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三嵌入式实时操作系统简介2一、嵌入式实时操作系统一、嵌入式实时操作系统 C/OS二、嵌入式二、嵌入式Linux三、三、WinCE第三讲、嵌入式实时操作系统简介第三讲、嵌入式实时操作系统简介3一、一、嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统 C/OSC/OS1 1、C/OSC/OSmicro C O S，微控制器操作系统，微控制器操作系统2 2、C/OSC/OS简介l美国人美国人Jean Labrosse 1992年完成年完成l应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设备、发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机设备、发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等等 l1998年年 C/OSC/OS-II，目前的版本，目前的版本 C/OSC/OS-II V2.61 l网站网站www.ucos-II.com4u公开源代码公开源代码u可移植性（可移植性（PortablePortable）绝大部分绝大部分 C/OS-IIC/OS-II的源码是用移植性很强的的源码是用移植性很强的ANSI CANSI C写的。和微处理器写的。和微处理器硬件相关的那部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分已经压到最低硬件相关的那部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分已经压到最低限度，使得限度，使得 C/OS-IIC/OS-II便于移植到其他微处理器上。便于移植到其他微处理器上。C/OS-IIC/OS-II可以在绝可以在绝大多数大多数8 8位、位、1616位、位、3232位以至位以至6464位微处理器、微控制器位微处理器、微控制器 、数字信号处理、数字信号处理器（器（DSPDSP）上运行。）上运行。u可固化（可固化（ROMableROMable）C/OS-IIC/OS-II是为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要读者有固化手段是为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要读者有固化手段（C C编译、连接、下载和固化），编译、连接、下载和固化），C/OS-IIC/OS-II可以嵌入到读者的产品中可以嵌入到读者的产品中成为产品的一部分。成为产品的一部分。u可裁剪（可裁剪（ScalableScalable）可以只使用可以只使用 C/OS-IIC/OS-II中应用程序需要的那些系统服务。也就是说某产品中应用程序需要的那些系统服务。也就是说某产品可以只使用很少几个可以只使用很少几个 C/OS-IIC/OS-II调用，而另一个产品则使用了几乎所有调用，而另一个产品则使用了几乎所有 C/OS-IIC/OS-II的功能，这样可以减少产品中的的功能，这样可以减少产品中的 C/OS-IIC/OS-II所需的存储器空间所需的存储器空间（RAMRAM和和ROMROM）。这种可剪裁性是靠条件编译实现的。）。这种可剪裁性是靠条件编译实现的。C/OS的性能特点的性能特点5u占先式（占先式（PreemptivePreemptive）u多任务多任务 C/OS-IIC/OS-II可以管理可以管理6464个任务，然而，目前这一版本保留个任务，然而，目前这一版本保留8 8个给系统。应用程序最多个给系统。应用程序最多可以有可以有5656个任务个任务u可确定性可确定性 全部全部 C/OS-IIC/OS-II的函数调用与服务的执行时间具有可确定性。的函数调用与服务的执行时间具有可确定性。u任务栈任务栈 每个任务有自己单独的栈，每个任务有自己单独的栈，C/OS-IIC/OS-II允许每个任务有不同的栈空间，以便压低应允许每个任务有不同的栈空间，以便压低应用程序对用程序对RAMRAM的需求。的需求。u系统服务系统服务 C/OS-IIC/OS-II提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、块大小固定的内存提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、块大小固定的内存的申请与释放、时间相关函数等。的申请与释放、时间相关函数等。