課題（章節(jié)名稱）嵌入式操作系統(tǒng)

時間

2010年9/3日1,23，4節(jié)

10/35,6教學(xué)目的與要求

掌握嵌入式操作系統(tǒng)的分類和特點，明確實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核特點教學(xué)重點

嵌入式操作系統(tǒng)的分類和特點，實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核特點

教學(xué)難點

無教學(xué)方法

講授法教學(xué)時數(shù)

2課外作業(yè)

1.41.5主要內(nèi)容

時間分配

1、嵌入式操作系統(tǒng)的分類2、嵌入式操作系統(tǒng)的特點3、實時操作系統(tǒng)4、目前市場上流行的嵌入式操作系統(tǒng)20303020課后小結(jié)

課時授課計劃

嵌入式系統(tǒng)軟件組成：驅(qū)動層程序?qū)崟r操作系統(tǒng)（RTOS）操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口（API）應(yīng)用程序四、嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺.嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn),解決了嵌入式軟件開發(fā)標準化的難題。嵌入式系統(tǒng)具有操作系統(tǒng)的最基本的功能：進程調(diào)度內(nèi)存管理（沒有虛擬內(nèi)存的管理）設(shè)備管理文件管理操作系統(tǒng)接口(API調(diào)用)

中斷管理嵌入式操作系統(tǒng)具有的特點:

系統(tǒng)可裁減,可配置.系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)支持功能系統(tǒng)具有一定的實時性

嵌入式操作系統(tǒng)的分類：

嵌入式系統(tǒng)的軟/硬件框架馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)CISC與RISCIP核流水線存儲器系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器存儲器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2哈佛體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器程序存儲器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)CISC和RISCCISC：復(fù)雜指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和尋址方式；8/2原則：80%的程序只使用20%的指令；大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運行。RISC：精簡指令集（ReducedInstructionSetComputer)在通道中只包含最有用的指令；確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令；使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更為簡單。

CISC與RISC的數(shù)據(jù)通道IFIDREGALUMEM開始退出IFIDALUMEMREG微操作通道開始退出單通數(shù)據(jù)通道CISC與RISC的對比類別CISCRISC指令系統(tǒng)指令數(shù)量很多較少，通常少于100執(zhí)行時間有些指令執(zhí)行時間很長，如整塊的存儲器內(nèi)容復(fù)制；或?qū)⒍鄠€寄存器的內(nèi)容復(fù)制到存貯器沒有較長執(zhí)行時間的指令編碼長度編碼長度可變，1-15字節(jié)編碼長度固定，通常為4個字節(jié)尋址方式尋址方式多樣簡單尋址操作可以對存儲器和寄存器進行算術(shù)和邏輯操作只能對寄存器對行算術(shù)和邏輯操作，Load/Store體系結(jié)構(gòu)編譯難以用優(yōu)化編譯器生成高效的目標代碼程序采用優(yōu)化編譯技術(shù)，生成高效的目標代碼程序知識產(chǎn)權(quán)核（IP核,intellectualproperty）識產(chǎn)權(quán)知識產(chǎn)權(quán)(IP)電路或核是設(shè)計好并經(jīng)過驗證的集成電路功能單元。IP復(fù)用意味著設(shè)計代價降低（時間，價格）。IP核的類別:微處理器微處理器:ARM,PowerPC;存儲器存儲器:RAM,memorycontroller;外設(shè):PCI,DMAcontroller;多媒體處理:MPEG/JPEG;encoder/decoder;數(shù)字信號處理器(DSP)；通信:Ethernetcontroller,router。IP核的種類SoftCores(“code”)（軟核）HDL語言描述；靈活度高，可修改；與工藝獨立，可根據(jù)具體的加工工藝重新綜合；IP很難保護。Firmcores(“code+structure”)(固核）邏輯綜合后的描述；與工藝相關(guān)。Hardcores(“physical”)(硬核）物理綜合后的描述；準備流片；包含工藝相關(guān)的布局和時序信息；IP很容易保護。多數(shù)的處理器和存儲器IP核的商業(yè)模型三種模式1.設(shè)計者提供設(shè)計和工具的許可證DSPGroup(PineandOakCores),3Soft,ARM。提供包括HDL在內(nèi)的模擬模型，工具或仿真器。使用者負責(zé)設(shè)計制造。2.核廠商設(shè)計并制造集成電路芯片TI,Motorola,Lucent。VLSI,SSI,Cirrus,Adaptec。3.核廠商賣核,負責(zé)為客戶設(shè)計并制造芯片LSIlogic,TI,Lucent。IP核的市場構(gòu)成74%為硬件設(shè)計廠商。26%將購買IP核。40%hard,68%soft,32%firm。ARM的IP核固化宏單元（硬核）ARM920TARM7TDMIARM720TARM1022E可綜合內(nèi)核（軟核）ARM926EJ-SARM7TDMI-SARM1026EJ-S測試芯片ARM10200E流水線技術(shù)流水線技術(shù)：幾個指令可以并行執(zhí)行。提高了CPU的運行效率。內(nèi)部信息流要求通暢流動。譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cmp時間AddSubCmp指令流水線—以ARM為例為增加處理器指令流的速度，ARM7系列使用3級流水線。允許多個操作同時處理，比逐條指令執(zhí)行要快。

