第8章嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)主講人：吳貴芳3/4/20231嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!8.1嵌入式軟件基礎(chǔ)8.1.1嵌入式軟件的特點(diǎn)應(yīng)用在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中的各種軟件統(tǒng)稱為嵌入式軟件，作為嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，目前嵌入式軟件的種類和規(guī)模都得到了極大的發(fā)展，形成了一個(gè)完整、獨(dú)立的體系。除了具有通用軟件的一般特性，同時(shí)還具有一些與嵌入式系統(tǒng)密切相關(guān)的特點(diǎn)，如：（l）規(guī)模較小在一般情況下，嵌入式系統(tǒng)的資源多是比較有限的，要求嵌入式軟件必須盡可能地精簡(jiǎn)，多數(shù)的嵌入式軟件都在幾MB以內(nèi)。2嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!（2）開(kāi)發(fā)難度大嵌入式系統(tǒng)由于硬件資源的有限，使得嵌入式軟件在時(shí)間和空間上都受到嚴(yán)格的限制，需要開(kāi)發(fā)人員對(duì)編程語(yǔ)言、編譯器和操作系統(tǒng)有深刻的了解，才有可能開(kāi)發(fā)出運(yùn)行速度快、存儲(chǔ)空間少、維護(hù)成本低的軟件。嵌入式軟件一般都要涉及到底層軟件的開(kāi)發(fā)，應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)也是直接基于操作系統(tǒng)的，這就要求開(kāi)發(fā)人員具有扎實(shí)的軟、硬件基礎(chǔ)，能靈活運(yùn)用不同的開(kāi)發(fā)手段和工具，具有較豐富的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。嵌入式軟件的運(yùn)行環(huán)境和開(kāi)發(fā)環(huán)境比PC機(jī)復(fù)雜，嵌入式軟件是在目標(biāo)系統(tǒng)上運(yùn)行的，而嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)工作則是在另外的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中進(jìn)行，當(dāng)應(yīng)用軟件調(diào)試無(wú)誤后，再把它放到目標(biāo)系統(tǒng)上去。3嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!8.1.2嵌入式軟件的分類1．系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件控制和管理嵌入式系統(tǒng)資源，為嵌入式應(yīng)用提供支持的各種軟件，如設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式中間件等。2．應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是嵌入式系統(tǒng)中的上層軟件，它定義了嵌入式設(shè)備的主要功能和用途，并負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行交互。應(yīng)用軟件是嵌入式系統(tǒng)功能的體現(xiàn)，如飛行控制軟件、手機(jī)軟件、MP3播放軟件、電子地圖軟件等，一般面向于特定的應(yīng)用領(lǐng)域，。3．支撐軟件支撐軟件指輔助軟件開(kāi)發(fā)的工具軟件，如系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)工具、在線仿真工具、交叉編譯器、源程序模擬器和配置管理工具等。在嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運(yùn)行在目標(biāo)平臺(tái)的（即嵌入式設(shè)備上），而對(duì)于各種軟件開(kāi)發(fā)工具來(lái)說(shuō)，它們大部分都運(yùn)行在開(kāi)發(fā)平臺(tái)（PC機(jī)）上，運(yùn)行Windows或Linux操作系統(tǒng)。4嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式的程序簡(jiǎn)單、直觀、開(kāi)銷小、可預(yù)測(cè)。軟件的開(kāi)發(fā)可以按照自頂向下、逐步求精的方式，將系統(tǒng)要完成的功能逐級(jí)劃分成若干個(gè)小的功能模塊進(jìn)行編程，最后組合在一起。循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式的軟件系統(tǒng)只有一條執(zhí)行流程和一個(gè)地址空間，不需要任務(wù)之間的調(diào)度和切換，其程序的代碼都是固定的，函數(shù)之間的調(diào)用關(guān)系也是明確的，整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行過(guò)程是可預(yù)測(cè)的。循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式的缺點(diǎn)是程序必須按順序執(zhí)行，無(wú)法處理異步事件，缺乏并行處理的能力。缺乏硬件上的時(shí)間控制機(jī)制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。5嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!2．有操作系統(tǒng)的嵌入式軟件從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，操作系統(tǒng)出現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)上。如今，嵌入式操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，尤其是在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得愈來(lái)愈重要。在應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，程序員不是直接面對(duì)嵌入式硬件設(shè)備，而是采用一些嵌入式軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上編寫程序。在控制系統(tǒng)中，采用前后臺(tái)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的軟件，在遇到強(qiáng)干擾時(shí)，可能會(huì)使應(yīng)用程序產(chǎn)生異常、出錯(cuò)，甚至死循環(huán)的現(xiàn)象，從而造成系統(tǒng)的崩潰。而采用嵌入式操作系統(tǒng)管理的系統(tǒng)，在遇到強(qiáng)干擾時(shí)，可能只會(huì)引起系統(tǒng)中的某一個(gè)進(jìn)程被破壞，但這可以通過(guò)系統(tǒng)的監(jiān)控進(jìn)程對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，系統(tǒng)具有自愈能力，不會(huì)造成系統(tǒng)崩潰。6嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!嵌入式軟件的體系結(jié)構(gòu)圖如圖8.1.2所示，最底層的是嵌入式硬件系統(tǒng)，包括嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器、鍵盤、LCD顯示器等輸入／輸出設(shè)備。在硬件層之上的是設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，它負(fù)責(zé)與硬件直接打交道，并為操作系統(tǒng)層軟件提供所需的驅(qū)動(dòng)支持。操作系統(tǒng)層可以分為基本部分和擴(kuò)展部分，基本部分是操作系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、存儲(chǔ)管理、時(shí)鐘管理和中斷管理等功能；擴(kuò)展部分為用戶提供網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)、圖形用戶界面GUI、數(shù)據(jù)庫(kù)等擴(kuò)展功能，擴(kuò)展部分的內(nèi)容可以根據(jù)系統(tǒng)的需要來(lái)進(jìn)行剪裁。在操作系統(tǒng)的上面是一些中間件軟件。最上層是網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的功能。7嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!8.1.4嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)層用來(lái)完成嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)備所需要的一些軟件初始化和管理。設(shè)備驅(qū)動(dòng)層直接對(duì)硬件進(jìn)行管理和控制，并為上層軟件提供所需的驅(qū)動(dòng)支持。1．板級(jí)支持包設(shè)備驅(qū)動(dòng)層也稱為BSP（BoardSupportPackage,板級(jí)支持包），在BSP中把所有與硬件相關(guān)的代碼都封裝起來(lái)，為操作系統(tǒng)提供一個(gè)虛擬的硬件平臺(tái)，操作系統(tǒng)運(yùn)行在這個(gè)虛擬的硬件平臺(tái)上。在BSP當(dāng)中，使用一組定義好的編程接口來(lái)與BSP進(jìn)行交互，并通過(guò)BSP來(lái)訪問(wèn)真正的硬件。在嵌入式系統(tǒng)中，BSP類似于PC系統(tǒng)中的BIOS和驅(qū)動(dòng)程序。BSP把嵌入式操作系統(tǒng)與具體的硬件平臺(tái)隔離開(kāi)來(lái)。8嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!2．BootLoaderBootLoader（引導(dǎo)加載程序）是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一小段程序。通過(guò)這段程序，初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境設(shè)置到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備。BootLoader用來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)。通常在系統(tǒng)上電或復(fù)位時(shí)，BootLoader程序從地址0x00000000處開(kāi)始執(zhí)行。BootLoader的功能與嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)直接相關(guān)，不同的CPU體系結(jié)構(gòu)和板級(jí)設(shè)備配置，BootLoader的功能不同。一般來(lái)說(shuō)，BootLoader主要包含片級(jí)初始化、板級(jí)初始化和加載內(nèi)核等一些基本功能。9嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!3．設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中，可以沒(méi)有操作系統(tǒng)，但設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是必不可少的。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一組庫(kù)函數(shù)，用來(lái)對(duì)硬件進(jìn)行初始化和管理，并向上層軟件提供訪問(wèn)接口。不同功能的硬件設(shè)備，它們的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是不同的。但大多數(shù)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都具有硬件啟動(dòng)（初始化）、硬件關(guān)閉（關(guān)機(jī)）、硬件停用（暫停）、硬件啟用（重新啟用）、讀操作（讀取數(shù)據(jù)）、寫操作（寫入數(shù)據(jù)）等基本功能。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通?？梢酝瓿梢恍┨囟ǖ墓δ?，這些功能一般采用函數(shù)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些函數(shù)有分層結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)兩種組織結(jié)構(gòu)形式。10嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!8.1.5嵌入式中間件中間件是一種軟件平臺(tái)技術(shù)，在銀行、證券、電信等行業(yè)的大型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，中間件技術(shù)也被引入到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，并與實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)緊密結(jié)合。利用中間件技術(shù)可以使用戶把精力集中到系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。嵌入式中間件是指不包括操作系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件在內(nèi)的所有系統(tǒng)軟件。