u中断管理中断管理 中断可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任务被该中断唤醒，则高中断可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任务被该中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层数可达优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层数可达255255层。层。u稳定性与可靠性稳定性与可靠性 C/OS的性能特点的性能特点6l内核结构内核结构l任务管理任务管理l时间管理时间管理l任务之间通信与同步任务之间通信与同步l C/OS的移植的移植 C/OS的内核的内核7总结总结l不存在一个内核任务不存在一个内核任务/实体，内核的管理是通过实体，内核的管理是通过调用系统函数来实现的。调用系统函数来实现的。l每个任务有自己的堆栈空间。内核对任务的占每个任务有自己的堆栈空间。内核对任务的占先式调度不会干扰每个任务的总的运行结果。先式调度不会干扰每个任务的总的运行结果。8uC/OS的改进的改进l固定的基于优先级的调度，不支持时间片，使用固定的基于优先级的调度，不支持时间片，使用起来不方便。一个任务的基础上增加一个基于时起来不方便。一个任务的基础上增加一个基于时间片的微型调度核间片的微型调度核l在对临界资源的访问上使用关闭中断实现，没有在对临界资源的访问上使用关闭中断实现，没有使用使用CPU提供的硬件指令，例如测试并置位。提供的硬件指令，例如测试并置位。l系统时钟中断，没有提供用户使用定时器，可以系统时钟中断，没有提供用户使用定时器，可以借鉴借鉴linux的定时器加以修改的定时器加以修改l可以加上文件系统和可以加上文件系统和TCP/IP协议栈协议栈9二、嵌入式二、嵌入式LinuxLinux10二、嵌入式二、嵌入式LinuxLinuxlLinux系统是层次结构且内核完全开放系统是层次结构且内核完全开放l强大的网络支持功能强大的网络支持功能 lLinux具备一整套开发工具链具备一整套开发工具链 lLinux具有广泛的硬件支持特性具有广泛的硬件支持特性 l同步跟踪快同步跟踪快 l遵循通用国际标准，便于程序的移植遵循通用国际标准，便于程序的移植 11Linux的结构的结构l类类UNIX板级支持包板级支持包(BSP)是在嵌入式系统中频繁使用的一个概念。是在嵌入式系统中频繁使用的一个概念。BSP是介于是介于操作系统和系统硬件之间的一个抽象层，确切的说是操作系统的一部分。通操作系统和系统硬件之间的一个抽象层，确切的说是操作系统的一部分。通常所指的常所指的BSP包括启动代码和系统相关的驱动和程序。包括启动代码和系统相关的驱动和程序。BSP的作用使硬件对的作用使硬件对于操作系统变得透明，从而使嵌入式系统和它的应用程序能够运行在不同的于操作系统变得透明，从而使嵌入式系统和它的应用程序能够运行在不同的硬件平台上。硬件平台上。12嵌入式嵌入式LinuxLinuxl 嵌入式嵌入式Linux(Embedded Linux)是指对是指对Linux经经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百K字字节或几兆字节的存储器芯片或单片机中，应用于节或几兆字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用特定嵌入式场合的专用Linux操作系统。嵌入式操作系统。嵌入式Linux的开发和研究是目前操作系统领域的一个的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点。热点。lRTLinuxl CLinuxl13Linux作为嵌入式应用的缺点作为嵌入式应用的缺点 首先首先linux最初设计为通用操作系统，其目标是追最初设计为通用操作系统，其目标是追求整体最佳性能，所以不能很好处理实时任务；求整体最佳性能，所以不能很好处理实时任务；其次，如何精简其次，如何精简linux适用于嵌入式环境也是一个适用于嵌入式环境也是一个难题。难题。14嵌入式嵌入式linux的研究内容的研究内容l嵌入式嵌入式linux内核技术内核技术 l嵌入式库技术嵌入式库技术 l开发环境技术开发环境技术 l嵌入式应用嵌入式应用 lBIOS和和boot loader启动加载程序启动加载程序 l设备驱动技术设备驱动技术l图形界面技术图形界面技术 15几种嵌入式几种嵌入式LinuxlHardhat linux Hardhat Linux是由是由MontaVista公司开发产品，是目前最公司开发产品，是目前最具影响力嵌入式具影响力嵌入式Linux。