PC指向正被取指的指令，而非正在執(zhí)行的指令。FetchDecodeExecute從存儲器中讀取指令解碼指令寄存器讀（從寄存器Bank）移位及ALU操作寄存器寫（到寄存器Bank）PC PCPC-4 PC-2PC-8 PC-4ARM Thumb

最佳流水線該例中用6個時鐘周期執(zhí)行了6條指令。所有的操作都在寄存器中（單周期執(zhí)行）。指令周期數(shù)(CPI)=1。

操作周期 1 2 3 4 56ADDSUBMOVANDORREORCMPRSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetchLDR流水線舉例該例中，用6周期執(zhí)行了4條指令指令周期數(shù)(CPI)=1.5周期

操作 1 2 3 4 5 6ADDSUBLDRMOVANDORRFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDataWritebackFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetch分支流水線舉例流水線被阻斷。注意:內(nèi)核運行在ARM狀態(tài)。周期

12345

0x8000BL0x8004X0x8008XX0x8FECADD0x8FF0SUB0x8FF4MOV地址

操作FetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetchDecodeExecuteLinkretAdjustFetchDecodeFetch存儲器系統(tǒng)RAM：隨機存取存儲器，SRAM：靜態(tài)隨機存儲器，DRAM：動態(tài)隨機存儲器。

