1、,實時操作系統(tǒng)ucOS,目標: 本章向?qū)W員介紹操作系統(tǒng)基本概念，通過 本課的學(xué)習(xí)，學(xué)員應(yīng)該掌握如下知識： 操作系統(tǒng)概述 操作系統(tǒng)基本概念,學(xué)時：1.5,一.凡從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工作的人，必須對嵌入式操作系統(tǒng)有足夠的了解。 二.對于初學(xué)者，從C/OS-II開始是個明智的選擇。 1. C/OS-II麻雀雖小，卻五臟基本全（它是個微內(nèi)核） 2.可以學(xué)習(xí)實時系統(tǒng)的一些編程技巧。 3.可以把在學(xué)校中學(xué)到的操作系統(tǒng)抽象概念具體化。 4.具有很強的實用性。 5.學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的好例子。,7.1 實時系統(tǒng)概述,7.1.1 操作系統(tǒng)基本功能,操作系統(tǒng),處理器的管理,存儲管理,網(wǎng)絡(luò)和通信的管理,總之，需要一大堆

2、表,7.2 實時系統(tǒng)概述,實時系統(tǒng)與非實時系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別就在于實時系統(tǒng)中的任務(wù)都有時間限制。,時間限制有兩種：一種是任務(wù)的周期性，按一定周期啟動執(zhí)行的任務(wù)稱為周期性任務(wù)。而隨機啟動執(zhí)行的任務(wù)稱為非周期性任務(wù)。另一種時間限制為時限，即要求任務(wù)在規(guī)定時間內(nèi)完成。,7.2.1 實時系統(tǒng)重要參數(shù),系統(tǒng)發(fā)出處理要求到系統(tǒng)給出應(yīng)答信號的時間,數(shù)據(jù)有效等待時間,任務(wù)之間切換而使用的時間,計算機接收到中斷信號到操作系統(tǒng)作出響應(yīng)，并完成轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的時間,在一給定時間內(nèi)，系統(tǒng)可以處理的事件總數(shù),7.2.2 多任務(wù)系統(tǒng),簡單地說，就是能用一個處理器 并發(fā)（注意，不是同時！ ） 地運行多個程序的計算機管理系統(tǒng)。

3、,并發(fā)：由同一個處理器輪換地運行多個程序?；蛘哒f是由多個 程序輪班地占用處理器這個資源。 且在占用這個資源期間，并不一定能夠把程序運行完畢。,并發(fā)過程 示意圖,處理器如何進行程序的 切換？,7.2.3 使用實時操作系統(tǒng)的必要性,嵌入式實時操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得愈來愈重要。在嵌入式應(yīng)用中，只有把CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時又把操作系統(tǒng)嵌入進去，才是真正的計算機嵌入式應(yīng)用。使用實時操作系統(tǒng)主要有以下幾個因素： 嵌入式實時操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。 提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。 嵌入式實時操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了CPU的多任務(wù)潛力。,7.2.4

4、實時操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點,優(yōu)點：在嵌入式實時操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實時應(yīng)用程序使程序的設(shè)計和擴展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能。通過將應(yīng)用程序分割成若干獨立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為簡化；而且對實時性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過有效的系統(tǒng)服務(wù)，嵌入式實時操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用。,缺點：但是，使用嵌入式實時操作系統(tǒng)還需要額外的ROM/RAM開銷，25%的CPU額外負荷，以及內(nèi)核的費用。,思考：嵌入式系統(tǒng)任務(wù)的典型結(jié)構(gòu),由于嵌入式系統(tǒng)完成的是對一個裝置或設(shè)備的控制任務(wù)，任務(wù)的功能相對固定，因此在一般情況下系統(tǒng)支持的典型任務(wù)是一個無限循環(huán)結(jié)構(gòu)，C語言任務(wù)結(jié)構(gòu)

5、如下：void mytask(void *pdata)for(;)用戶編寫的代碼;從任務(wù)的代碼來看，任務(wù)實質(zhì)上就是一個返回為void的函數(shù)，并在函數(shù)無限循環(huán)中完成用戶的工作，那么，用戶應(yīng)用程序如何來響應(yīng)用戶的一些外部異步事件呢？,7.3 操作系統(tǒng)的基本概念,代碼的臨界段也稱為臨界區(qū)，指處理時不可分割的代碼，運行這些代碼不允許被打斷。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打入。為確保臨界區(qū)代碼的執(zhí)行，在進入臨界區(qū)之前要關(guān)中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完成以后要立即開中斷。,代碼的臨界段,7.3 操作系統(tǒng)的基本概念（續(xù)）,共享資源,可以被一個以上任務(wù)使用的資源叫做共享資源。為了防止數(shù)據(jù)被破壞，每個任務(wù)在