MontaVista通过直接修改内核来扩通过直接修改内核来扩充充linux内核的实时性。内核的实时性。lRTlinux RTlinux是是FSMLabs16开发的硬实时嵌入式开发的硬实时嵌入式linux。RTlinux使用双内核结构；在底层使用一个硬实时内核，使用双内核结构；在底层使用一个硬实时内核，linux作为该内核的空闲任务；当有实时任务时，通过硬实作为该内核的空闲任务；当有实时任务时，通过硬实时内核调度该任务；没有其他任务时，则运行普通时内核调度该任务；没有其他任务时，则运行普通linux。luClinux uClinux是针对无是针对无mmu（存储器管理单元）（存储器管理单元）微控制领域而设计的微控制领域而设计的Linux系统。系统。u是希腊字母表示是希腊字母表示”小小”,C是是controller表示控制器。表示控制器。uClinux和标准和标准linux最大最大的区别是内存管理上，标准的区别是内存管理上，标准linux利用利用CPU硬件的支持实现虚拟内存机制，而硬件的支持实现虚拟内存机制，而uClinux采用实存储器管理策略。采用实存储器管理策略。16 Clinuxl Clinux的内核结构图如下：的内核结构图如下：17对开发人员提出的更高要求对开发人员提出的更高要求l从易用性来说，从易用性来说，uClinux的内存管理实际上是一种倒退，退的内存管理实际上是一种倒退，退回了到了回了到了UNIX早期或是早期或是Dos系统时代。开发人员不得不参系统时代。开发人员不得不参与系统的内存管理。从编译内核开始，开发人员必须告诉系与系统的内存管理。从编译内核开始，开发人员必须告诉系统这块开发板到底拥有多少的内存。统这块开发板到底拥有多少的内存。l由于应用程序加载时必须分配连续的地址空间，而针对可连由于应用程序加载时必须分配连续的地址空间，而针对可连续地址分配内存大小是受限的，开发人员在开发应用程序时续地址分配内存大小是受限的，开发人员在开发应用程序时必须考虑内存的分配情况并关注应用程序需要运行空间的大必须考虑内存的分配情况并关注应用程序需要运行空间的大小。另外由于采用实存储器管理策略，小。另外由于采用实存储器管理策略，18对开发人员提出的更高要求对开发人员提出的更高要求l用户程序同内核以和其它用户程序在一个地址空间，程序开用户程序同内核以和其它用户程序在一个地址空间，程序开发时要保证不侵犯其它程序的地址空间，以使得程序不至于发时要保证不侵犯其它程序的地址空间，以使得程序不至于破坏系统的正常工作，或导致其它程序的运行异常。从内存破坏系统的正常工作，或导致其它程序的运行异常。从内存的访问角度来看，开发人员的权利增大了（开发人员在编程的访问角度来看，开发人员的权利增大了（开发人员在编程时可以访问任意的地址空间），但与此同时系统的安全性也时可以访问任意的地址空间），但与此同时系统的安全性也大为下降。大为下降。l从嵌入式设备实现的功能来看，嵌入式设备通常在某一特定从嵌入式设备实现的功能来看，嵌入式设备通常在某一特定的环境下运行，只要实现特定的功能，其功能相对简单，内的环境下运行，只要实现特定的功能，其功能相对简单，内存管理的要求完全可以由开发人员考虑。存管理的要求完全可以由开发人员考虑。19内核加载方式内核加载方式 luCLinux的内核有两种可选的运行方式：可以在的内核有两种可选的运行方式：可以在flash上直接上直接运行，也可以加载到内存中运行。后者可以减少内存需要。运行，也可以加载到内存中运行。后者可以减少内存需要。l Flash运行方式运行方式(XIP)：把内核的可执行映像烧写到：把内核的可执行映像烧写到flash上，上，系统启动时从系统启动时从flash的某个地址开始逐句执行。这种方法实际的某个地址开始逐句执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统采用的方法。上是很多嵌入式系统采用的方法。l内核加载方式：把内核的压缩文件存放在内核加载方式：把内核的压缩文件存放在flash上，系统启动上，系统启动时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行，这种方式相时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行，这种方式相对复杂一些，但是运行速度可能更快（对复杂一些，但是运行速度可能更快（RAM的存取速率要比的存取速率要比Flash高）。高）。