SRAM比DRAM快。

SRAM比DRAM耗電多。

DRAM存儲密度比SRAM高得多。

DRM需要周期性刷新。ROM：只讀存儲器。FLASH：閃存。輸入輸出接口I/OA/D、D/A鍵盤LCD存儲器接口設(shè)備接口嵌入式系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)操作系統(tǒng)的分類嵌入式實時操作系統(tǒng)前臺與后臺多任務(wù)，任務(wù)優(yōu)先級，調(diào)度非占先式與占先式、可重入型函數(shù)操作系統(tǒng)的分類（1）順序執(zhí)行系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)只含有一個程序，獨占CPU的運行時間，按語句順序執(zhí)行該程序，直至執(zhí)行完畢，另一程序才能啟動運行。如DOS操作系統(tǒng)。（2）分時操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)同時可以有多個程序運行，把CPU的時間按順序分成若干片，每個時間片內(nèi)執(zhí)行不同的程序，如UNIX。（3）實時操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)有多個程序運行，每個程序有不同的優(yōu)先級，只有最高優(yōu)先級的任務(wù)才能占有CPU的控制權(quán)。按實時性分類強實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時間在毫秒或微秒級（數(shù)控機床）。一般實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時間在毫秒到幾秒的數(shù)量級上，其實時性的要求比強實時系統(tǒng)要差一些（媒體播放）。弱實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時間約為數(shù)十秒或更長。1.循環(huán)輪詢系統(tǒng)：（PollingLoop）最簡單的軟件結(jié)構(gòu)是循環(huán)輪詢，程序依次檢查系統(tǒng)的每一個輸入條件，一旦條件成立就進行相應(yīng)的處理。Initialize()While(true){if(condition_1)action_1();if(condition_2)action_2();……if(condition_n)acition_n();}按軟件結(jié)構(gòu)分類2.事件驅(qū)動系統(tǒng)：（Event-Drivensystem）事件驅(qū)動系統(tǒng)是能對外部事件直接響應(yīng)的系統(tǒng)。它包括前后臺、實時多任務(wù)、多處理器等，是嵌入式實時系統(tǒng)的主要形式。應(yīng)用程序是一個無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成后臺行為（background）。中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看成前臺行為（foreground)。后臺也可以叫做任務(wù)級，前臺也叫中斷級。例如，很多基于微處理器的產(chǎn)品采用前后臺系統(tǒng)設(shè)計，如微波爐、電話機、玩具等。從省電的角度出發(fā)，平時微處理器處在停機狀態(tài)，所有的事都靠中斷服務(wù)來完成。前后臺系統(tǒng)（后臺循環(huán)、前臺中斷）ISRISR后臺前臺ISR時間代碼的臨界區(qū)也稱為臨界區(qū)，指處理時不可分割的代碼。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打斷。在進入臨界區(qū)之前要關(guān)中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完以后要立即開中斷（在任務(wù)切換時，地址、指令、數(shù)據(jù)等寄存器堆棧保護）。代碼的臨界區(qū)多任務(wù)（任務(wù)、進程和線程）CPU寄存器任務(wù)控制塊1任務(wù)控制塊2任務(wù)控制塊n休眠、就緒、運行、掛起、被中斷任務(wù)1任務(wù)2任務(wù)n……CPU寄存器一個任務(wù)，也稱作一個線程，是一個簡單的運行程序。每個任務(wù)都是整個應(yīng)用的某一部分，每個任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級，有它自己的一套CPU寄存器和自己的?？臻g。多任務(wù)運行的實現(xiàn)實際上是靠CPU（中央處理單元）在許多任務(wù)之間轉(zhuǎn)換、調(diào)度。