6、與共享資源打交道時，必須獨占該資源，這叫做互斥。,訪問共享資源之前申請信號量,其它任務(wù)訪問受阻 而不能使用共享資源,得到允許后，才能使用共享資源,7.3 操作系統(tǒng)的基本概念（續(xù)）,任務(wù)的優(yōu)先級,每個任務(wù)都有其優(yōu)先級（priority），分為靜態(tài)優(yōu)先級和動態(tài)優(yōu)先級兩種。 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。 應(yīng)用程序執(zhí)行過程中，如果任務(wù)的優(yōu)先級是可變的，則稱之為動態(tài)優(yōu)先級。,任務(wù)執(zhí)行時的順序,7.3 操作系統(tǒng)的基本概念（續(xù)）,調(diào)度,新任務(wù),調(diào)度就是決定該輪到哪個任務(wù)運行了,執(zhí)行,7.3 操作系統(tǒng)的基本概念（續(xù)）

7、,調(diào)度的時間及方式,當一個新的任務(wù)被創(chuàng)建時，是執(zhí)行新任務(wù)還是繼續(xù)執(zhí)行父任務(wù)？ 當一個任務(wù)運行完畢時； 當一個任務(wù)由于I/O、信號量或其他的某個原因被阻塞時； 當一個I/O中斷發(fā)生時，表明某個I/O操作已經(jīng)完成，而等待該I/O操作的任務(wù)轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)； 在分時系統(tǒng)中，當一個時鐘中斷發(fā)生時。,不可搶占（non-preemptive）調(diào)度方式：一個進程若被選中就一直運行下去，直到它被阻塞（I/O，或正在等待其他進程），或主動地交出CPU。 可搶占（preemptive）調(diào)度方式：當一個進程在運行時，調(diào)度程序可以打斷它。另外，在其他一些情形下，如就緒隊列中有新進程的優(yōu)先級高于當前正運行的進程，也可能立即

8、進行調(diào)度。,7.3 操作系統(tǒng)的基本概念（續(xù)）,非占先式(不可剝奪型),非占先式（non-preemptive） 非占先式內(nèi)核要求每個任務(wù)自我放棄CPU的所有權(quán)。非占先式調(diào)度法也稱作合作型多任務(wù)，各個任務(wù)彼此合作共享一個CPU。異步事件還是由中斷服務(wù)來處理。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)。,7.3 操作系統(tǒng)的基本概念（續(xù)）,占先式（可剝奪型）,占先式（preemptive）也稱為可剝奪型 當系統(tǒng)響應(yīng)時間很重要時，要使用占先式內(nèi)核。因此絕大多數(shù)商

9、業(yè)上銷售的實時內(nèi)核都是占先式內(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)進入了就緒狀態(tài)，當前任務(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)。如果是中斷服務(wù)子程序使一個高優(yōu)先級的任務(wù)進入就緒態(tài)，中斷完成時，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級高的那個任務(wù)開始運行。,可重入函數(shù),可以被一個以上的任務(wù)調(diào)用，而不必擔心數(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)最好只使用局部變量，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 int Temp

10、; void swap (int *x,int*y) Temp=*x; *X=*Y; *y=Temp; 一個可重入型函數(shù)的例子 void swap (int *x,int*y) int Temp; Temp=*x; *X=*Y; *y=Temp; ,使用以下技術(shù)之一即可使Swap()函數(shù)具有可重入性： 1.把Temp定義為局部變量 2.調(diào)用Swap()函數(shù)之前關(guān)中斷，調(diào)動后再開中斷 3.用信號量禁止該函數(shù)在使用過程中被再次調(diào)用 如果中斷發(fā)生在Swap()函數(shù)調(diào)用之前或調(diào)用之后，兩個任務(wù)中的X，Y值都會是正確的。,7.3 操作系統(tǒng)的基本概念（續(xù)）,死鎖,死鎖(deadlock) 指兩個任務(wù)無限期

