第6章-嵌入式操作系统-《嵌入式系统原理与设计》课件.ppt

1嵌入式系统原理与设计嵌入式系统原理与设计 第六讲第六讲 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 2本节提要本节提要1 12 23 3操作系统概念和结构操作系统概念和结构嵌入式操作系统及特点嵌入式操作系统及特点 任务同步与通信通信任务同步与通信通信36.1.1操作系统的基本概念操作系统的基本概念1操作系统的定义操作系统的定义 操作系统有效的组织和管理计算机系统的各种软件、硬件资操作系统有效的组织和管理计算机系统的各种软件、硬件资源，合理的组织计算机系统的工作流程源，合理的组织计算机系统的工作流程,控制程序的执行，并向控制程序的执行，并向用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。（1）操作系统是计算机系统的资源管理者）操作系统是计算机系统的资源管理者（2）改善人机界面，为用户提供友好的工作环境）改善人机界面，为用户提供友好的工作环境 对计算机系统而言，操作系统是对所有系统资源进行管理的对计算机系统而言，操作系统是对所有系统资源进行管理的程序集合，对用户而言，操作系统提供了对系统资源进行有效利程序集合，对用户而言，操作系统提供了对系统资源进行有效利用的简单抽象方法。用的简单抽象方法。42.操作系统的结构操作系统的结构l驱动程序驱动程序l内核内核l接口库接口库l外围外围图图6-1 操作系统结构操作系统结构562 存储器管理存储器管理存储器管理的主要任务是为多任务的运行提供高效稳定的运存储器管理的主要任务是为多任务的运行提供高效稳定的运行环境。一般包含：行环境。一般包含：（1）地址重定位）地址重定位 在多任务环境下，每个任务动态创建，任在多任务环境下，每个任务动态创建，任务的逻辑地址必须转换为主存的物理地址。务的逻辑地址必须转换为主存的物理地址。（2）内存分配）内存分配 为每个任务分配内存空间，使用完毕后收回为每个任务分配内存空间，使用完毕后收回分配的内存。分配的内存。（3）内存保护）内存保护 保证每个任务都在自己的内存空间内运行，保证每个任务都在自己的内存空间内运行，各程序互不侵犯，尤其是保护操作系统占用的内存空间。各程序互不侵犯，尤其是保护操作系统占用的内存空间。（4）存储器扩展）存储器扩展 通过建立虚拟存储系统来对主存容量进行通过建立虚拟存储系统来对主存容量进行逻辑扩展。虚拟存储器允许程序以逻辑方式寻址，而不用考虑逻辑扩展。虚拟存储器允许程序以逻辑方式寻址，而不用考虑物理内存的大小。当一个程序运行时，只有部分程序和数据保物理内存的大小。当一个程序运行时，只有部分程序和数据保存在内存中，其余部分存储在介质上。存在内存中，其余部分存储在介质上。73 文件系统文件系统文件系统对用户文件和系统文件进行管理，保证文件的安全文件系统对用户文件和系统文件进行管理，保证文件的安全性，实现信息的组织、管理、存取和保护。文件管理的主要任性，实现信息的组织、管理、存取和保护。文件管理的主要任务是：务是：（1）目录管理：）目录管理：所有的目录项构成一个目录文件。目录管所有的目录项构成一个目录文件。目录管理为每个任务创建其目录项，并对其进行管理。理为每个任务创建其目录项，并对其进行管理。（2）文件读写管理）文件读写管理：文件系统根据用户的需要，按照文件：文件系统根据用户的需要，按照文件名查找文件目录，确定文件的存储位置，然后利用文件指针进名查找文件目录，确定文件的存储位置，然后利用文件指针进行读写操作。行读写操作。（3）文件存取控制：）文件存取控制：为了防止文件被非法窃取或者破坏，为了防止文件被非法窃取或者破坏，文件系统中需要建立文件访问控制机制，保证数据的安全。文件系统中需要建立文件访问控制机制，保证数据的安全。（4）存储空间管理：）存储空间管理：文件存储管理提高存储空间的利用率，文件存储管理提高存储空间的利用率，优化文件操作的速度。优化文件操作的速度。常见的文件系统有常见的文件系统有FAT16，FAT32，NTFS等。