嵌入式中間件把原本屬于應(yīng)用軟件層的一些通用的功能模塊抽取出來(lái)，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(tái)。嵌入式中間件可以分為消息中間件、對(duì)象中間件、遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用（RemoteProcedureCalls，RPC）、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)中間件、安全中間件等不同的類型。一些公司可提供嵌入式中間件集成解決方案，如Sun公司的嵌入式Java，微軟公司的.NETCompactFrame-work，OMG（ObjectManagementGroup）的嵌入式CORBA等。11嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!運(yùn)行在嵌入式環(huán)境中的EOS其目標(biāo)是為了完成某一項(xiàng)或有限項(xiàng)功能，而非通用型的操作系統(tǒng)，因此在性能和實(shí)時(shí)性方面有嚴(yán)格的限制，能耗、成本和可靠性通常是影響設(shè)計(jì)的重要因素，要求占用資源少，適合在有限存儲(chǔ)空間運(yùn)行，要求系統(tǒng)功能可以根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行剪裁、調(diào)整。所有的EOS都有一個(gè)內(nèi)核（kernel），內(nèi)核是系統(tǒng)當(dāng)中的一個(gè)組件，它包含了任務(wù)管理、存儲(chǔ)管理、輸入／輸出（I/O）設(shè)備管理和文件系統(tǒng)管理四個(gè)功能模塊。其中：●任務(wù)管理：對(duì)嵌入式系統(tǒng)中的運(yùn)行軟件進(jìn)行描述和管理，并完成處理機(jī)資源的分配與調(diào)度；●存儲(chǔ)管理：用來(lái)提高內(nèi)存的利用率，方便用戶的使用，并提供足夠的存儲(chǔ)空間；●I/O設(shè)備管理：方便設(shè)備的使用，提高CPU和輸入／輸出設(shè)備的利用率；●文件管理：解決文件資源的存儲(chǔ)、共享、保密和保護(hù)等問(wèn)題。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。12嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!2．按響應(yīng)時(shí)間分類按照系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的敏感程度，EOS可以分為RTOS（RealTimeOperatingSystems，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）和非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)兩大類：。RTOS對(duì)響應(yīng)時(shí)間有非常嚴(yán)格的要求，當(dāng)某一個(gè)外部事件或請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的任務(wù)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的處理。RTOS可以分為硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)兩種情形。（1）硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)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(huì)引起系統(tǒng)的崩潰或致命的錯(cuò)誤。（2）軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間有要求，如果響應(yīng)時(shí)間不能滿足，將需要支付能夠接受的額外代價(jià)。非實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間沒(méi)有嚴(yán)格的要求，各個(gè)進(jìn)程分享處理器，以獲得各自所需要的運(yùn)行時(shí)間。13嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!圖8.2.1單體結(jié)構(gòu)

圖8.2.2分層結(jié)構(gòu)

14嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!OS-9、CExecutive、VxWorks，CMX-RTX、NucleusPlus和QNX等EOS采用的都是微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。圖8.2.3微內(nèi)核結(jié)構(gòu)15嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!在VxWorks操作系統(tǒng)中，主要包含有實(shí)時(shí)微內(nèi)核Wind、I/O處理系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)處理模塊、虛擬內(nèi)存模塊VxVMI、板級(jí)支持包BSP等功能模塊。其中：實(shí)時(shí)微內(nèi)核Wind包括基于優(yōu)先級(jí)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。與ANSIC兼容的I/O系統(tǒng)包括UNIX標(biāo)準(zhǔn)的緩沖I/O和POSIX標(biāo)準(zhǔn)的異步I/O。文件系統(tǒng)主要包括與MS-DOS兼容的文件系統(tǒng)、與RT-11兼容的文件系統(tǒng)、RawDisk文件系統(tǒng)和SCSI磁帶設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)處理模塊能與如TCP/IP、NFS、UDP、SNMP、FTP等許多運(yùn)行其他協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。虛擬內(nèi)存模塊VxVMI主要用于對(duì)指定內(nèi)存區(qū)的保護(hù)，以加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。板級(jí)支持包BSP由初始化和驅(qū)動(dòng)程序兩部分組成，用來(lái)管理硬件的功能模塊，對(duì)各種板卡的硬件功能提供統(tǒng)一的接口。16嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!●支持x86、ARM、MIPS、Alpha、PowerPC等多種體系結(jié)構(gòu)，支持各種主流硬件設(shè)備和最新硬件技術(shù)?！駧缀趺恳环N通用程序在Linux上都能找到，具有豐富的軟件資源?！瘭藽linux主要針對(duì)沒(méi)有MMU的微處理器；RT-Linux是最早實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)支持的Linux版本；Embedix采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，方便系統(tǒng)剪裁；HardHatLinux是一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，可以針對(duì)硬件環(huán)境進(jìn)行配置，以獲得最佳的性能和最小的容量。3．WindowsCEWindowsCE是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，提供了256個(gè)優(yōu)先級(jí)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)。WindowsCE不是一個(gè)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。17嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!4．C/OS-IIC/OS-II是一種免費(fèi)、開(kāi)放源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、基于可搶占優(yōu)先級(jí)調(diào)度的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能。名稱C/OS-II來(lái)源于術(shù)語(yǔ)Micro-ControllerOperatingSystem（微控制器操作系統(tǒng)），它通常也稱為MUCOS或者UCOS。C/OS-II內(nèi)核在2KB～10KB數(shù)量級(jí)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，主要面向中小型嵌入式系統(tǒng)。μC/OS-II內(nèi)核提供最基本的系統(tǒng)服務(wù)，例如信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、中斷管理等。μC/OS-II內(nèi)核本身并不支持文件系統(tǒng)，但它具有良好的擴(kuò)展性能，可以根據(jù)需要自行加入。C/OS-II具有良好的可移植性。C/OS-II的大部分代碼都是用C語(yǔ)言寫成的，只有與處理器的硬件相關(guān)的一部分代碼采用匯編語(yǔ)言編寫。C/OS-II并不是一個(gè)商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但C/OS-II的穩(wěn)定性和實(shí)用性卻被數(shù)百個(gè)商業(yè)級(jí)的應(yīng)用所驗(yàn)證，C/OS-II不已在眾多的商業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。C/OS-II支持ARM、PowerPC、MIPS、68k/ColdFire和x86等多種體系結(jié)構(gòu)。18嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!2.多道程序設(shè)計(jì)類型采用多道程序設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)允許多個(gè)程序同時(shí)存在并運(yùn)行，采用多道程序技術(shù)可以有效提高系統(tǒng)資源的利用率。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(wèn)I/O設(shè)備時(shí)，會(huì)主動(dòng)把CPU交出來(lái)，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。如圖8.3.1所示，從t0到t1，甲在使用I/O設(shè)備，乙處于等待狀態(tài)。在到達(dá)了t1時(shí)刻后，甲釋放剛剛占用的I/O設(shè)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(shè)備。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。因此，在t2到t3期間，甲和乙兩個(gè)程序相互交換資源，繼續(xù)執(zhí)行。同樣的情形也發(fā)生在t3時(shí)刻和t4時(shí)刻。但是在t5時(shí)刻，甲已經(jīng)使用完了I/O設(shè)備，而乙仍然在使用CPU，所以甲只能處于等待狀態(tài)，等到t6時(shí)刻再交換資源。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。從圖8.3.1可見(jiàn)，由于CPU和I/O設(shè)備的使用是并行進(jìn)行的，在總的執(zhí)行時(shí)間上要明顯少于單道程序系統(tǒng)。19嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!8.3.2進(jìn)程、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(dòng)過(guò)程引入的一個(gè)概念。進(jìn)程和程序是兩個(gè)既有聯(lián)系又有區(qū)別的概念，兩者不能混為一談。例如：一個(gè)程序主要由代碼和數(shù)據(jù)兩部分內(nèi)容組成。而進(jìn)程是正在執(zhí)行的程序，它是由程序和該程序的運(yùn)行上下文兩部分內(nèi)容組成。程序是靜態(tài)的，而進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的，變化的。進(jìn)程和程序之間并不是一一對(duì)應(yīng)的。一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行的時(shí)候可以啟動(dòng)一個(gè)或多個(gè)程序，同一個(gè)程序也可能由多個(gè)進(jìn)程同時(shí)執(zhí)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(zhǎng)期保存。而進(jìn)程則是一次執(zhí)行過(guò)程，它是暫時(shí)的，是動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生和終止的。一個(gè)進(jìn)程通常包含有以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：相應(yīng)的程序：進(jìn)程是一個(gè)正在運(yùn)行的程序，有相應(yīng)程序的代碼和數(shù)據(jù)。20嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!2．線程線程（thread）是一個(gè)比進(jìn)程更小的能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位。所謂的線程，就是進(jìn)程當(dāng)中的一條執(zhí)行流程。從資源組合的角度來(lái)看，進(jìn)程把一組相關(guān)的資源組合起來(lái)，構(gòu)成了一個(gè)資源平臺(tái)（資源環(huán)境），其中包括運(yùn)行上下文、內(nèi)存地址空間、打開(kāi)的文件等，在圖8.3.2中用深色的方框來(lái)表示。