CPU只有一個，輪番服務(wù)于一系列任務(wù)中的某一個。多任務(wù)運行使CPU的利用率得到最大的發(fā)揮，并使應(yīng)用程序模塊化。在實際應(yīng)用中，多任務(wù)的最大特點是，開發(fā)人員可以將很復(fù)雜的應(yīng)用程序?qū)哟位?，如綜合實驗（時鐘、位圖、USB、KEY）。任務(wù)的狀態(tài)系統(tǒng)內(nèi)核（Kernel)與調(diào)度（Scheduler)多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負責(zé)管理各個任務(wù)，或者說為每個任務(wù)分配CPU時間，并且負責(zé)任務(wù)之間的通信。內(nèi)核（Kernel)：提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。內(nèi)核本身也增加了應(yīng)用程序的額外負荷，代碼空間增加ROM用量，內(nèi)核本身數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了RAM的用量。內(nèi)核本身對CPU的占用時間一般在2到5個百分點之間。調(diào)度（Scheduler）：是內(nèi)核的主要職責(zé)之一，就是要決定該輪到哪個任務(wù)運行了。多數(shù)實時內(nèi)核是基于優(yōu)先級調(diào)度法的。每個任務(wù)根據(jù)其重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級。基于優(yōu)先級的調(diào)度法則，CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)先運行。非占先式與占先式非占先式（non-preemptive）調(diào)度法也稱作合作型多任務(wù)（cooperativemultitasking），各個任務(wù)彼此合作共享一個CPU。中斷服務(wù)可以使一個高優(yōu)先級的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷服務(wù)以后控制權(quán)還是回到原來被中斷了的那個任務(wù)，直到該任務(wù)主動放棄CPU的使用權(quán)時，那個高優(yōu)先級的任務(wù)才能獲得CPU的使用權(quán)。非占先式內(nèi)核的一個特點是幾乎不需要使用信號量保護共享數(shù)據(jù)。運行著的任務(wù)占有CPU，而不必擔(dān)心被別的任務(wù)搶占。非占先式內(nèi)核的最大缺陷在于其響應(yīng)高優(yōu)先級的任務(wù)慢，任務(wù)已經(jīng)進入就緒態(tài)，但還不能運行，也許要等很長時間，直到當(dāng)前運行著的任務(wù)釋放CPU。內(nèi)核的任務(wù)級響應(yīng)時間是不確定的，不知道什么時候最高優(yōu)先級的任務(wù)才能拿到CPU的控制權(quán)，完全取決于應(yīng)用程序什么時候釋放CPU。非占先式(Non-Preemptive)低優(yōu)先級任務(wù)ISR高優(yōu)先級任務(wù)（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）中斷服務(wù)程序使高優(yōu)先級任務(wù)就緒低優(yōu)先級任務(wù)釋放CPU使用權(quán)TIME當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時間很重要時，要使用占先式（preemptive）內(nèi)核。最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的控制權(quán)。當(dāng)一個運行著的任務(wù)使一個比它優(yōu)先級高的任務(wù)進入了就緒態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了，或者說被掛起了，那個高優(yōu)先級的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。使用占先式內(nèi)核時，應(yīng)用程序不應(yīng)直接使用不可重入型函數(shù)。如果調(diào)入可重入型函數(shù)時，低優(yōu)先級的任務(wù)CPU的使用權(quán)被高優(yōu)先級任務(wù)剝奪，不可重入型函數(shù)中的數(shù)據(jù)有可能被破壞。占先式（preemptive）占先式(Preemptive)低優(yōu)先級任務(wù)ISR高優(yōu)先級任務(wù)（1）（2）（3）（4）（5）（6）中斷服務(wù)程序使高優(yōu)先級任務(wù)就緒高優(yōu)先級任務(wù)得到CPU使用權(quán)TIME可以被一個以上的任務(wù)調(diào)用，而不必擔(dān)心數(shù)據(jù)的破壞?？芍厝胄秃瘮?shù)任何時候都可以被中斷，一段時間以后又可以運行，而相應(yīng)數(shù)據(jù)不會丟失?？芍厝胄秃瘮?shù)或者只使用局部變量，即變量保存在CPU寄存器中或堆棧中。一個不可重入型函數(shù)的例子intTemp;Voidswap(int*x,int*y){Temp=*x;*X=*Y;*y=Temp;}可重入型函數(shù)一個可重入型函數(shù)的例子Voidswap(int*x,int*y){intTemp;Temp=*x;*X=*Y;*y=Temp;}任務(wù)優(yōu)先級靜態(tài)優(yōu)先級應(yīng)用程序執(zhí)行過程中諸任務(wù)優(yōu)先級不變，則稱之為靜態(tài)優(yōu)先級。在靜態(tài)優(yōu)先級系統(tǒng)中，諸任務(wù)以及它們的時間約束在程序編譯時是已知的。動態(tài)優(yōu)先級應(yīng)用程序執(zhí)行過程中，任務(wù)的優(yōu)先級是可變的，則稱之為動態(tài)優(yōu)先級。實時內(nèi)核應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。優(yōu)先級反轉(zhuǎn)

實時系統(tǒng)的定義：能夠?qū)ν獠渴录龀黾皶r響應(yīng)的系統(tǒng)。響應(yīng)時間要有保證。對外部事件的響應(yīng)包括：事件發(fā)生時要識別出來在給定時間約束內(nèi)必須輸出結(jié)果實時操作系統(tǒng)必須有以下特征：多任務(wù)有線程優(yōu)先級多種中斷級別硬實時系統(tǒng)：系統(tǒng)對系統(tǒng)響應(yīng)時間有嚴格的要求如果系統(tǒng)響應(yīng)時間不能滿足就