等。84 设备管理设备管理设备管理的主要目的是屏蔽设备硬件特性、提高设备的利用设备管理的主要目的是屏蔽设备硬件特性、提高设备的利用率。除率。除CPU和内存外，计算机系统的其他硬件都属于外部设备。和内存外，计算机系统的其他硬件都属于外部设备。设备管理主要包括以下几个方面。设备管理主要包括以下几个方面。（1）缓冲管理）缓冲管理由于由于CPU与与I/O设备的速度相差很大，通常设备管理需要建设备的速度相差很大，通常设备管理需要建立立I/O缓冲区，并对缓存区进行有效管理。缓冲区，并对缓存区进行有效管理。（2）设备分配）设备分配用户提出用户提出I/O设备请求后，设备管理程序对设备进行分配，设备请求后，设备管理程序对设备进行分配，使用完成后收回设备。使用完成后收回设备。（3）设备驱动）设备驱动设备驱动程序提供设备驱动程序提供CPU与设备控制器间的通信。与设备控制器间的通信。CPU向设向设备发出备发出I/O请求，接收设备的中断请求，并能及时的响应。请求，接收设备的中断请求，并能及时的响应。9106.1.3 操作系统的分类操作系统的分类1分时操作系统分时操作系统 分时操作系统将分时操作系统将CPU的工作时间划为许多很短的时间片，的工作时间划为许多很短的时间片，轮流为各个终端的用户服务。分时系统具有以下儿个基本特征：轮流为各个终端的用户服务。分时系统具有以下儿个基本特征：（1）多路性。）多路性。一台主机可连接多台终端，多个终端用户可以同一台主机可连接多台终端，多个终端用户可以同时使用计算机，共亨系统的硬软件资源。时使用计算机，共亨系统的硬软件资源。（2）独立性。）独立性。各个用户的操作互不干扰，每一个用户都认为整各个用户的操作互不干扰，每一个用户都认为整个计算机系统被他所独占，为他服务。个计算机系统被他所独占，为他服务。（3）交互性。）交互性。用户能与系统进行对话。在一个多步骤作业的运用户能与系统进行对话。在一个多步骤作业的运行过程中，用户能通过键盘等设备输入数据或命令，系统获得行过程中，用户能通过键盘等设备输入数据或命令，系统获得用户的输入后作出响应，显示执行的状况或结果。用户的输入后作出响应，显示执行的状况或结果。（4）及时性。）及时性。系统一般能在一秒钟内接受和响应用户的输入命系统一般能在一秒钟内接受和响应用户的输入命令或数据，在数秒内显示命令的执行结果。令或数据，在数秒内显示命令的执行结果。112实时系统实时系统 实时操作系统是一种能在限定的时间内对输入进行快速处理实时操作系统是一种能在限定的时间内对输入进行快速处理并作出响应的计算机处理系统。根据对响应时间限定的严格程并作出响应的计算机处理系统。根据对响应时间限定的严格程度，实时系统又可分为硬实时系统和软实时系统。度，实时系统又可分为硬实时系统和软实时系统。l硬实时系统硬实时系统主要用于工业生产的过程控制、较大系统的跟主要用于工业生产的过程控制、较大系统的跟踪和控制、武器的制导等响应踪和控制、武器的制导等响应速度十分快、工作极其安全可靠速度十分快、工作极其安全可靠的场合。的场合。l软实时系统软实时系统主要应用于对响应的速度要求不象硬实时系统主要应用于对响应的速度要求不象硬实时系统那么高，且时限要求也不那么严密的信息咨询和事务处理那么高，且时限要求也不那么严密的信息咨询和事务处理领域，如情报资料检索、订票系统、银行财务管理系统、领域，如情报资料检索、订票系统、银行财务管理系统、信用卡记账取款系统和仓库管理系统等。信用卡记账取款系统和仓库管理系统等。12134分布式操作系统分布式操作系统 分布式系统是一种多计算机系统，这些计算机可以处于不分布式系统是一种多计算机系统，这些计算机可以处于不同的地理位置和拥有不同的软硬件资源，并用通信线路连接起同的地理位置和拥有不同的软硬件资源，并用通信线路连接起来，具有独立执行任务的能力。分布式系统也便于实现文件、来，具有独立执行任务的能力。分布式系统也便于实现文件、信息和设备的共享。信息和设备的共享。