嵌入式系統軟件及操作系統基礎-資料下載頁

　　

【正文】 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。 RTOS調度器多采用基于優先級的可搶占調度算法。 ? 1． RTOS任務模型 ? RTOS任務模型如圖 ，在 RTOS任務模型中，每一個任務用一個 三元組來表示（執行時間、周期、時間期限） 。其中： 執行時間 （ execution time） E（ i）是指對于第 i個任務，當它所需要的資源都己具備時，它的執行所需要的最長時間。 周期 （ period）P（ i）是指第 i個任務的連續兩次運行之間的最小時間間隔。 時間期限 （ deadline）是指 D（ i）第 i個任務所允許的最大響應時間（從任務啟動到運行結束所需的時間）。一般來說，一個任務的周期時間同時也是它的時間期限，因為該任務必須在它的下一個周期開始之前，完成此次運行。啟動時間 t（ i）是指第 i個任務的第 i次執行的開始時間。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 62 圖 RTOS任務模型 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 63 ? 2．單調速率調度算法（ Rate Monotonic Scheduling， RMS） ? RMS（ Rate Monotonic Scheduling，單調速率調度算法）是一種靜態優先級調度算法。 ? RMS算法假設：所有的任務都是周期性任務；任務的時間期限等于它的周期；任務在每個周期內的執行時間是一個常量；任務之間不進行通信，也不需要同步；任務可以在任何位置被搶占，不存在臨界區的問題。 ? RMS算法的基本思路是任務的優先級與它的周期表現為單調函數的關系， 任務的周期越短，優先級越高 ；任務的周期越長，優先級越低。 ? RMS算法是一種 最優調度算法 。如果存在一種基于靜態優先級的調度順序，使得每個任務都能在其期限時間內完成，那么 RMS算法總能找到這樣的一種可行的調度方案。 ? 在任務比較多的情況下， RMS可調度的 CPU使用率上限 為 ln2＝， CPU使用率如此低，對于大多數系統來說是不可接受的。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。 Tech. 電子信息工程學院 64 ? 3．最早期限優先算法（ Earliest Deadline First， EDF） ? EDF（ Earliest Deadline First，最早期限優先）調度算法是一種動態優先級調度算法。 ? EDF算法的基本思路是：根據任務的截止時間來確定其優先級，對于時間期限最近的任務，分配最高的優先級 。當有一個新的任務處于就緒狀態時，各個任務的優先級就有可能要進行調整。 ? EDF算法假設條件除了它不要求系統中的任務都必須是周期任務外，其他的假設條件與 RMS相同。 ? EDF算法可調度上限為 100％。對于給定的一組任務，只要它們的CPU使用率小于或等于 1， EDF就能找到合適的調度順序 ，使得每個任務都能在自己的時間期限內完成。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 65 嵌入式系統的存儲管理 ? ? 嵌入式系統的存儲管理方式與系統的實際應用領域及硬件環境密切相關，不同的嵌入式系統采用不同的存儲管理方式，需要 考慮硬件條件、實時性要求、系統規模、可靠性要求等因素 。 系統的實時性要求直接影響到存儲管理的實現方式 ，為了確保系統的實時性，快速和確定是內存管理的基本要求，即在存儲管理方面的開銷不能太大，對于每一項工作都要有明確的實時約束，即必須在某個限定的時刻之前完成。在 實時系統中，存儲管理方法就比較簡單 ，甚至不提供存儲管理功能。而對一些實時性要求不高，可靠性要求比較高、比較復雜的應用系統，需要實現對操作系統或任務的保護，在存儲管理方式上就相對較為復雜。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 66 ? 在嵌入式微處理器中， MMU（ Memory Management Unit, 存儲管理單元）提供了一種內存保護的硬件機制 。內存保護用來防止地址越界和防止操作越權。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。 ? 操作系統通常 利用 MMU來實現系統內核與應用程序的隔離，以及應用程序與應用程序之間的隔離。防止應用程序去破壞操作系統和其他應用程序的代碼和數據，防止應用程序對硬件的直接訪問。MMU通常只在一些對安全性和可靠性的要求比較高、系統比較復雜的嵌入式系統中存在。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 67 ? 實模式和保護模式是嵌入式操作系統中常見的兩個存儲管理方式。 ? 1．實模式存儲管理 ? 在實模式存儲管理方式中，系統不使用 MMU；不劃分 “ 系統空間 ” 和“ 用戶空間 ” ，整個系統只有一個地址空間，即物理內存地址空間；應用程序和系統程序都能直接對所有的內存單元進行隨意訪問，無須進行地址映射；操作系統的內核與外圍應用程序在編譯連接后，兩者通常被集成在同一個系統文件中；系統中的 “ 任務 ” 或 “ 進程 ” 均是內核線程，只有運行上下文和棧是獨享的，其他資源都是共享的。 ? 在實模式存儲管理方式中，系統的內存地址空間一般可以分為 text、 data、bss、堆、棧五個部分 。其中： .text：（代碼段）用來存放操作系統和應用程序的 所有代碼 。 .data：（數據段）用來存放操作系統和應用程序當中所有 帶有初始值的全局變量 。 .bss：用來存放操作系統和應用程序當中所有 未帶初始值的全局變量 。堆為 動態分配的內存空間 ，在系統運行時，可以通過類似于 malloc/free之類的函數來申請或釋放一段連續的內存空間。棧用來保存運行上下文以及函數調用時的 局部變量和運行參數 。