從程序運(yùn)行的角度來(lái)看，進(jìn)程就是一個(gè)正在運(yùn)行的程序，在圖8.3.2中用一條帶有箭頭的線段來(lái)表示。從圖8.3.2可見(jiàn)，可以把進(jìn)程看成是程序代碼在這個(gè)資源平臺(tái)上的一條執(zhí)行流程（線程），也就是可以認(rèn)為進(jìn)程等于線程加上資源平臺(tái)。如圖8.3.2所示，在一個(gè)進(jìn)程當(dāng)中，或者說(shuō)在一個(gè)資源平臺(tái)上，可以同時(shí)存在多個(gè)線程。可以用線程來(lái)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。對(duì)于同一個(gè)進(jìn)程當(dāng)中的各個(gè)線程來(lái)說(shuō)，運(yùn)行在相同的資源平臺(tái)上，可以共享該進(jìn)程的大部分資源（如內(nèi)存地址空間、代碼、數(shù)據(jù)、文件等），但也有一小部分資源是不能共享的，每個(gè)線程都必須擁有各自獨(dú)立的一份（如CPU運(yùn)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）。21嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!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(méi)有使用“進(jìn)程”或“線程”這兩個(gè)概念。任務(wù)到底是進(jìn)程還是線程，在研究一個(gè)具體的嵌入式操作系統(tǒng)的時(shí)候，要注意加以區(qū)分。在任務(wù)的創(chuàng)建過(guò)程需要定義的主要參數(shù)有任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、棧空間的大小和函數(shù)名。任務(wù)具有獨(dú)立的優(yōu)先級(jí)和?？臻g，CPU上下文一般也是存放在?？臻g中。對(duì)于不同的任務(wù)，它們也能夠訪問(wèn)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(guò)系統(tǒng)內(nèi)核來(lái)進(jìn)行通信。通常認(rèn)為，在嵌入式操作系統(tǒng)中“任務(wù)”就是線程，如在VxWorks、μC/OS-II、Jbed、嵌入式Linux等嵌入式操作系統(tǒng)中。22嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!圖8.3.3任務(wù)的層次結(jié)構(gòu)23嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁(yè)!兩種模型創(chuàng)建任務(wù)的過(guò)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)。當(dāng)這個(gè)新任務(wù)準(zhǔn)備就緒后，就可以啟動(dòng)它運(yùn)行了。在fork/exec模型，首先調(diào)用fork函數(shù)為新任務(wù)創(chuàng)建一份與父任務(wù)完全相同的內(nèi)存空間，然后再調(diào)用exec函數(shù)裝入新任務(wù)的代碼，并用它來(lái)覆蓋原有的屬于父任務(wù)的內(nèi)容。對(duì)于新創(chuàng)建的子任務(wù)來(lái)說(shuō)，它可以從父任務(wù)那里繼承代碼、數(shù)據(jù)等各種屬性。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。（2）任務(wù)的終止任務(wù)的終止可能有多種原因，正常退出、錯(cuò)誤退出、被其他任務(wù)踢出等情況可以使任務(wù)終止。當(dāng)一個(gè)任務(wù)完成了所有的工作，需要結(jié)束運(yùn)行，提出退出要求，稱為正常退出。當(dāng)一個(gè)任務(wù)在執(zhí)行過(guò)程中，出現(xiàn)了致命的錯(cuò)誤（例如執(zhí)行了非法指令、內(nèi)存訪問(wèn)錯(cuò)誤等），系統(tǒng)中止該任務(wù)的運(yùn)行，強(qiáng)制性地讓該任務(wù)退出，稱為錯(cuò)誤退出。24嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁(yè)!任務(wù)因?yàn)檎诘却撤N事件的發(fā)生而暫時(shí)不能運(yùn)行稱為阻塞狀態(tài)，也叫等待狀態(tài)（waiting）。此時(shí)，即使CPU已經(jīng)空閑下來(lái)了，該任務(wù)也還是不能運(yùn)行。如圖8.3.4所示，在一定條件下，任務(wù)會(huì)在不同的狀態(tài)之間來(lái)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。圖8.3.4任務(wù)間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖25嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁(yè)!（2）CPU上下文信息CPU上下文信息包括通用寄存器、PC寄存器、程序狀態(tài)字、棧指針等各種CPU寄存器的當(dāng)前值。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(guò)相應(yīng)的棧指針來(lái)訪問(wèn)。（3）資源管理信息在操作系統(tǒng)中，任務(wù)表示的是進(jìn)程，則還應(yīng)包含一些資源管理方面的信息，如段表地址、頁(yè)表地址等存儲(chǔ)管理方面的信息，根目錄、文件描述字等文件管理方面的信息。26嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁(yè)!6．任務(wù)隊(duì)列在一個(gè)多任務(wù)的操作系統(tǒng)中，各個(gè)任務(wù)的狀態(tài)是經(jīng)常變化的，有時(shí)處于運(yùn)行狀態(tài)，有時(shí)處于就緒狀態(tài)，有時(shí)又處于阻塞狀態(tài)。通常采用任務(wù)隊(duì)列的方式來(lái)組織它的所有任務(wù)，以提高對(duì)這些任務(wù)的管理效率。操作系統(tǒng)用一組隊(duì)列來(lái)表示系統(tǒng)當(dāng)中所有任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)。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(duì)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。不同的狀態(tài)用不同的隊(duì)列來(lái)表示。然后，對(duì)于系統(tǒng)當(dāng)中的每一個(gè)任務(wù)，根據(jù)它的狀態(tài)把它的TCB加入到相應(yīng)的隊(duì)列當(dāng)中去。如果一個(gè)任務(wù)的狀態(tài)發(fā)生變化，就要把它的TCB從一個(gè)狀態(tài)隊(duì)列中脫離出來(lái)，加入到另一個(gè)隊(duì)列當(dāng)中去。27嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁(yè)!（2）在不可搶占調(diào)度方式，一個(gè)任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間地占用著CPU系統(tǒng)也不會(huì)強(qiáng)制它中止。當(dāng)出現(xiàn)新任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)運(yùn)行結(jié)束及任務(wù)被阻塞的調(diào)度時(shí)機(jī)時(shí)，有可能會(huì)發(fā)生調(diào)度。而對(duì)于發(fā)生的各種中斷，并不會(huì)去調(diào)用調(diào)度程序，而是在中斷處理完成后，又會(huì)回到剛才被打斷的任務(wù)中繼續(xù)執(zhí)行。在嵌入式操作系統(tǒng)中，存在著許多的調(diào)度算法，每一種算法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)響應(yīng)時(shí)間、周轉(zhuǎn)時(shí)間、調(diào)度開(kāi)銷、公平性、均衡性、吞吐量等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)調(diào)度算法的好壞。其中：●調(diào)度器為一個(gè)就緒任務(wù)進(jìn)行上下文切換時(shí)所需的時(shí)間，以及任務(wù)在就緒隊(duì)列中的等待時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間（responsetime）?！褚粋€(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（turnaroundtime）?！裾{(diào)度器在做出調(diào)度決策時(shí)所需要的時(shí)間和空間開(kāi)銷稱為調(diào)度開(kāi)銷（overhead）。28嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁(yè)!2．先來(lái)先服務(wù)算法（FirstComeFirstServed，F(xiàn)CFS）FCFS（FirstComeFirstServed，先來(lái)先服務(wù)算法）是一種最簡(jiǎn)單的調(diào)度算法。FCFS的基本思想就是按照任務(wù)到達(dá)的先后次序來(lái)進(jìn)行調(diào)度，它是一種不可搶占的調(diào)度方式。FCFS也叫做FIFO（FirstInFirstOut，先進(jìn)先出算法）。FCFS的最大優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)單，易于理解也易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是一批任務(wù)的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間取決于各個(gè)任務(wù)到達(dá)的順序，如果短任務(wù)位于長(zhǎng)任務(wù)之后，那么將增大平均周轉(zhuǎn)時(shí)間。29嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁(yè)!不可搶占的SJF算法如圖8.3.5所示，由于任務(wù)T3的執(zhí)行時(shí)間最短，所以首先被調(diào)度運(yùn)行，其次是T1和T2。圖8.3.5SJF算法示意圖30嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁(yè)!圖8.3.6RR算法示意圖31嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁(yè)!8.3.5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)。RTOS調(diào)度器多采用基于優(yōu)先級(jí)的可搶占調(diào)度算法。1．RTOS任務(wù)模型RTOS任務(wù)模型如圖8.3.7所示，在RTOS任務(wù)模型中，每一個(gè)任務(wù)用一個(gè)三元組來(lái)表示（執(zhí)行時(shí)間、周期、時(shí)間期限）。其中：執(zhí)行時(shí)間（executiontime）E（i）是指對(duì)于第i個(gè)任務(wù)，當(dāng)它所需要的資源都己具備時(shí)，它的執(zhí)行所需要的最長(zhǎng)時(shí)間。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。時(shí)間期限（deadline）是指D（i）第i個(gè)任務(wù)所允許的最大響應(yīng)時(shí)間（從任務(wù)啟動(dòng)到運(yùn)行結(jié)束所需的時(shí)間）。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)任務(wù)的周期時(shí)間同時(shí)也是它的時(shí)間期限，因?yàn)樵撊蝿?wù)必須在它的下一個(gè)周期開(kāi)始之前，完成此次運(yùn)行。啟動(dòng)時(shí)間t（i）是指第i個(gè)任務(wù)的第i次執(zhí)行的開(kāi)始時(shí)間。32嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁(yè)!2．單調(diào)速率調(diào)度算法（RateMonotonicScheduling，RMS）RMS（RateMonotonicScheduling，單調(diào)速率調(diào)度算法）是一種靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法。RMS算法假設(shè)：所有的任務(wù)都是周期性任務(wù)；任務(wù)的時(shí)間期限等于它的周期；任務(wù)在每個(gè)周期內(nèi)的執(zhí)行時(shí)間是一個(gè)常量；任務(wù)之間不進(jìn)行通信，也不需要同步；任務(wù)可以在任何位置被搶占，不存在臨界區(qū)的問(wèn)題。RMS算法的基本思路是任務(wù)的優(yōu)先級(jí)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(jí)越高；任務(wù)的周期越長(zhǎng)，優(yōu)先級(jí)越低。RMS算法是一種最優(yōu)調(diào)度算法。如果存在一種基于靜態(tài)優(yōu)先級(jí)的調(diào)度順序，使得每個(gè)任務(wù)都能在其期限時(shí)間內(nèi)完成，那么RMS算法總能找到這樣的一種可行的調(diào)度方案。在任務(wù)比較多的情況下，RMS可調(diào)度的CPU使用率上限為ln2＝0.69，CPU使用率如此低，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不可接受的。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。33嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁(yè)!8.4嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理8.4.1嵌入式存儲(chǔ)管理方式的特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理方式與系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域及硬件環(huán)境密切相關(guān)，不同的嵌入式系統(tǒng)采用不同的存儲(chǔ)管理方式，需要考慮硬件條件、實(shí)時(shí)性要求、系統(tǒng)規(guī)模、可靠性要求等因素。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求直接影響到存儲(chǔ)管理的實(shí)現(xiàn)方式，為了確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，快速和確定是內(nèi)存管理的基本要求，即在存儲(chǔ)管理方面的開(kāi)銷不能太大，對(duì)于每一項(xiàng)工作都要有明確的實(shí)時(shí)約束，即必須在某個(gè)限定的時(shí)刻之前完成。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，存儲(chǔ)管理方法就比較簡(jiǎn)單，甚至不提供存儲(chǔ)管理功能。而對(duì)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(duì)操作系統(tǒng)或任務(wù)的保護(hù)，在存儲(chǔ)管理方式上就相對(duì)較為復(fù)雜。34嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁(yè)!8.4.2存儲(chǔ)管理的實(shí)模式與保護(hù)模式實(shí)模式和保護(hù)模式是嵌入式操作系統(tǒng)中常見(jiàn)的兩個(gè)存儲(chǔ)管理方式。

