—嵌入式操作系統(tǒng)2006年5月12日

嵌入式系統(tǒng)主要內(nèi)容嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)微內(nèi)核與單內(nèi)核嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展近十年來，嵌入式操作系統(tǒng)得到飛速的發(fā)展從支持8位微處理器到16位、32位甚至64位微處理器；從支持單一品種的微處理器芯片到支持多品種微處理器芯片；從只有內(nèi)核到除了內(nèi)核外還提供其他功能模塊，如文件系統(tǒng)，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，窗口圖形系統(tǒng)等。嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀（續(xù)）

分層和模塊化結(jié)構(gòu)，將操作系統(tǒng)分為：硬件無關(guān)層硬件抽象層硬件相關(guān)層每層再劃分功能模塊移植工作集中在硬件相關(guān)層，與其余兩層無關(guān)功能的伸縮集中在模塊上，從而確保了系統(tǒng)具有良好的可移植性和可伸縮性。嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀（續(xù)）功能復(fù)雜，具有可剪裁、可配置的能力

采用的主要技術(shù)：可剪裁技術(shù)。操作系統(tǒng)以內(nèi)核為中心，包括很多獨立的功能組件如文件、網(wǎng)絡(luò)等。除內(nèi)核外其他組件的選擇任意搭配，由應(yīng)用決定?？膳渲眉夹g(shù)。每個功能組件都可以根據(jù)應(yīng)用的要求進行配置，比如最大任務(wù)數(shù)、內(nèi)存地址、堆棧大小、系統(tǒng)任務(wù)的優(yōu)先級、緩沖區(qū)大小及文件數(shù)等。嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀（續(xù)）良好的實時性:時間確定性是嵌入式實時操作系統(tǒng)必備的特點，特別對于強實時嵌入式系統(tǒng)而言尤為重要。采用的主要技術(shù)：采用實時調(diào)度算法。主要采用靜態(tài)優(yōu)先級的可搶占式調(diào)度、比率單調(diào)算法等。采用內(nèi)存靜態(tài)分配策略和零拷貝技術(shù)保證確定性。內(nèi)存管理不采用虛存管理機制采用優(yōu)先級繼承和優(yōu)先級天花板兩種技術(shù)解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)（倒置）問題嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢體系結(jié)構(gòu)向微內(nèi)核方向發(fā)展可伸縮、可移植、可剪裁、可配置行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)：多種操作系統(tǒng)平臺，應(yīng)用決定操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大高可用（HighAvailable）、高可靠（HighReliable）、支持多處理器和分布式計算可動態(tài)加載和升級軟件與開發(fā)工具有機的結(jié)合起來行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)性嵌入式軟硬件平臺嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心的系統(tǒng)，不會象PC一樣只有一種平臺吸取PC的成功經(jīng)驗，形成不同行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)具有開放、設(shè)計技術(shù)共享、軟硬件重用、構(gòu)件兼容、維護方便和合作生產(chǎn)的特點，是增強行業(yè)性產(chǎn)品競爭能力的有效手段。嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)常常有實時要求早期:嵌入式操作系統(tǒng)=實時操作系統(tǒng)近期:1)手持計算機和掌上計算機的出現(xiàn);2)CPU速度的提高;3)常規(guī)操作系統(tǒng)增加實時進程調(diào)度的支持,如POSIX.4嵌入式操作系統(tǒng)<>實時操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)許多嵌入式操作系統(tǒng)不采用存儲管理技術(shù),即不支持虛擬存儲技術(shù)許多嵌入式操作系統(tǒng)不劃分“系統(tǒng)空間”和“用戶空間”操作系統(tǒng)的“內(nèi)核”與外圍應(yīng)用程序之間不再有物理的邊界;系統(tǒng)中所謂“進程”實際上全都是內(nèi)核線程靜態(tài)連接、系統(tǒng)調(diào)用、進程調(diào)度/切換嵌入式操作系統(tǒng)對任何一個應(yīng)用程序做細(xì)微的修改，都得重新生成整個系統(tǒng)，并且“下載”之；系統(tǒng)調(diào)用的界面太龐大；共享變量的訪問，需要謹(jǐn)慎對待；把通用操作系統(tǒng)上的應(yīng)用移植過來需考慮“可重入”的問題；嵌入式操作系統(tǒng)不分系統(tǒng)空間和用戶空間<>必須靜態(tài)連接如DOS、CP/M的INT21不分系統(tǒng)空間和用戶空間<>不能用頁面映射技術(shù)但只用于不同進程之間，而非不同空間之間即使采用了存儲管理，基本上都不采用頁面交換技術(shù)重啟動技術(shù)（watchdog）中斷延遲（InterruptLatency）中斷不可嵌套LINUX的BottomHalf中斷可嵌套：優(yōu)先級中斷大多微處理器不支持；LINUX不支持；UNIX支持與指令集有關(guān)DMA操作有關(guān)保證系統(tǒng)調(diào)用的原子性有關(guān)調(diào)度延遲（SchedulingLatency）中斷處理程序進程處理一般調(diào)度算法（RoundRobin）不能及時選中基于優(yōu)先級調(diào)度算法，一般能及時選中如果目標(biāo)進程優(yōu)先級低呢？可剝奪調(diào)度和不可剝奪調(diào)度LINUX是屬于什么調(diào)度？Linux既不是完全的可剝奪，也不是完全的不可剝奪上下文切換延遲（ContextSwitchLatency）大小取決于CPU和操作系統(tǒng)采用MMU>不采用MMU實時性簡介對于什么是實時系統(tǒng)，POSIX1003.b作了這樣的定義：指系統(tǒng)能夠在限定的響應(yīng)時間內(nèi)提供所需水平的服務(wù)實時系統(tǒng)根據(jù)其對于實時性要求的不同，可以分為軟實時和硬實時兩種類型一個計算機系統(tǒng)為了提供對于實時性的支持，它的操作系統(tǒng)必須對于CPU和其他資源進行有效的調(diào)度和管理，即實時調(diào)度實時調(diào)度分類各種實時操作系統(tǒng)的實時調(diào)度算法從調(diào)度策略上可以分為如下三種類別：基于優(yōu)先級的調(diào)度算法（Priority-drivenscheduling-PD）基于CPU使用比例的共享式的調(diào)度算法（Share-drivenscheduling-SD）基于時間的進程調(diào)度算法（Time-drivenscheduling-TD）從調(diào)度方式上來講可以分為：可搶占不可搶占從時間片來分：固定時間片可變時間片