分布式系统具有一个统一的操作系统，它可以把一个大任务分布式系统具有一个统一的操作系统，它可以把一个大任务划分成很多可以并行执行的子，并按一定的调度策略将它们动划分成很多可以并行执行的子，并按一定的调度策略将它们动态地分配给各个计算机执行，并控制管理各个计算机的资源分态地分配给各个计算机执行，并控制管理各个计算机的资源分配、运行及计算机之间的通信，以协调任务的并行执行。配、运行及计算机之间的通信，以协调任务的并行执行。分布式操作系统分布式操作系统(Distributed Operating System，简称，简称DOS)负责管理分布式处理系统资源和控制分布式程序运行。它负责管理分布式处理系统资源和控制分布式程序运行。它和集中式操作系统的区别在于资源管理、进程通信和系统结构和集中式操作系统的区别在于资源管理、进程通信和系统结构等方面。等方面。分布式操作系统有：分布式操作系统有：Amoeba、Mach、Chorus、DEC等等1415本节提要本节提要1 12 23 3操作系统概念和结构操作系统概念和结构嵌入式操作系统及特点嵌入式操作系统及特点 常用任务同步与通信机制常用任务同步与通信机制166.2 嵌入式操作系统及特点嵌入式操作系统及特点 在嵌入式系统中，不仅要求在硬件设计方面提高系统的可在嵌入式系统中，不仅要求在硬件设计方面提高系统的可靠性和抗干扰性，而且也应在软件设计方面提高系统的抗干扰靠性和抗干扰性，而且也应在软件设计方面提高系统的抗干扰性。性。l嵌入式操作系统提高了系统的可靠性。嵌入式操作系统提高了系统的可靠性。前后台系统软件在遇到强干扰时，程序会产生异常、出错、前后台系统软件在遇到强干扰时，程序会产生异常、出错、跑飞，甚至死循环，造成了系统的崩溃。实时操作系统管理跑飞，甚至死循环，造成了系统的崩溃。实时操作系统管理的系统中，这种干扰可能只是引起若干进程中的一个被破坏，的系统中，这种干扰可能只是引起若干进程中的一个被破坏，而且还可以通过系统监控进程对其进行修复。而且还可以通过系统监控进程对其进行修复。l在嵌入式系统中使用嵌入式操作系统还可以提高开发效率，缩在嵌入式系统中使用嵌入式操作系统还可以提高开发效率，缩短开发周期。短开发周期。嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。等。1718（2）小内核）小内核嵌入式系统是面向应用的专用计算机，因此硬件资源有限。嵌入式系统是面向应用的专用计算机，因此硬件资源有限。其内核与通用操作系统的内核相比，嵌入式操作系统的内核较其内核与通用操作系统的内核相比，嵌入式操作系统的内核较小，通常只有几小，通常只有几K到几十到几十K。（3）可剪裁、可配置）可剪裁、可配置嵌入式操作系统具有完善的功能，对于特定应用不需要的功嵌入式操作系统具有完善的功能，对于特定应用不需要的功能模块可以被剪裁掉，比如文件系统。能模块可以被剪裁掉，比如文件系统。（4）易移植）易移植可移植性好的操作系统可以缩短系统开发周期、提高代码可可移植性好的操作系统可以缩短系统开发周期、提高代码可重用度、减小维护量重用度、减小维护量 19（5）高可靠性）高可靠性为保证系统的可靠运行，嵌入式操作系统提供了多种机制，为保证系统的可靠运行，嵌入式操作系统提供了多种机制，如异步信号、定时器、优先级继承、优先级天花板、异常处理、如异步信号、定时器、优先级继承、优先级天花板、异常处理、用户扩展和内存保护等。用户扩展和内存保护等。（6）低功耗）低功耗嵌入式系统一般采用电池供电，因此必须尽量降低系统的能嵌入式系统一般采用电池供电，因此必须尽量降低系统的能耗。为了降低系统的能耗需要从各个方面采取措施，包括硬件耗。为了降低系统的能耗需要从各个方面采取措施，包括硬件的低功耗设计、软件的低功耗设计、操作系统的低功耗设计等。的低功耗设计、软件的低功耗设计、操作系统的低功耗设计等。20影响操作系统移植性的因素有影响操作系统移植性的因素有3个方面：个方面：（1）编程语言）编程语言 高级语言实现的代码比汇编语言实现的代码具有更好的移高级语言实现的代码比汇编语言实现的代码具有更好的移植性。但是，在嵌入式操作系统中汇编语言的使用是必不可少植性。