1．實(shí)模式存儲(chǔ)管理在實(shí)模式存儲(chǔ)管理方式中，系統(tǒng)不使用MMU；不劃分“系統(tǒng)空間”和“用戶空間”，整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)地址空間，即物理內(nèi)存地址空間；應(yīng)用程序和系統(tǒng)程序都能直接對(duì)所有的內(nèi)存單元進(jìn)行隨意訪問(wèn)，無(wú)須進(jìn)行地址映射；操作系統(tǒng)的內(nèi)核與外圍應(yīng)用程序在編譯連接后，兩者通常被集成在同一個(gè)系統(tǒng)文件中；系統(tǒng)中的“任務(wù)”或“進(jìn)程”均是內(nèi)核線程，只有運(yùn)行上下文和棧是獨(dú)享的，其他資源都是共享的。在實(shí)模式存儲(chǔ)管理方式中，系統(tǒng)的內(nèi)存地址空間一般可以分為text、data、bss、堆、棧五個(gè)部分。其中：.text：（代碼段）用來(lái)存放操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的所有代碼。.data：（數(shù)據(jù)段）用來(lái)存放操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序當(dāng)中所有帶有初始值的全局變量。.bss：用來(lái)存放操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序當(dāng)中所有未帶初始值的全局變量。堆為動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存空間，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)類似于malloc/free之類的函數(shù)來(lái)申請(qǐng)或釋放一段連續(xù)的內(nèi)存空間。棧用來(lái)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)。35嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁(yè)!8.4.3分區(qū)存儲(chǔ)管理分區(qū)存儲(chǔ)管理適合在多道程序操作系統(tǒng)中應(yīng)用。分區(qū)存儲(chǔ)管理把整個(gè)內(nèi)存劃分為系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)兩大區(qū)域，然后再把用戶區(qū)劃分為若干個(gè)分區(qū)，可以同時(shí)有多個(gè)任務(wù)在系統(tǒng)中運(yùn)行，每個(gè)任務(wù)都有各自的地址空間。分區(qū)存儲(chǔ)管理又可以分為固定分區(qū)和可變分區(qū)兩類。

1．固定分區(qū)存儲(chǔ)管理采用固定分區(qū)存儲(chǔ)管理方法時(shí)，各個(gè)用戶分區(qū)的個(gè)數(shù)、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(chǔ)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。固定分區(qū)存儲(chǔ)管理方法的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的開(kāi)銷比較小，空閑空間的管理、內(nèi)存的分配和回收算法都非常簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)是內(nèi)存的利用率不高，在任務(wù)所占用的分區(qū)內(nèi)部未被利用的空間的碎片（內(nèi)碎片）會(huì)造成很大的浪費(fèi)；分區(qū)的總數(shù)是固定的，限制了并行執(zhí)行的程序個(gè)數(shù)，N個(gè)分區(qū)最多只能有N個(gè)任務(wù)在同時(shí)運(yùn)行。36嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁(yè)!在內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)會(huì)維護(hù)一個(gè)分區(qū)鏈表，來(lái)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(zhǎng)度等信息。在內(nèi)存的分配算法上，當(dāng)一個(gè)新任務(wù)來(lái)到時(shí)，需要為它尋找一個(gè)空閑分區(qū)，其大小必須大于或等于該任務(wù)的要求。若是大于要求，則將該分區(qū)分割成兩個(gè)小分區(qū)，其中一個(gè)分區(qū)為要求的大小并標(biāo)記為“占用”，另一個(gè)分區(qū)為余下部分并標(biāo)記為“空閑”。選擇分區(qū)的先后次序一般是從內(nèi)存低端到高端。通常的分區(qū)分配算法有：最先匹配法（first-fit）、下次匹配法（next-fit）、最佳匹配法(best-fit）和最壞匹配法（worst-fit）。在內(nèi)存的回收算法上，當(dāng)一個(gè)任務(wù)運(yùn)行結(jié)束，并釋放它所占用的分區(qū)后，如果該分區(qū)的左右鄰居也是空閑分區(qū)，則需要將它們合并為一個(gè)大的空閑分區(qū)。與此相對(duì)應(yīng)，在分區(qū)鏈表上，也要將相應(yīng)的鏈接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并，并對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行更新。

37嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁(yè)!（2）邏輯地址（logicaladdress）邏輯地址也叫相對(duì)地址或虛地址。用戶的程序經(jīng)過(guò)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(duì)地址的形式，其首地址為0，其余指令中的地址都是相對(duì)于這個(gè)首地址來(lái)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(lái)直接訪問(wèn)內(nèi)存單元。因此，為了保證CPU在執(zhí)行指令時(shí)可以正確地訪問(wèn)存儲(chǔ)單元，系統(tǒng)在裝入一個(gè)用戶程序后，需要將用戶程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為運(yùn)行時(shí)由機(jī)器直接尋址的物理地址，這個(gè)過(guò)程就稱為地址映射。只有把程序當(dāng)中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，才能正常運(yùn)行。38嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁(yè)!（2）動(dòng)態(tài)地址映射采用動(dòng)態(tài)地址映射方式時(shí)，當(dāng)用戶程序被裝入內(nèi)存時(shí)，不對(duì)指令代碼做任何修改，而是在程序的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)它需要訪問(wèn)內(nèi)存單元的時(shí)候，再來(lái)進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。地址轉(zhuǎn)換一般是由硬件的地址映射機(jī)制來(lái)完成的，通常的做法是設(shè)置一個(gè)基地址寄存器（或者叫重定位寄存器），當(dāng)一個(gè)任務(wù)被調(diào)度運(yùn)行時(shí)，就把它所在分區(qū)的起始地址裝入到這個(gè)寄存器中。然后，在程序的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)需要訪問(wèn)某個(gè)內(nèi)存單元時(shí)，硬件就會(huì)自動(dòng)地將其中的邏輯地址加上基地址寄存器當(dāng)中的內(nèi)容，從而得到實(shí)際的物理地址，并按照這個(gè)物理地址去執(zhí)行。39嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁(yè)!1．?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在頁(yè)式存儲(chǔ)管理中，最主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有頁(yè)表（pagetable)和物理頁(yè)面表兩個(gè)。頁(yè)表給出了任務(wù)的邏輯頁(yè)面號(hào)與內(nèi)存中的物理頁(yè)面號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。物理頁(yè)面表用來(lái)描述內(nèi)存空間當(dāng)中，各個(gè)物理頁(yè)面的使用分配狀況。物理頁(yè)面表可以采用位示圖或空閑頁(yè)面鏈表等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。40嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁(yè)!3．地址映射在頁(yè)式存儲(chǔ)管理方式中，當(dāng)一個(gè)任務(wù)被加載到內(nèi)存后，連續(xù)的邏輯地址空間被劃分為一個(gè)個(gè)的邏輯頁(yè)面，這些邏輯頁(yè)面被裝入到不同的物理頁(yè)面當(dāng)中。在這種情況下，為了保證程序能夠正確地運(yùn)行，需要把程序中使用的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存訪問(wèn)時(shí)的物理地址，完成地址映射。地址映射是以頁(yè)面為單位來(lái)進(jìn)行處理的。在進(jìn)行地址映射時(shí)，首先分析邏輯地址，對(duì)于給定的一個(gè)邏輯地址，找到它所在的邏輯頁(yè)面，以及它在頁(yè)面內(nèi)的偏移地址；然后進(jìn)行頁(yè)表查找，根據(jù)邏輯頁(yè)面號(hào)，從頁(yè)表中找到它所對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)面號(hào)；最后進(jìn)行物理地址合成，根據(jù)物理頁(yè)面號(hào)及頁(yè)內(nèi)偏移地址，確定最終的物理地址。應(yīng)注意的是，采用頁(yè)式存儲(chǔ)管理方式，程序必須全部裝入內(nèi)存，才能夠運(yùn)行。如果一個(gè)程序的規(guī)模大于當(dāng)前的空閑空間的總和，那么它就無(wú)法運(yùn)行。操作系統(tǒng)必須為每一個(gè)任務(wù)都維護(hù)一張頁(yè)表，開(kāi)銷比較大，當(dāng)簡(jiǎn)單的頁(yè)表結(jié)構(gòu)不能滿足應(yīng)用要求時(shí)，必須設(shè)計(jì)出更為復(fù)雜的頁(yè)表結(jié)構(gòu)，如多級(jí)頁(yè)表結(jié)構(gòu)、哈希頁(yè)表結(jié)構(gòu)、反置頁(yè)表等。41嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁(yè)!采用虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理方式，對(duì)于每一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)來(lái)說(shuō)，除了需要邏輯頁(yè)面號(hào)和與之相對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)面號(hào)信息外，還需要增加包括駐留位、保護(hù)位、修改位和訪問(wèn)位等信息。42嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁(yè)!1.I/O獨(dú)立編址在I/O獨(dú)立編址方式中，給設(shè)備控制器中的每一個(gè)寄存器，分配一個(gè)唯一的I/O端口地址，然后采用專門的I/O指令來(lái)對(duì)這些端口進(jìn)行操作。這些端口地址所構(gòu)成的地址空間是完全獨(dú)立的，與內(nèi)存的地址空間沒(méi)有任何關(guān)系，I/O設(shè)備不會(huì)去占用內(nèi)存的地址空間。而且在編寫程序時(shí)，它們的指令形式是不一樣的，很容易區(qū)分內(nèi)存訪問(wèn)和I/O端口訪問(wèn)。