11、地互相等待對方控制著的資源。設(shè)任務(wù)T1正獨享資源R1 ，任務(wù)T2正獨享資源R2，此時任務(wù)T1又要使用資源R2，任務(wù)T2也要使用資源R1，于是兩個任務(wù)都無法繼續(xù)執(zhí)行了。,防止死鎖的方法 1）先得到全部需要的資源，再做下一步的工作； 2）用同樣的順序申請多個資源； 3）釋放資源時，使用相反的順序； 4）使用等待超時。,7.3 操作系統(tǒng)的基本概念（續(xù)）,中斷,中斷是一種硬件機制，通知CPU有個異步事件發(fā)生了。 中斷一旦被識別，CPU保存部分或全部現(xiàn)場(context)后跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)子程序(ISR) ，ISR結(jié)束后可返回到： 在前/后臺系統(tǒng)中，返回到后臺程序； 對不可剝奪型內(nèi)核，返回到被中斷了的任務(wù)

12、； 對可剝奪型內(nèi)核，返回到就緒狀態(tài)優(yōu)先級最高的任務(wù)。 中斷使得CPU可以在事件發(fā)生時才進行處理，而不必讓CPU不斷地查詢是否有事件發(fā)生。 通過開/關(guān)中斷可以讓CPU響應(yīng)或不響應(yīng)中斷。 在實時環(huán)境應(yīng)注意不要使關(guān)中斷時間過長。,7.3 操作系統(tǒng)的基本概念（續(xù)）,時鐘節(jié)拍,時鐘節(jié)拍(clock tick)是特定的周期性中斷，是實時內(nèi)核的心臟。 中斷之間的時間間隔取決于系統(tǒng)實時性要求，一般為10-200ms。 時鐘節(jié)拍率越快，系統(tǒng)的額外開銷就越大。,7.3 操作系統(tǒng)的基本概念（續(xù)）,任務(wù)代碼,任務(wù)堆棧,內(nèi)存,處理器,處理器通過兩個指針寄存器（PC和SP）來與任務(wù)代碼和任務(wù)堆棧建立聯(lián)系并運行它,寄存器組

13、,運行環(huán)境包括了兩部分：處理器中的運行環(huán)境和內(nèi)存中的運行環(huán)境,7.3 操作系統(tǒng)的基本概念（續(xù)）,7.3.1 多任務(wù)運行時的問題,處理器,？,當有多個任務(wù)時，處理器中的運行環(huán)境應(yīng)該怎么辦？,寄存器組,程序運行環(huán)境,7.3.2 多任務(wù)運行時的問題處理,程序,在內(nèi)存中為每個任務(wù)創(chuàng)建一個虛擬的處理器,由操作系統(tǒng)的調(diào)度器按某種規(guī)則來進行這兩個復(fù)制工作,寄存器組,寄存器組,也就是說，任務(wù)的切換是 任務(wù)運行環(huán)境的切換,7.3.3 虛擬處理器,虛擬處理器應(yīng)該存儲的主要信息： 1. 程序的斷點地址（PC） 2. 任務(wù)堆棧指針（SP） 3. 程序狀態(tài)字寄存器（PSW） 4. 通用寄存器內(nèi)容 5. 函數(shù)調(diào)用信息（已

14、存在于堆棧）,另外再用一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存任務(wù)堆棧 指針（SP），這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)叫做任務(wù) 控制塊，它除了保存任務(wù)堆棧指針之 外還要負責保存任務(wù)其他信息。,這些內(nèi)容通常保存在任務(wù)堆棧中，這些內(nèi)容也常叫做任務(wù)的上下文。,任務(wù)控制塊是由操作系統(tǒng)另行構(gòu)造的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個任務(wù)都有一個。,任務(wù)控制塊結(jié)構(gòu)的主要成員 typedef struct os_tcb OS_STK *OSTCBStkPtr; /指向任務(wù)堆棧棧頂?shù)闹羔?INT8U OSTCBStat;/任務(wù)的當前狀態(tài)標志 INT8U OSTCBPrio; /任務(wù)的優(yōu)先級別 OS_TCB;,其實，程序切換的關(guān)鍵是 把程序的私有堆棧指針賦 予處理器的堆棧指針SP,要建立一個概念：具有 控制塊的程序才是一個 可以被系統(tǒng)所運行的