20l 经过如上各方面的小型化改造，就形成了一个高度优化经过如上各方面的小型化改造，就形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式的、代码紧凑的嵌入式Linux，虽然它的体积很小，虽然它的体积很小，uCLinux仍然保留了仍然保留了Linux的大多数的优点：稳定、良好的的大多数的优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以和标准丰富的以和标准丰富的API。它的主要特征如下：。它的主要特征如下：l通用通用Linux APIl内核体积内核体积 512 KBl内核内核+文件系统文件系统900 KBl完整的完整的TCP/IP 协议栈协议栈l支持大量其它的网络协议支持大量其它的网络协议l支持各种文件系统，包括支持各种文件系统，包括 NFS、ext2、ROMfs and JFFS、MS-DOS和和FAT16/32 Clinux的特点的特点21三、三、Windows CElWindows CE是微软开发的一个开放的、可升级的是微软开发的一个开放的、可升级的32位嵌入式位嵌入式操作系统。操作系统。l它是精简的它是精简的Windows 95。Windows CE的图形用户界面相当的图形用户界面相当出色。出色。l与与Windows 95/98、Windows NT不同不同:Win CE是所有源代码是所有源代码由微软自行开发的嵌入式操作系统，操作界面是基于由微软自行开发的嵌入式操作系统，操作界面是基于Win32 API重新开发的、新型的信息设备平台。重新开发的、新型的信息设备平台。lWindows CE具有模块化、结构化和基于具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口应用程序接口以和与处理器无关等特点。以和与处理器无关等特点。lWindows CE不仅继承了传统的不仅继承了传统的Windows图形界面，并且在图形界面，并且在Windows CE平台上可以使用平台上可以使用Windows 95/98上的编程工具上的编程工具（如（如Visual Basic、Visual C+等）、使用同样的函数、使用等）、使用同样的函数、使用同样的界面网格，使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移同样的界面网格，使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在植就可以在Windows CE平台上继续使用。平台上继续使用。22Windows CE的特点：的特点：具有灵活的电源管理功能，包括瞬眠具有灵活的电源管理功能，包括瞬眠/唤醒模式。唤醒模式。使用了对象存储（使用了对象存储（object store）技术，包括文）技术，包括文件系统、注册表和数据库。它还具有很多高性能、件系统、注册表和数据库。它还具有很多高性能、高效率的操作系统特高效率的操作系统特 性，包括按需换页、共享存性，包括按需换页、共享存储、交叉处理同步、支持大容量堆（储、交叉处理同步、支持大容量堆（heap）等。）等。拥有良好的通信能力。广泛支持各种通信硬件，拥有良好的通信能力。广泛支持各种通信硬件，亦支持直接的局域连接以和拨号连接，并提供与亦支持直接的局域连接以和拨号连接，并提供与PC、内部网以和、内部网以和Internet的连接，还提供与的连接，还提供与Windows 9x/NT的最佳集成和通信。的最佳集成和通信。23Windows CE的特点：的特点：支持嵌套中断。允许更高优先级别的中断首先得到响应，而支持嵌套中断。允许更高优先级别的中断首先得到响应，而不是等待低级别的不是等待低级别的ISR完成。这使得该操作系统具有嵌入式完成。这使得该操作系统具有嵌入式操作系统所要求的实时性。操作系统所要求的实时性。更好的线程响应能力。对高级别更好的线程响应能力。对高级别IST（中断服务线程）的响（中断服务线程）的响应时间上限的要求更加严格，在线程响应能力方面的改进，应时间上限的要求更加严格，在线程响应能力方面的改进，帮助开发人员掌握线程转换的具体时间，并通过增强的监控帮助开发人员掌握线程转换的具体时间，并通过增强的监控能力和对硬件的控制能力帮助他们创建新的嵌入式应用程序。能力和对硬件的控制能力帮助他们创建新的嵌入式应用程序。256个优先级别。可以使开发人员在控制嵌入式系统的时序个优先级别。可以使开发人员在控制嵌入式系统的时序安排方面有更大的灵活性。安排方面有更大的灵活性。Windows CE的的API是是Win32 API的一个子集，支持近的一个子集，支持近1500个个Win32 API。有了这些。有了这些API，足可以编写任何复杂的应用，足可以编写任何复杂的应用程序。当然，在程序。当然，在Windows CE系统中，所提供的系统中，所提供的API也可以也可以随具体应用的需求而定。随具体应用的需求而定。