2.內(nèi)存映像編址在內(nèi)存映像編址方式中，把設(shè)備控制器當(dāng)中的每一個(gè)寄存器都映射為一個(gè)內(nèi)存單元，這些內(nèi)存單元專門用于I/O操作，而不能作為普通的內(nèi)存單元來(lái)使用。端口地址空間與內(nèi)存地址空間是統(tǒng)一編址的，端口地址空間是內(nèi)存地址空間的一部分。編程非常方便，無(wú)須專門的I/O指令。43嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁(yè)!8.5.2I/O控制方式

I/O設(shè)備的控制方式主要有程序循環(huán)檢測(cè)、中斷驅(qū)動(dòng)和直接內(nèi)存訪問(wèn)三種形式。1．程序循環(huán)檢測(cè)方式采用程序循環(huán)檢測(cè)方式的I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，在進(jìn)行I/O操作之前，CPU要循環(huán)地去檢測(cè)該I/O設(shè)備是否已經(jīng)就緒。如果是，CPU就向I/O設(shè)備控制器發(fā)出一條命令，啟動(dòng)這一次的I/O操作。然后，在這個(gè)操作的進(jìn)行過(guò)程中，CPU也要循環(huán)地去檢測(cè)I/O設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，看它是否己經(jīng)完成。在I/O操作的整個(gè)過(guò)程中，控制I/O設(shè)備的所有工作都是由CPU來(lái)完成的，一直占用著CPU，非常浪費(fèi)CPU的時(shí)間。程序循環(huán)檢測(cè)方式也稱為繁忙等待方式或輪詢方式。44嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁(yè)!8.5.3I/O軟件為了管理好嵌入式系統(tǒng)中的各式各樣的I/O設(shè)備，在I/O軟件上通常采用分層的體系結(jié)構(gòu)，一般來(lái)說(shuō)，可以分中斷處理程序、I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、設(shè)備獨(dú)立的I/O軟件和用戶空間的I/O軟件四個(gè)層次。其中，低層軟件是面向I/O硬件的，與I/O硬件特性密切相關(guān)，它把I/O硬件同上層的軟件有效隔離開(kāi)來(lái)。而較高層的軟件是面向用戶的，為用戶提供一個(gè)友好、清晰、統(tǒng)一的編程接口。1.中斷處理程序中斷處理程序與I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序密切配合，用來(lái)完成特定的I/O操作。當(dāng)一個(gè)用戶程序需要某種I/O服務(wù)時(shí)，它會(huì)去調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)函數(shù)，而這個(gè)函數(shù)又會(huì)去調(diào)用相應(yīng)的I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。然后，在I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中啟動(dòng)I/O操作，并且被阻塞起來(lái)，直到這個(gè)I/O操作完成后，將產(chǎn)生一個(gè)中斷，并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷處理程序。之后在中斷處理程序中，將會(huì)喚醒被阻塞的I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在中斷處理過(guò)程中，需要執(zhí)行保存CPU的運(yùn)行上下文、為中斷服務(wù)子程序設(shè)置一個(gè)運(yùn)行環(huán)境、向中斷控制器發(fā)出應(yīng)答信號(hào)、執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序等操作，需要一定的時(shí)間開(kāi)銷。45嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁(yè)!I/O系統(tǒng)通常會(huì)提供一個(gè)統(tǒng)一的調(diào)用接口，包含了一些常用的設(shè)備操作，如設(shè)備初始化、打開(kāi)設(shè)備、關(guān)閉設(shè)備、讀操作、寫操作、設(shè)備控制等。在I/O設(shè)備的命名規(guī)則上，可以采用統(tǒng)一命名的方式，然后由設(shè)備獨(dú)立的I/O軟件來(lái)負(fù)責(zé)把設(shè)備的符號(hào)名映射到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的管理通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序地址表來(lái)實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)程序地址表中存放了各個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的入口地址，可以通過(guò)此表來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)安裝與卸載。在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的I/O操作時(shí)，為了緩解CPU與外部設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，提高資源的利用率，可以在內(nèi)存當(dāng)中開(kāi)辟一個(gè)存儲(chǔ)空間，作為緩沖區(qū)，即采用緩沖技術(shù)。當(dāng)讀取I/O設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)，不用去訪問(wèn)I/O外設(shè)，直接到緩沖區(qū)中去查找。同樣，在往I/O設(shè)備中寫入數(shù)據(jù)時(shí)，也是先寫到緩沖區(qū)中。這樣，I/O外設(shè)需要用到這些數(shù)據(jù)時(shí)，可以直接從緩沖區(qū)中去取。緩沖技術(shù)可以分為單緩沖、雙緩沖、多緩沖和環(huán)形緩沖等形式。46嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁(yè)!第8章思考題與習(xí)題1.嵌入式軟件有哪些特點(diǎn)？可以分為哪幾類？2.試分析無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入式軟件和有操作系統(tǒng)的嵌入式軟件的同異。3.簡(jiǎn)述BootLoader的功能。4.簡(jiǎn)述嵌入式中間件的功能。5.簡(jiǎn)述嵌入式操作系統(tǒng)（EOS）的概念。6.嵌入式操作系統(tǒng)（EOS）可以分為哪幾類？7.簡(jiǎn)述VxWorks的功能與特點(diǎn)。8.簡(jiǎn)述嵌入式Linux的功能與特點(diǎn)。9.簡(jiǎn)述WindowsCE的功能與特點(diǎn)。10.簡(jiǎn)述μC/OS-II的功能與特點(diǎn)。47嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁(yè)!21.什么是物理地址和邏輯地址？什么是地址映射？22.頁(yè)式存儲(chǔ)管理方式與分區(qū)存儲(chǔ)管理方式有什么不同？23.虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理與頁(yè)式存儲(chǔ)管理有什么不同？24.查閱有關(guān)資料，了解OPT、LRU、LFU、FIFO等常用的頁(yè)面置換算法。25.I/O設(shè)備有幾種編址形式？各有什么特點(diǎn)。26.程序循環(huán)檢測(cè)、中斷驅(qū)動(dòng)和直接內(nèi)存訪問(wèn)三種I/O設(shè)備的控制方式有什么不同？27.簡(jiǎn)述I/O軟件的體系結(jié)構(gòu)。28.簡(jiǎn)述中斷處理程序、I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、設(shè)備獨(dú)立的I/O軟件和用戶空間的I/O軟件的功能。48嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁(yè)!（3）高實(shí)時(shí)性和可靠性要求具有實(shí)時(shí)處理的能力是許多嵌入式系統(tǒng)的基本要求，實(shí)時(shí)性要求軟件對(duì)外部事件做出反應(yīng)的時(shí)間必須要快，在某些情況下還要求是確定的、可重復(fù)實(shí)現(xiàn)的，不管系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的內(nèi)部狀態(tài)如何，都是可以預(yù)測(cè)的。同時(shí)，對(duì)于事件的處理一定要在限定的時(shí)間期限之前完成，否則就有可能引起系統(tǒng)的崩潰。在航天控制、核電站、工業(yè)機(jī)器人等實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)嵌入式軟件的可靠性要求是非常高的，一旦軟件出了問(wèn)題，其后果是非常嚴(yán)重的。（4）軟件固化存儲(chǔ)為了提高系統(tǒng)的啟動(dòng)速度、執(zhí)行速度和可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或微處理器中。49嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁(yè)!8.1.3嵌入式軟件的體系結(jié)構(gòu)1．無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入式軟件早期在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍主要集中在控制領(lǐng)域，硬件的配置比較低，嵌入式軟件的設(shè)計(jì)主要是以應(yīng)用為核心，應(yīng)用軟件直接建立在硬件上，沒(méi)有專門的操作系統(tǒng)，軟件的規(guī)模也很小。無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入式軟件主要采用循環(huán)輪轉(zhuǎn)和中斷（前后臺(tái)）兩種實(shí)現(xiàn)方式。（1）循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式的基本設(shè)計(jì)思想是：把系統(tǒng)的功能分解為若干個(gè)不同的任務(wù)，放置在一個(gè)永不結(jié)束的循環(huán)語(yǔ)句當(dāng)中，按照時(shí)間順序逐一執(zhí)行。當(dāng)程序執(zhí)行完一輪后，又回到程序的開(kāi)頭重新執(zhí)行，循環(huán)不斷。50嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁(yè)!（2）中斷方式中斷方式又稱為前后臺(tái)系統(tǒng)形式，系統(tǒng)在循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式的基礎(chǔ)上增加了中斷處理功能。ISR（InterruptServiceRoutine，中斷服務(wù)程序）負(fù)責(zé)處理異步事件，即前臺(tái)程序（foreground），也稱為事件處理級(jí)程序。而后臺(tái)程序（background）是一個(gè)系統(tǒng)管理調(diào)度程序，一般采用的是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)形式，負(fù)責(zé)掌管整個(gè)嵌入式系統(tǒng)軟、硬件資源的分配、管理以及任務(wù)的調(diào)度。后臺(tái)程序也稱為任務(wù)級(jí)程序。一般情形下，后臺(tái)程序會(huì)檢查每個(gè)任務(wù)是否具備運(yùn)行條件，通過(guò)一定的調(diào)度算法來(lái)完成相應(yīng)的操作。而一些對(duì)實(shí)時(shí)性有要求的操作通常由中斷服務(wù)程序來(lái)完成，大多數(shù)的中斷服務(wù)程序只做一些最基本的操作，如標(biāo)記中斷事件的發(fā)生等，其余的事情會(huì)延遲到后臺(tái)程序去完成。51嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁(yè)!在嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境下，開(kāi)發(fā)一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用程序，通常可以按照軟件工程的思想，將整個(gè)程序分解為多個(gè)任務(wù)模塊，每個(gè)任務(wù)模塊的調(diào)試、修改幾乎不影響其他模塊。利用商業(yè)軟件提供的多任務(wù)調(diào)試環(huán)境，可大大提高系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)效率，降低開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。嵌入式操作系統(tǒng)本身是可以剪裁的，嵌入式系統(tǒng)外設(shè)、相關(guān)應(yīng)用也可以配置，所開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件可以在不同的應(yīng)用環(huán)境、不同的處理器芯片之間移植，軟件構(gòu)件可復(fù)用，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展和移植。52嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁(yè)!圖8.1.2嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)53嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁(yè)!一般來(lái)說(shuō)，BSP是針對(duì)某個(gè)特定的單板而設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)都會(huì)提供相應(yīng)的演示版本的BSP（最小系統(tǒng)BSP）。BSP對(duì)于用戶（指系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員）是開(kāi)放的，用戶可以根據(jù)不同的硬件需求對(duì)其進(jìn)行改動(dòng)或二次開(kāi)發(fā)。在實(shí)際開(kāi)發(fā)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的時(shí)候，通?？梢哉业揭粋€(gè)與自己的硬件系統(tǒng)相近的演示版本的BSP，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行修改和完善，以適應(yīng)不同單板的需求。BSP主要包括BootLoader（引導(dǎo)加載程序）和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序兩個(gè)方面的內(nèi)容。對(duì)于不同的嵌入式操作系統(tǒng)，BSP的具體結(jié)構(gòu)和組成是不相同的。54嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁(yè)!（1）片級(jí)初始化片級(jí)初始化是一個(gè)純硬件的初始化過(guò)程，把微處理器從上電時(shí)的默認(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。片級(jí)初始化主要完成設(shè)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。（2）板級(jí)初始化板級(jí)初始化是一個(gè)同時(shí)包含有軟件和硬件在內(nèi)的初始化過(guò)程，通過(guò)正確地設(shè)置各種寄存器的內(nèi)容來(lái)完成微處理器以外的其他硬件設(shè)備的初始化。例如，初始化LED顯示設(shè)備、定時(shí)器、串口通信和內(nèi)存控制器，建立內(nèi)存空間的地址映射，設(shè)置中斷控制寄存器和某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)等。（3）加載內(nèi)核將操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的映像從Flash存儲(chǔ)器復(fù)制到系統(tǒng)的內(nèi)存當(dāng)中，然后跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)內(nèi)核的條指令處繼續(xù)執(zhí)行。55嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第55頁(yè)!在分層結(jié)構(gòu)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的函數(shù)分為硬件接口和調(diào)用接口兩種類型。硬件接口直接跟硬件打交道的，直接去操作和控制硬件設(shè)備；調(diào)用接口不直接與硬件打交道，它們調(diào)用硬件接口當(dāng)中的函數(shù)，與上層軟件（包括操作系統(tǒng)、中間件和應(yīng)用軟件）打交道的。分層結(jié)構(gòu)把所有與硬件有關(guān)的細(xì)節(jié)都封裝在硬件接口當(dāng)中，在硬件要升級(jí)時(shí)，只需要改動(dòng)硬件接口當(dāng)中的函數(shù)即可，而上層接口當(dāng)中的函數(shù)不用做任何修改。在混合結(jié)構(gòu)中，上層接口和硬件接口的函數(shù)是混在一起、相互調(diào)用的，之間沒(méi)有明確的層次關(guān)系。56嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第56頁(yè)!8.2嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)8.2.1嵌入式操作系統(tǒng)的功能在嵌入式系統(tǒng)中工作的操作系統(tǒng)稱為EOS（EmbeddedOperatingSystem，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(tái)EOS構(gòu)成一個(gè)虛擬機(jī)平臺(tái)，EOS把底層的硬件細(xì)節(jié)封裝起來(lái)，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。軟件開(kāi)發(fā)在這個(gè)編程接口的上進(jìn)行，而不直接與機(jī)器硬件層打交道。EOS所提供的編程接口實(shí)際上就是操作系統(tǒng)對(duì)外提供的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。2．系統(tǒng)資源的管理者EOS是一個(gè)系統(tǒng)資源的管理者，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)當(dāng)中的各種軟硬件資源，如處理器、內(nèi)存、各種I/O設(shè)備、文件和數(shù)據(jù)等，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠高效、可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)。57嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第57頁(yè)!8.2.2嵌入式操作系統(tǒng)的分類EOS可以按照系統(tǒng)的類型、響應(yīng)時(shí)間和軟件結(jié)構(gòu)等不同的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)分類。1．按系統(tǒng)的類型分類按照系統(tǒng)的類型，可以把EOS分為商業(yè)化系統(tǒng)、專用系統(tǒng)和開(kāi)放源代碼系統(tǒng)三大類。（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WindowsCE，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。（2）專用系統(tǒng)專用系統(tǒng)是一些專業(yè)廠家為本公司產(chǎn)品特制的嵌入式操作系統(tǒng)，一般不提供給應(yīng)用開(kāi)發(fā)者使用。（3）開(kāi)放源代碼系統(tǒng)開(kāi)放源代碼的嵌入式操作系統(tǒng)有μC/OS和各類嵌入式Linux系統(tǒng)等，具有免費(fèi)、開(kāi)源、性能優(yōu)良、資源豐富、技術(shù)支持強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)發(fā)展迅速的一類操作系統(tǒng)。58嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第58頁(yè)!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8.2.1～8.2.3所示。（1）單體結(jié)構(gòu)單體結(jié)構(gòu)是一種常見(jiàn)的組織結(jié)構(gòu)，嵌入式Linux操作系統(tǒng)、JbedRTOS、μC/OS-II和PDOS都屬于單體內(nèi)核系統(tǒng)。在單體結(jié)構(gòu)（monolithic）的操作系統(tǒng)中，中間件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常就集成在系統(tǒng)內(nèi)核當(dāng)中，整個(gè)系統(tǒng)通常只有一個(gè)可執(zhí)行文件，里面包含了所有的功能組件。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(kāi)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。59嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第59頁(yè)!采用分層結(jié)構(gòu)（layered）的操作系統(tǒng)內(nèi)部分為若干個(gè)層次（0～N），各個(gè)層次之間的調(diào)用關(guān)系是單向的，即某一層次上的代碼只能調(diào)用比它低層的代碼。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(kāi)銷，但系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和維護(hù)較為簡(jiǎn)單。典型代表有MS-DOS，其結(jié)構(gòu)就是一個(gè)有代表性的、組織良好的分層結(jié)構(gòu)。（3）微內(nèi)核結(jié)構(gòu)微內(nèi)核（microkernel）結(jié)構(gòu)把操作系統(tǒng)的大部分功能都剝離出去，在內(nèi)核中只保留最核心的功能單元（如進(jìn)程管理和存儲(chǔ)管理），大部分的系統(tǒng)功能都位于內(nèi)核之外，例如，將所有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都被置于內(nèi)核之外，如圖8.2.3所示。在微內(nèi)核操作系統(tǒng)中，大部分的系統(tǒng)功能被放置在內(nèi)核之外，客戶單元和服務(wù)器單元的內(nèi)存地址空間是相互獨(dú)立的，系統(tǒng)具有更高的安全性。新的功能組件也可以被動(dòng)態(tài)地添加進(jìn)來(lái)，擴(kuò)展、調(diào)試、移植方便。在微內(nèi)核操作系統(tǒng)中，核內(nèi)組件與核外組件之間的通信方式是消息傳遞，而不是直接的函數(shù)調(diào)用，運(yùn)行速度可能會(huì)慢一些。另外，由于它們的內(nèi)存地址空間是相互獨(dú)立的，在切換的時(shí)候，也會(huì)增加額外的開(kāi)銷。60嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第60頁(yè)!8.2.3常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介嵌入式操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，有許多公司在從事相關(guān)方面的研究，開(kāi)發(fā)了數(shù)以百計(jì)的各具特色的嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品，其中比較有影響的系統(tǒng)有VxWorks、嵌入式Linux、WindowsCE、μC/OS-II和PalmOS等。1．VxWorks美國(guó)WindRiverSystem公司開(kāi)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(duì)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。VxWorks采用GNU類型的編譯和調(diào)試器，專有的API函數(shù)，支持x86、MotorolaMC68xxx、Coldfire、PowerPC、MIPS、ARM、i960等主流的32位處理器，具有良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性，是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場(chǎng)占有率最高的商業(yè)系統(tǒng)之一。61嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第61頁(yè)!2．嵌入式Linux嵌入式Linux（EmbeddedLinux）是指對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Linux進(jìn)行小型化剪裁處理之后，可固化在存儲(chǔ)器或單片機(jī)中，適合于特定嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合的專用Linux操作系統(tǒng)。常見(jiàn)的嵌入式Linux有μClinux、RT-Linux、Embedix和HardHatLinux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?！窬哂型晟频木W(wǎng)絡(luò)通信和文件管理機(jī)制，支持所有標(biāo)準(zhǔn)的Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持ext2，fat16,fat32,romfs等文件系統(tǒng)?！窨商峁┩暾墓ぞ哝湥═oolChain），利用GNU的gcc做編譯器，用gdb,kgdb,xgdb做調(diào)試工具，能夠方便地實(shí)現(xiàn)從操作系統(tǒng)到應(yīng)用軟件各個(gè)級(jí)別的調(diào)試?！袂度胧絃inux是開(kāi)放源碼的自由操作系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用需要方便地對(duì)內(nèi)核進(jìn)行修改和優(yōu)化。62嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第62頁(yè)!WindowsCE主要包含內(nèi)核模塊、內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用接口模塊、文件系統(tǒng)模塊、圖形窗口和事件子系統(tǒng)模塊和通信模塊五個(gè)功能模塊。