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 68 ? 對于實時系統來說，實模式方案簡單、存儲管理的開銷確定，比較適合于規模較小、簡單和實時性要求較高的系統。其缺點是沒有存儲保護、安全性差，在應用程序中出現的任何一個小錯誤或蓄意攻擊都有可能導致整個系統的崩潰。 ? 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。 ? 在保護模式存儲管理方式中，系統內核和用戶程序有各自獨立的地址空間，操作系統和 MMU共同完成邏輯地址到物理地址的映射；每個應用程序只能訪問自己的地址空間，對于共享的內存區域，也必須按照規定的權限規則來訪問，具有存儲保護功能。 ? 保護模式存儲管理方式的安全性和可靠性較好，適合于規模較大、較復雜和實時性要求不太高的系統。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 69 ? 分區存儲管理適合在多道程序操作系統中應用。分區存儲管理把整個內存劃分為系統區和用戶區兩大區域，然后再把用戶區劃分為若干個分區，可以同時有多個任務在系統中運行，每個任務都有各自的地址空間。 ? 分區存儲管理又可以分為固定分區和可變分區兩類 。 ? 1．固定分區存儲管理 ? 采用固定分區存儲管理方法時，各個用戶分區的個數、位置和大小一旦確定后，就固定不變，不能再修改了。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。 ? 固定分區存儲管理方法的優點是易于實現，系統的開銷比較小，空閑空間的管理、內存的分配和回收算法都非常簡單。其缺點是內存的利用率不高，在任務所占用的分區內部未被利用的空間的碎片（內碎片）會造成很大的浪費；分區的總數是固定的，限制了并行執行的程序個數， N個分區最多只能有 N個任務在同時運行。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 70 ? ? 采用可變分區存儲管理方法時，各分區不是預先劃分好的固定區域，而是系統動態創建的。在系統生成后，操作系統會占用內存的一部分空間，通常放在內存地址的最低端，其余的空間則成為一個完整的大空閑區。在裝入一個程序時，系統將根據它的需求和內存空間的使用情況，從這個空閑區當中劃出一塊來，分配給它，當程序運行結束后會釋放所占用的存儲區域。系統通過對內存的分配和回收，將一個完整的空閑區劃分成若干個占用區和空閑區。 ? 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。每個分區都是按需分配的，分區的大小正好等于任務的大小。這樣就避免了在固定分區當中由于分區的大小不當所造成的內碎片，從而提高了內存的利用效率。但可變分區存儲管理也可能會存在外碎片。所謂的外碎片，就是在各個占用的分區之間，難以利用的一些空閑分區。外碎片通常是一些比較小的空閑分區。 ? 在具體實現可變分區存儲管理技術的時候，需要考慮內存管理的數據結構、內存的分配算法以及內存的回收算法三個方面的問題。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 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。 ? 在內存的分配算法上，當一個新任務來到時，需要為它尋找一個空閑分區，其大小必須大于或等于該任務的要求。若是大于要求，則將該分區分割成兩個小分區，其中一個分區為要求的大小并標記為 “ 占用 ” ，另一個分區為余下部分并標記為 “ 空閑 ” 。選擇分區的先后次序一般是從內存低端到高端。通常的分區分配算法有：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）。 ? 在內存的回收算法上，當一個任務運行結束，并釋放它所占用的分區后，如果該分區的左右鄰居也是空閑分區，則需要將它們合并為一個大的空閑分區。與此相對應，在分區鏈表上，也要將相應的鏈接節點進行合并，并對其內容進行更新。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 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。 ? （ 1）物理地址（ physical address） ? 物理地址也叫內存地址、絕對地址或實地址 。將系統內存分割成很多個大小相等的存儲單元，如字節或字，每個單元給它一個編號，這個編號就稱為物理地址。操作時只有通過物理地址，才能對內存單元進行直接訪問。物理地址的集合就稱為物理地址空間，或者內存地址空間。物理地址是一個一維的線性空間，例如，一個內存的大小為 256MB，那么它的內存地址空間是從 0x0到0x0FFFFFFF。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 73 ? （ 2）邏輯地址（ logical address） ? 邏輯地址也叫相對地址或虛地址 。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的。顯然，邏輯地址和物理地址是完全不同的，不能用邏輯地址來直接訪問內存單元。 ? 因此，為了保證 CPU在執行指令時可以正確地訪問存儲單元，系統在 裝入一個用戶程序后，需要將用戶程序中的邏輯地址轉換為運行時由機器直接尋址的物理地址 ，這個過程就稱為地址映射。只有把程序當中的邏輯地址轉換為物理地址，才能正常運行。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學院 74 ? 2. 地址映射方式 ? 地址映射是由存儲管理單元 MMU來完成的 。當一條指令在 CPU當中執行時，在需要訪問內存時， CPU就發送一個邏輯地址給 MMU，MMU負責把這個邏輯地址轉換為相應的物理地址，并根據這個物理地址去訪問內存。地址映射主要有靜態地址映射和動態地址映射兩種方式。