實時性改造

對操作系統(tǒng)實時性的擴展可以從兩方面進行:向外擴展和向上擴展向外擴展是從范圍上擴展，讓實時系統(tǒng)支持的范圍更廣，支持的設(shè)備更多向上擴展是擴充操作系統(tǒng)內(nèi)核，從功能上擴充系統(tǒng)的實時處理實時系統(tǒng)在實時計算中，系統(tǒng)的正確性不僅僅依賴于計算的邏輯結(jié)果而且依賴于結(jié)果產(chǎn)生的時間響應(yīng)時間限定可預(yù)知實時操作系統(tǒng)與I/O實時操作系統(tǒng)還需要有效的中斷處理能力來處理異步事件和高效的I/O能力來處理有嚴(yán)格時間限制的數(shù)據(jù)收發(fā)應(yīng)用。即:系統(tǒng)應(yīng)該有在事先定義的時間范圍內(nèi)識別和處理離散的事件的能力。系統(tǒng)能夠處理和存儲控制系統(tǒng)所需要的大量的數(shù)據(jù)。RTOS基本struct實時多任務(wù)core任務(wù)管理:多任務(wù)和基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度定時器:系統(tǒng)的實時時鐘服務(wù)，以及各個定時任務(wù)的調(diào)入等Mem:管理系統(tǒng)的內(nèi)存資源，如DRAM,ROM,FLASHRAM等資源管理:管理系統(tǒng)的各種資源如系統(tǒng)的各種設(shè)備，端口，中斷等；事件和消息管理：管理各種系統(tǒng)級的事件，如實時中斷響應(yīng)，各種異常等；任務(wù)間同步和通信（信號量和郵箱等）以及各種系統(tǒng)消息和應(yīng)用程序之間的通訊RTOS的系統(tǒng)調(diào)用90%以上的設(shè)備獨立RTOS的任務(wù)－－分時系統(tǒng)Process實時帶來的問題1-時間在實時系統(tǒng)中最基本的是系統(tǒng)應(yīng)該能夠提供對時間正確性進行指定的方法系統(tǒng)提供一種指定時間尺度的方法通用系統(tǒng)的延時不能滿足問題2－實時系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)實時系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)必須滿足：高運算速度高速的中斷處理高的I/O吞吐率合理的處理器和I/O設(shè)備的拓?fù)溥B接高速可靠的和有時間約束的通信體系結(jié)構(gòu)支持的出錯處理體系結(jié)構(gòu)支持的調(diào)度體系結(jié)構(gòu)支持的操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)支持的實時語言特性問題3－容錯與分布穩(wěn)定性容錯分布式應(yīng)用問題4－實時通訊邏輯正確要有確定的延遲時間問題5－其他問題時間特性的指定和確正，這點與實際系統(tǒng)設(shè)計相同。實時的調(diào)度理論。由于實時系統(tǒng)應(yīng)用的特殊性以往通用系統(tǒng)中以大吞吐量為目標(biāo)的調(diào)度算法必須改進以適應(yīng)實時應(yīng)用的需要。主要要求是滿足時間的正確性，然后提供高度動態(tài)的，滿足在線需求的，適應(yīng)性的實時調(diào)度。實時操作系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。在設(shè)計上首要目標(biāo)是提供保證實時性的方法，包括一系列的經(jīng)典問題的針對實時系統(tǒng)的解決方案。實現(xiàn)上要求操作系統(tǒng)的低開銷，而且必須保證內(nèi)核以及其他關(guān)鍵的可重入性。實時的編程語言和設(shè)計方法。在編程語言級完成或提供實時應(yīng)用所需要的方法。如Ada語言，F(xiàn)ORTH語言。分布式的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的容錯實時時鐘的同步實時系統(tǒng)中的人工智能與通用計算機區(qū)別通用：方便用戶管理計算機資源追求系統(tǒng)資源最大利用率RTOS調(diào)度的實時性響應(yīng)時間可確定性高可靠性性能衡量標(biāo)準(zhǔn)對傳統(tǒng)的通用系統(tǒng):大的系統(tǒng)吞吐量合理的響應(yīng)速度對每個系統(tǒng)用戶相對公平的進行計算資源的分配實時系統(tǒng)實時的數(shù)據(jù)吞吐取代了以吞吐量為目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。對硬實時應(yīng)用的優(yōu)先響應(yīng)取代了對每個用戶的恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)速度。系統(tǒng)的計算資源和其他外設(shè)資源必須優(yōu)先滿足實時應(yīng)用的要求RTOS的衡量指標(biāo)系統(tǒng)響應(yīng)時間(Systemresponsetime)：系統(tǒng)發(fā)出處理要求到系統(tǒng)給出應(yīng)答信號的時間;上下文切換時間(Context-switchingtime):任務(wù)之間切換而使用的時間;中斷延遲(Interruptlatencytime):是計算機接收到中斷信號到操作系統(tǒng)作出響應(yīng)，并完成換道轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的時間;RTOS的任務(wù)調(diào)度機制決定了多任務(wù)能力與實時性通用模式：調(diào)度策略：優(yōu)先級調(diào)度、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度調(diào)度方式：搶占式、不可搶占式、選擇可搶占式時間片：定長時間片與變長時間片RTOS一般使用搶占式任務(wù)調(diào)度時間限定的任務(wù)調(diào)度算法速度單調(diào)算法工作由定期任務(wù)組織任務(wù)時間定長度使用頻率高的優(yōu)先級高時限驅(qū)動算法工作定期與不定期執(zhí)行時長隨著時間變化下一個要安排執(zhí)行的任務(wù)是時限最早的任務(wù)存儲管理單元（MMU）實模式保護模式Mem管理中斷禁止時間用戶態(tài)－>中斷態(tài)中斷延時時間確認(rèn)中斷-----中斷服務(wù)第一語句執(zhí)行三部分Microprocessor的硬件延時RTOS由中斷將權(quán)利交給相關(guān)代碼的時間中斷禁止時間可中斷式內(nèi)核中斷發(fā)生時；即使運行核心服務(wù)也保證一定時間內(nèi)響應(yīng)縮短中斷延時時間任務(wù)切換時間控制權(quán)取回交給另外一任務(wù)兩個主要評價實時性的指標(biāo)：