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)。內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用接口模塊允許應(yīng)用軟件訪問(wèn)操作系統(tǒng)提供的服務(wù)。文件系統(tǒng)模塊支持DOS等格式的文件系統(tǒng)。圖形窗口和事件子系統(tǒng)模塊控制圖形顯示，并提供WindowsGUI圖形界面。通信模塊允許同其他的設(shè)備進(jìn)行信息交換。WindowsCE操作系統(tǒng)集成了大量的WindowsXPProfessional的特性，能提供與PC機(jī)類似的桌面、任務(wù)欄、窗口、圖標(biāo)、控件等圖形界面和各種應(yīng)用程序。熟悉Windows操作系統(tǒng)的用戶可以很快地使用基于WindowsCE的嵌入式設(shè)備。另外，微軟公司提供了VisualStudio.NET、EmbeddedVisualC++、EmbeddedVisualBasic等一組功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具，專門用于對(duì)WindowsCE操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。63嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第63頁(yè)!8.3嵌入式系統(tǒng)的任務(wù)管理8.3.1單道程序設(shè)計(jì)和多道程序設(shè)計(jì)嵌入式操作系統(tǒng)可以分為單道程序設(shè)計(jì)和多道程序設(shè)計(jì)（mufti-programming）兩種類型。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。例如：有兩個(gè)程序甲和乙，它們?cè)谶\(yùn)行過(guò)程中都要用到CPU和I/O設(shè)備。如圖8.3.1所示，圖中我們采用不同的方框來(lái)表示這兩個(gè)程序?qū)煞N資源的使用情況，方框的長(zhǎng)度表示使用的時(shí)間。在單道程序設(shè)計(jì)的環(huán)境下，在任何時(shí)候，系統(tǒng)中只能有一個(gè)程序在運(yùn)行，因此，甲和乙這兩個(gè)程序只能一個(gè)接一個(gè)的執(zhí)行。如圖8.3.1所示，首先執(zhí)行程序甲，從t0時(shí)刻開(kāi)始，到t6時(shí)刻結(jié)束。然后再執(zhí)行程序乙，從t6時(shí)刻開(kāi)始，一直到它所有的工作都已完成。64嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第64頁(yè)!圖8.3.1單道程序與多道程序的運(yùn)行過(guò)程65嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第65頁(yè)!CPU上下文：程序在運(yùn)行時(shí)，CPU中含有PC（ProgramCounter，程序計(jì)數(shù)器）、PSW（ProgramStatusWord,程序狀態(tài)字）、通用寄存器、段寄存器、棧指針寄存器等各種寄存器的當(dāng)前值內(nèi)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(yùn)行狀態(tài)信息，通用寄存器存放的數(shù)據(jù)或地址；段寄存器存放的程序中各個(gè)段的地址；棧指針寄存器記錄的棧頂?shù)漠?dāng)前位置。一組系統(tǒng)資源：包括操作系統(tǒng)用來(lái)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。總而言之，進(jìn)程包含了正在運(yùn)行的一個(gè)程序的所有狀態(tài)信息。進(jìn)程具有動(dòng)態(tài)性，進(jìn)程是一個(gè)正在運(yùn)行的程序，程序的運(yùn)行狀態(tài)都在不斷地變化，如PC寄存器的值、堆和棧的內(nèi)容、通用寄存器存放數(shù)據(jù)和地址等。進(jìn)程具有獨(dú)立性，一個(gè)進(jìn)程是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，占有計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源，每個(gè)進(jìn)程都有自己的運(yùn)行上下文和內(nèi)部狀態(tài)，在它運(yùn)行的時(shí)候獨(dú)立于其他的進(jìn)程。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。66嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第66頁(yè)!圖8.3.2線程與進(jìn)程的資源關(guān)系67嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第67頁(yè)!8.3.3任務(wù)的實(shí)現(xiàn)1．任務(wù)的層次結(jié)構(gòu)任務(wù)的層次結(jié)構(gòu)如圖8.3.3所示。在多道程序的嵌入式操作系統(tǒng)中，同時(shí)存在著多個(gè)任務(wù)，嵌入式內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)，只有一個(gè)任務(wù)存在，然后由該任務(wù)派生出其他所有任務(wù)，這些任務(wù)采用層狀結(jié)構(gòu)，存在著父子關(guān)系。68嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第68頁(yè)!2.任務(wù)的創(chuàng)建與終止（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(guò)程中、人機(jī)交互等過(guò)程中都可以創(chuàng)建任務(wù)。在系統(tǒng)初始化時(shí)，一般都會(huì)創(chuàng)建系統(tǒng)與用戶進(jìn)行交互的一些前臺(tái)任務(wù)，以及完成鍵盤掃描、系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)、時(shí)間統(tǒng)計(jì)等一些特定功能的后臺(tái)任務(wù)。在任務(wù)運(yùn)行過(guò)程中，也能夠使用相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用來(lái)創(chuàng)建新的任務(wù)，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(tǒng)中，用戶可以通過(guò)輸入命令或單擊圖標(biāo)的方式，讓系統(tǒng)啟動(dòng)一個(gè)新的任務(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(guò)調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)函數(shù)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新的任務(wù)。在嵌入式操作系統(tǒng)當(dāng)中，任務(wù)的創(chuàng)建主要采用fork/exec和spawn兩種模型。fork/exec模型源于IEEE/ISOPOSIX1003.1標(biāo)準(zhǔn)，而spawn模型是從它派生出來(lái)的。69嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第69頁(yè)!在一些操作系統(tǒng)中可以提供一些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，用來(lái)把一個(gè)任務(wù)從系統(tǒng)中清除出局，稱為被其他任務(wù)踢出。在一些嵌入式系統(tǒng)中，某些任務(wù)被設(shè)計(jì)為“死循環(huán)”的模式，任務(wù)不會(huì)自行終止。3．任務(wù)的狀態(tài)在多道程序系統(tǒng)中，任務(wù)是獨(dú)立運(yùn)行的實(shí)體，需要競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)資源，而任務(wù)所擁有的資源是在不斷變化中的，使得任務(wù)的狀態(tài)也在不斷的變化。一般來(lái)說(shuō)，任務(wù)具有運(yùn)行（running）、就緒（ready）和阻塞（blocked）三種基本狀態(tài)。任務(wù)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)占有CPU并在CPU上運(yùn)行，在任何一個(gè)時(shí)刻，處于運(yùn)行狀態(tài)的任務(wù)個(gè)數(shù)必須小于或等于CPU的數(shù)目。如果在一個(gè)系統(tǒng)中只有一個(gè)CPU的話，那么最多只能有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)任務(wù)已具備運(yùn)行條件，但由于CPU正在運(yùn)行其他的任務(wù)，暫時(shí)不能運(yùn)行該任務(wù)時(shí)，稱為就緒狀態(tài)。不過(guò)，只要把CPU分給該任務(wù)，它就能夠立刻執(zhí)行。70嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第70頁(yè)!4．任務(wù)控制塊TCB（TaskControlBlock，任務(wù)控制塊）是在操作系統(tǒng)當(dāng)中用來(lái)描述和管理一個(gè)任務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)各個(gè)任務(wù)的TCB的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理。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(guò)程?？梢园裈CB看成是任務(wù)存在的唯一標(biāo)志。當(dāng)需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新任務(wù)的時(shí)候，就為它生成一個(gè)TCB，并初始化這個(gè)TCB的內(nèi)容；當(dāng)需要終止一個(gè)任務(wù)的時(shí)候，只要回收它的TCB即可。對(duì)任務(wù)的組織和管理可以通過(guò)對(duì)它們的TCB的組織和管理來(lái)實(shí)現(xiàn)。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。（1）任務(wù)的管理信息任務(wù)的管理信息包括任務(wù)的標(biāo)識(shí)ID、任務(wù)的狀態(tài)、任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、任務(wù)的調(diào)度信息、任務(wù)的時(shí)間統(tǒng)計(jì)信息、各種隊(duì)列指針等。71嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第71頁(yè)!5．任務(wù)切換任務(wù)切換（contextswitching）是指一個(gè)任務(wù)正在CPU上運(yùn)行，由于某種原因，系統(tǒng)需要調(diào)度另一個(gè)任務(wù)去運(yùn)行，那么這時(shí)就需要進(jìn)行把當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)行上下文保存起來(lái)，并設(shè)置新任務(wù)的上下文，這一過(guò)程稱為任務(wù)切換。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)。（3）按照一定的策略，從所有處于就緒狀態(tài)的任務(wù)中選擇一個(gè)去運(yùn)行。（4）修改新任務(wù)的狀態(tài)，從就緒狀態(tài)變成運(yùn)行狀態(tài)。（5）根據(jù)新任務(wù)的TCB的內(nèi)容，恢復(fù)它的運(yùn)行上下文環(huán)境。72嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第72頁(yè)!8.3.4任務(wù)的調(diào)度1．任務(wù)調(diào)度概述在多道程序操作系統(tǒng)中，當(dāng)有兩個(gè)或多個(gè)任務(wù)同時(shí)處于就緒狀態(tài)時(shí)，而系統(tǒng)中只有一個(gè)CPU而且這個(gè)CPU己經(jīng)空閑下來(lái)了，就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)任務(wù)同時(shí)去競(jìng)爭(zhēng)這個(gè)CPU的情況。通常利用調(diào)度器（scheduler）選擇就緒隊(duì)列中的那些任務(wù)中的一個(gè)去運(yùn)行，調(diào)度器是CPU這個(gè)資源的管理者。調(diào)度器在決策過(guò)程中所采用的算法稱為調(diào)度算法。一般來(lái)說(shuō)，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(hào)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(huì)發(fā)生任務(wù)的調(diào)度。任務(wù)調(diào)度存在可搶占調(diào)度（preemptive）和不可搶占調(diào)度（nonpreemptive）兩種調(diào)度方式。（1）在可搶占調(diào)度方式，當(dāng)一個(gè)任務(wù)正在運(yùn)行的時(shí)候，出現(xiàn)調(diào)度時(shí)機(jī)當(dāng)中的五種情況之一，都有可能會(huì)發(fā)生調(diào)度。調(diào)度程序可以去打斷它，并安排另外的任務(wù)去運(yùn)行。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)大都采用可搶占的調(diào)度方式。73嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第73頁(yè)!