并進行觀測，發回了各種火星表面全景圖，被大肆宣稱為“完美”。但是在著陸后的第 10天，也就是開始采集氣象資料后不久，探路者開始犯傻，反復無規律地重啟，每次重啟都造成了數據丟失，在每天的記者招待會上這都是記者們不會放過的最熱門的話題。 JPL（美國國家航空航天局噴氣推進實驗室）的工程師們花了相當多的時間在實驗室仿真，希望能夠再現引起重啟的情況。幾天過去了，一個清晨，幾乎所有的工程師都走了，只剩下最后一位 Mr. SoSo的時候，火星上那臺探路者兄弟身上發生的重啟情況終于被再現了。經過數據分析，得出了原因 ——優先級逆轉 。 39 提高內核實時性的方法 —— 優先級逆轉問題 ? 嵌入式實時操作系統 ——優先級逆轉現象 采用 優先級繼承 協議消除 40 ? 中斷嵌套處理 ：確保高優先級的中斷能及時處理。 ? 中斷服務層次化 ：對中斷的處理，不需要完全由中斷服務程序（ ISR）進行處理，采用 ISR與任務相結合的方法處理，如 eCos系統，分為兩個層次進行： ISR、中斷滯后服務程序 DSR。 ISR在響應中斷時立即調用， DSR由 ISR發出請求后調用。 提高內核實時性的方法－中斷處理 任務執行 ISR DSR ISR促使 DSR就緒 ISR退出 DSR參與調度 中斷請求 41 ? 可裁剪性 ：用以滿足不同復雜程度的應用需求。嵌入式環境資源配置及需求情況各異，一般只要求嵌入式操作系統的功能子集，因而需要裁剪掉部分功能，并保證功能的相對完整性。內核的可裁剪程度取決與模塊之間的耦合程度。 ? 裁剪方法 ：模塊級裁剪、函數級裁剪、代碼級裁剪 ? 一個最小的多任務嵌入式軟件包括： ? Bootloader ? 具有任務管理及定時功能的基本內核 ? 一個初始化任務 ? 可配置性 ：可根據應用需求，配置系統任務數目、調度算法、任務堆棧等。 嵌入式實時操作系統內核的可裁剪、可配置性 42 ? 裁剪 目標：內核 30K，現有內核 100K ? 模塊級裁剪：通過條件編譯，裁剪不需要的模塊，內核約 35K ? 函數級裁剪：裁剪未被引用的函數 ? 代碼級裁剪：修改代碼，如 ? 合并功能相似函數 ? 優化算法實現方法 ? 降低模塊耦合度，裁剪模塊 未被引用函數 嵌入式實時操作系統內核 裁剪 舉例－ VxWorks 內部引用函數 外部引用函數 43 ? 代碼級裁剪：降低模塊耦合度，裁剪模塊 嵌入式實時操作系統內核裁剪舉例－ VxWorks 任 務 管 理 和 調 度時 鐘 和 定 時 器類 管 理中 斷 和 異 常內 存 管 理信 號 量 子 模 塊 信 號 子 模 塊消 息 隊 列 子 模塊I / O 管 理 模塊內核模塊耦合性分析 44 ? 可靠性對于實時系統比非實時應用系統更為重要。 ? 嵌入式實時操作系統內核提供諸多機制進行保障：異步信號、定時器、異常處理、用戶擴展、內存保護等。 ? 典型內核可靠性增強技術： ? 內存釋放清理 ? 冗余內存分配 ? 內存冗余編碼 ? 內存保護增強 ? 看門狗支持增強 嵌入式實時操作系統內核的可靠性 45 ? 每一個嵌入式操作系統提供的應用編程接口（系統調用）的功能和種類都不相同，種類越多、功能越強越好。 ? 應用編程接口的標準化： ? POSIX(a Portable Operating System Interface based on Unix)實時系統標準， 、 ? 汽車電子標準： OSEK ? 航空電子標準： ARINC653（ APEX接口） ? 電氣電子標準： IEC61508 ? 信息家電規范： TKernel 嵌入式實時操作系統內核的應用編程接口 46 ? EAL/CC： CC安全評估是 1999年起效的一項國際安全標準，共分為 7級安全評估。 VxWorks、 Integrity均通過了 EAL6+認證。 ? DO178B/ED12B：美國航空無線電技術委員會（ RTCA）提出，被美國聯邦航空局 /歐洲航空管理部門接受的機載軟件適航認證。 VxWorks、 Integrity、 μC/OSII均得到 Level A認證。 ? OSEK/VDX：歐共體汽車產業聯盟規定的汽車電子嵌入式系統標準。風河的 MotoWorks、微軟的 Windows Automotive、Nucleus OSEK、 OSEKturbo均得到認證。 嵌入式實時操作系統的安全性認證 47 課程大綱 ? 嵌入式實時操作系統概況 ? 嵌入式實時操作系統特點 ? 嵌入式實時操作系統功能簡介 ? ARMLinux嵌入式操作系統內核實驗 48 嵌入式實時操作系統內核基本功能 ?嵌入式實時操作系統內核的基本功能 ? 實時多任務管理 ? 中斷與異常管理 ? 共享資源互斥管理 ? 多任務同步與互斥 ? 內存管理 ? 時鐘定時器管理 ? 電源管理 49 ?1970年，美國 UIUC大學的 、 Jane教授建立了RTSL（ real time system lab）實驗室。 ?1973年， 、 Layland在 ACM雜志上，提出并分析了單調速率調度算法（ Rate Monotonic， RM）和時限調度算法（ Deadline），開辟了實時系統搶占式任務調度算法、可調度性分析領域的先河。 實時內核基本功能－任務調度 50 ?在實時任務搶占式調度算法中，根據任務的優先級確定時機，實時任務調度算法可分為靜態調度和動態調度兩類。 實時內核基本功能－實時任務調度算法分類 實時任務 調度算法 靜態調度算法 動態調度算法 執行時間相關 任務周期相關 任務 CPU使用率 任務緊急程度 截止時間優先（ EDF） 最小松弛度優先（ LLF） 51 ? 單調速率調度算法（ 、 Layland； ACM， 1973 ） ? 現代實時系統任務調度的理論基礎 ? 最佳的靜態調度算法 ? 算法建立在下述假設基礎上 ?所有任務都是周期任務 ?每個任務執行截止期等于該任務的周期 ?每個任務在周期中，執行時間固定，保持常量 ?任務之間不通信，也不同步 ?任務可以在任何位置被搶占，不存在臨界區 不可調度：指某一個任務在周期內無法完成任務，即： 任務的執行結束時間 任務的截止期 實時內核基本功能－任務調度經典算法舉例 52 ? 不可調度情況舉例 ? 假設系統存在任務、執行時間及運行周期如下 實時內核基本功能－任務調度經典算法舉例 任務 執行時間 周期 優先級 T1 1 2 1 T2 1 4 2 T3 3 8 3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 T1 T2 T3 超周期 53 ? RM算法規定：任務的優先級與任務的周期表現為單調函數，任務周期越短，優先級越高。 ? 對 RM算法研究的貢獻在于 ? 提出了 臨界時間 概念，用于判定調度過程中的最壞情況； ? 證明了 RM算法是靜態調度算法中的 最優性