最大中斷禁止時間任務(wù)切換時間任務(wù)分時系統(tǒng)以進程（線程）為基本單位RTOS以任務(wù)為基本單位組成：任務(wù)控制塊程序區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)堆棧區(qū)系統(tǒng)堆棧用戶堆棧任務(wù)的狀態(tài)運行就緒掛起休眠任務(wù)的同步與通訊消息事件信號量信箱共享內(nèi)存消息系統(tǒng)公用數(shù)據(jù)交換區(qū)私有消息緩沖區(qū)公用消息緩沖池消息機制創(chuàng)建刪除接受消息發(fā)送消息廣播消息緊急消息消息可以是定長與不定長事件應(yīng)用于同步，通訊數(shù)據(jù)量不大接受事件發(fā)送事件RTOS一般有15－32個事件信號量創(chuàng)建刪除P操作V操作RTOS需要解決優(yōu)先級倒置問題優(yōu)先級倒置問題條件高優(yōu)先級任務(wù)H低優(yōu)先級任務(wù)L中優(yōu)先級任務(wù)M共享內(nèi)存Y，寫操作信號量S，互斥優(yōu)先級倒置問題步驟1）L取得S（P操作），但是未做V操作2）H中斷，H運行態(tài)3）H寫Y，但是Y的S被占用4）L重新取得控制權(quán)5）M出現(xiàn)，取得控制權(quán)結(jié)果：M比H優(yōu)先

如果不斷的M出現(xiàn)，H不能執(zhí)行解決方法1、采用非搶占式任務(wù)管理2、優(yōu)先級繼承L搶回控制權(quán)后，暫時繼承H的優(yōu)先級（priorityinheritance）設(shè)S為正占用著某項共享資源的進程P以及所有正在等待占用這個資源的進程的集合；找出這個集合中的優(yōu)先級最高者，其優(yōu)先級為P’把進程P的優(yōu)先級設(shè)置成P’

優(yōu)先級封頂（priorityceiling）設(shè)S為所有可能競爭使用某項共享資源的進程的集合。事先為這個集合規(guī)定一個優(yōu)先級上限p’，使得這個集合中所有進程的優(yōu)先級都小于p’。注意p’并不一定是整個系統(tǒng)中的最好優(yōu)先級。在創(chuàng)建保護該項資源的信號量或互斥量時，將p’作為一個參數(shù)。每當(dāng)有進程通過這個信號量或互斥量取得共享資源時，就將此進程的優(yōu)先級暫時提高到p’，一直到釋放該項資源的時候才恢復(fù)其原有的優(yōu)先級?？梢钥闯?，操作系統(tǒng)的“實時”與否，并不僅僅取決于速度問題，甚至更多的是反應(yīng)速度和處理時間的可預(yù)測性問題。微內(nèi)核與單內(nèi)核分層模擬通用計算機需要“大而全”的內(nèi)核你不需要，別人可能需要當(dāng)局限于某個具體領(lǐng)域時，做些“裁減”嵌入式系統(tǒng)的用戶群以及對功能的要求是相對封閉的商業(yè)上考慮，大而全也不合適微內(nèi)核與單內(nèi)核（續(xù)）“裁減”或“系統(tǒng)生成”沒有根本上解決問題將內(nèi)核中的部分內(nèi)容移到內(nèi)核外面，作為服務(wù)進程運行。代表：MACH把內(nèi)核中的部分內(nèi)容移到外面，但不作為獨立的進程運行，而是作為讓應(yīng)用程序調(diào)用的庫函數(shù)存在。fopen與opensocket微內(nèi)核與單內(nèi)核（續(xù)）在微內(nèi)核中保留哪些東西？進程管理存儲管理進程間通信中斷響應(yīng)框架微內(nèi)核的優(yōu)先級倒置問題有A、B兩個應(yīng)用程序，A的優(yōu)先級比B高，但是A在睡眠，而B在運行。B需要進行文件操作，發(fā)請求給文件服務(wù)進程，自己進入睡眠，等待文件操作完成本來在睡眠的文件服務(wù)進程接受到B的請求后開始為B服務(wù)。此時A因某外部事件而變成就緒。發(fā)生調(diào)度時，A與文件服務(wù)進程都是就緒狀態(tài)。文件服務(wù)進程由于優(yōu)先級高而更為優(yōu)先?？墒俏募?wù)進程代表的是B，因此發(fā)生優(yōu)先級倒置。微內(nèi)核的優(yōu)先級倒置問題以上問題的解決辦法是采用“客戶驅(qū)動優(yōu)先級”，但是對于LINUX等操作系統(tǒng)，由于是不可剝奪的，因此天生