●公平性（fairness）是指大致相當(dāng)?shù)膬蓚€(gè)任務(wù)所得到的CPU時(shí)間也應(yīng)該是大致相同的。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。●均衡性（balance）是指要盡可能使整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分（CPU，I/O）都忙起來(lái)，提高系統(tǒng)資源的使用效率?！駟挝粫r(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)量稱為吞吐量（throughput）。對(duì)于一個(gè)調(diào)度算法來(lái)說(shuō)，這些指標(biāo)中一些是共存的，而另一些是相互牽制的，這些指標(biāo)不可能全部都實(shí)現(xiàn)，而是需要根據(jù)系統(tǒng)的要求，綜合權(quán)衡和折中選擇。74嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第74頁(yè)!3．短作業(yè)優(yōu)先算法（ShortestJobFirst，SJF）在SJF（ShortestJobFirst，短作業(yè)優(yōu)先算法）中，在各個(gè)任務(wù)在開(kāi)始執(zhí)行前，事先預(yù)計(jì)好各任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，調(diào)度算法根據(jù)這些預(yù)計(jì)時(shí)間，安排執(zhí)行時(shí)間較短的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行?？梢宰C明，對(duì)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。SJF算法有不可搶占方式和可搶占方式兩種實(shí)現(xiàn)方案。在不可搶占方式，只有任務(wù)運(yùn)行完畢或者是被阻塞時(shí)，才會(huì)讓出CPU進(jìn)行新的調(diào)度。而在可搶占方式，當(dāng)前任務(wù)正在運(yùn)行的時(shí)候，來(lái)了一個(gè)比它執(zhí)行時(shí)間更短的任務(wù)，而且它的運(yùn)行時(shí)間要小于當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)的剩余時(shí)間，那么這個(gè)新任務(wù)就會(huì)搶占CPU去運(yùn)行。這種方法也稱為SRTF（ShortestRemainingTimeFirst，最短剩余時(shí)間優(yōu)先算法）75嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第75頁(yè)!4．時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法（RoundRobin，RR）RR算法如圖8.3.6所示。在RR（RoundRobin，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(lái)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)中的個(gè)任務(wù)一小段CPU執(zhí)行時(shí)間（timeslice，時(shí)間片）。當(dāng)這個(gè)時(shí)間片結(jié)束的時(shí)候，如果任務(wù)還沒(méi)有執(zhí)行完的話，將會(huì)發(fā)生時(shí)鐘中斷，調(diào)度器將會(huì)暫停當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行，并把這個(gè)任務(wù)送到就緒隊(duì)列的末尾，然后再執(zhí)行當(dāng)前的隊(duì)列的個(gè)任務(wù)。如果一個(gè)任務(wù)在分配給它的時(shí)間片結(jié)束前就已經(jīng)運(yùn)行結(jié)束了或者是被阻塞了，那么它就會(huì)立即讓出CPU給其他的任務(wù)。采用RR算法，各個(gè)就緒任務(wù)平均地分配CPU的使用時(shí)間，例如有n個(gè)就緒任務(wù)，那么每個(gè)任務(wù)將得到1/n的CPU時(shí)間。采用RR算法時(shí)，時(shí)間片q既不能太大，也不能太小。q太大，每個(gè)任務(wù)都在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)完成，這就失去了RR算法的意義。如果q太小，每個(gè)任務(wù)都需要更多的時(shí)間片才能運(yùn)行完，增加了在任務(wù)之間的切換次數(shù)，增大了系統(tǒng)的管理開(kāi)銷，降低了CPU的使用效率。

76嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第76頁(yè)!5．優(yōu)先級(jí)算法（priority）在優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法（priority）中，給每一個(gè)任務(wù)都設(shè)置一個(gè)優(yōu)先級(jí)，然后在任務(wù)調(diào)度的時(shí)候，在所有處于就緒狀態(tài)的任務(wù)中選擇優(yōu)先級(jí)最高的那個(gè)任務(wù)去運(yùn)行。例如，在短作業(yè)優(yōu)先算法中，以時(shí)間為優(yōu)先級(jí)，運(yùn)行時(shí)間越短，優(yōu)先級(jí)越高。優(yōu)先級(jí)算法可以分為可搶占和不可搶占兩種方式。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(lái)了一個(gè)新的任務(wù)，其優(yōu)先級(jí)更高，則立即搶占CPU去運(yùn)行這個(gè)新任務(wù)。而不可搶占方式則是需要等當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行完后再?zèng)Q定。可以采用靜態(tài)方式和動(dòng)態(tài)方式確定任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。靜態(tài)優(yōu)先級(jí)方式根據(jù)任務(wù)的類型或重要性，在創(chuàng)建任務(wù)的時(shí)候就確定任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，并且一直保持不變直到任務(wù)結(jié)束。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)方式在創(chuàng)建任務(wù)的時(shí)候確定任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，但是該優(yōu)先級(jí)可以在任務(wù)的運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)改變，以便獲得更好的調(diào)度性能。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)方式可以克服在靜態(tài)優(yōu)先級(jí)方式中高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一直占用著CPU，而那些低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地得不到CPU的情況。在優(yōu)先級(jí)算法中，對(duì)于優(yōu)先級(jí)相同的兩個(gè)任務(wù)，通常是把任務(wù)按照不同的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分組，然后在不同組的任務(wù)之間使用優(yōu)先級(jí)算法，而在同一組的各個(gè)任務(wù)之間使用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法。77嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第77頁(yè)!圖8.3.7RTOS任務(wù)模型78嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第78頁(yè)!3．最早期限優(yōu)先算法（EarliestDeadlineFirst，EDF）EDF（EarliestDeadlineFirst，最早期限優(yōu)先）調(diào)度算法是一種動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法。EDF算法的基本思路是：根據(jù)任務(wù)的截止時(shí)間來(lái)確定其優(yōu)先級(jí)，對(duì)于時(shí)間期限最近的任務(wù)，分配最高的優(yōu)先級(jí)。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(jí)就有可能要進(jìn)行調(diào)整。EDF算法假設(shè)條件除了它不要求系統(tǒng)中的任務(wù)都必須是周期任務(wù)外，其他的假設(shè)條件與RMS相同。EDF算法可調(diào)度上限為100％。對(duì)于給定的一組任務(wù)，只要它們的CPU使用率小于或等于1，EDF就能找到合適的調(diào)度順序，使得每個(gè)任務(wù)都能在自己的時(shí)間期限內(nèi)完成。79嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第79頁(yè)!在嵌入式微處理器中，MMU（MemoryManagementUnit,存儲(chǔ)管理單元）提供了一種內(nèi)存保護(hù)的硬件機(jī)制。內(nèi)存保護(hù)用來(lái)防止地址越界和防止操作越權(quán)。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(wèn)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(duì)于允許多個(gè)應(yīng)用程序共享的某塊存儲(chǔ)區(qū)域，每個(gè)應(yīng)用程序都有自己的訪問(wèn)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。操作系統(tǒng)通常利用MMU來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)核與應(yīng)用程序的隔離，以及應(yīng)用程序與應(yīng)用程序之間的隔離。防止應(yīng)用程序去破壞操作系統(tǒng)和其他應(yīng)用程序的代碼和數(shù)據(jù)，防止應(yīng)用程序?qū)τ布闹苯釉L問(wèn)。MMU通常只在一些對(duì)安全性和可靠性的要求比較高、系統(tǒng)比較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中存在。80嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第80頁(yè)!對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，實(shí)模式方案簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)管理的開(kāi)銷確定，比較適合于規(guī)模較小、簡(jiǎn)單和實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是沒(méi)有存儲(chǔ)保護(hù)、安全性差，在應(yīng)用程序中出現(xiàn)的任何一個(gè)小錯(cuò)誤或蓄意攻擊都有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。2．保護(hù)模式存儲(chǔ)管理在保護(hù)模式存儲(chǔ)管理方式中，微處理器必須具有MMU硬件并啟用它。在保護(hù)模式存儲(chǔ)管理方式中，系統(tǒng)內(nèi)核和用戶程序有各自獨(dú)立的地址空間，操作系統(tǒng)和MMU共同完成邏輯地址到物理地址的映射；每個(gè)應(yīng)用程序只能訪問(wèn)自己的地址空間，對(duì)于共享的內(nèi)存區(qū)域，也必須按照規(guī)定的權(quán)限規(guī)則來(lái)訪問(wèn)，具有存儲(chǔ)保護(hù)功能。保護(hù)模式存儲(chǔ)管理方式的安全性和可靠性較好，適合于規(guī)模較大、較復(fù)雜和實(shí)時(shí)性要求不太高的系統(tǒng)。81嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ)共94頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第81頁(yè)!

2.可變分區(qū)存儲(chǔ)管理采用可變分區(qū)存儲(chǔ)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(dòng)態(tài)創(chuàng)建的。在系統(tǒng)生成后，操作系統(tǒng)會(huì)占用內(nèi)存的一部分空間，通常放在內(nèi)存地址的最低端，其余的空間則成為一個(gè)完整的大空閑區(qū)。在裝入一個(gè)程序時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)它的需求和內(nèi)存空間的使用情況，從這個(gè)空閑區(qū)當(dāng)中劃出一塊來(lái)，分配給它，當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束后會(huì)釋放所占用的存儲(chǔ)區(qū)域。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)內(nèi)存的分配和回收，將一個(gè)完整的空閑區(qū)劃分成若干個(gè)占用區(qū)和空閑區(qū)。與固定分區(qū)相比，可變分區(qū)存儲(chǔ)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(dòng)態(tài)變化的，非常靈活。每個(gè)分區(qū)都是按需分配的，分區(qū)的大小正好等于任務(wù)的大小。這樣就避免了在固定