但是，在嵌入式操作系统中汇编语言的使用是必不可少的。的。（2）体系结构）体系结构 按照分层结构建立的内核具有良好的可移植性，因为内核按照分层结构建立的内核具有良好的可移植性，因为内核的移植主要集中在硬件相关层。的移植主要集中在硬件相关层。（3）代码实现）代码实现 把不可移植的代码和汇编代码通过宏定义和函数的形式，把不可移植的代码和汇编代码通过宏定义和函数的形式，分类保存在几个文件中。内核直接调用的是函数或者宏。在移分类保存在几个文件中。内核直接调用的是函数或者宏。在移植过程中只需要对上述文件进行修改。植过程中只需要对上述文件进行修改。216.2.2 嵌入式实时操作系统基本概念嵌入式实时操作系统基本概念1 多任务多任务在日常生活中，任务是指通过一定的努力，达到特定的目的；在日常生活中，任务是指通过一定的努力，达到特定的目的；在嵌入式实时操作系统中，任务通常为进程和线程的统称，是在嵌入式实时操作系统中，任务通常为进程和线程的统称，是内核调度的基本单元。内核调度的基本单元。任务主要包含如下的几个方面：任务主要包含如下的几个方面：l代码代码 一段可执行的程序。一段可执行的程序。l数据数据 程序运行的相关数据，如变量、工作空间、缓存区程序运行的相关数据，如变量、工作空间、缓存区等。等。l堆栈堆栈 保存程序运行参数和寄存器内容的一段连续内存空保存程序运行参数和寄存器内容的一段连续内存空间。间。l上下文环境上下文环境 内核管理任务及处理器执行任务所需要的信内核管理任务及处理器执行任务所需要的信息，如优先级，任务状态，处理器寄存器的内容。息，如优先级，任务状态，处理器寄存器的内容。22在多任务环境下，各个任务被内核进行切换，在不同的状态在多任务环境下，各个任务被内核进行切换，在不同的状态间进行转换，如图间进行转换，如图6-2所示。最常见的是将任务的运行划分为所示。最常见的是将任务的运行划分为4种状态。种状态。l休眠（休眠（DORMANT）：）：指任务驻留在存储空间内，还没指任务驻留在存储空间内，还没有被操作系统激活；有被操作系统激活；l就绪就绪(READY)：任务运行的条件已经满足，进入任务等待：任务运行的条件已经满足，进入任务等待列表，通过调度进入运行。列表，通过调度进入运行。l挂起或等待挂起或等待(WAITING)：任务被阻塞，等待事件的发生。任务被阻塞，等待事件的发生。l运行运行(RUNNING)：任务获得任务获得CPU使用权，执行相应的代码。使用权，执行相应的代码。23242 优先级优先级l在一个嵌入式系统中每个任务被赋予一个优先级，任何两个任在一个嵌入式系统中每个任务被赋予一个优先级，任何两个任务的优先级都不相同。任务的优先级可以分为动态优先级和务的优先级都不相同。任务的优先级可以分为动态优先级和静态优先级两种类型。静态优先级是指一个任务的优先级在静态优先级两种类型。静态优先级是指一个任务的优先级在任务运行的过程中保持不变。动态优先级是指内核可能根据任务运行的过程中保持不变。动态优先级是指内核可能根据系统运行的情况动态的改变任务的优先级。系统运行的情况动态的改变任务的优先级。253 调度调度l调度是指调度是指CPU决定当前处于就绪状态的任务列表中的任务，决定当前处于就绪状态的任务列表中的任务，哪个得到哪个得到CPU的使用权。多数实时内核都是基于优先级的调的使用权。多数实时内核都是基于优先级的调度算法。度算法。基于优先级调度的内核有占先式内核和非占先式内基于优先级调度的内核有占先式内核和非占先式内核两种类型。核两种类型。264 实时性实时性严格地说，影响嵌入式操作系统实时性的因素有很多，这里严格地说，影响嵌入式操作系统实时性的因素有很多，这里只简单的列举如下几个因素：只简单的列举如下几个因素：（1）常用系统调用平均运行时间）常用系统调用平均运行时间（2）任务切换时间）任务切换时间（3）信号量混洗时间）信号量混洗时间（4）任务响应时间）任务响应时间 2728（2）任务切换时间）任务切换时间l任务切换时间是指事件引发切换后，从当前任务停止运行、保任务切换时间是指事件引发切换后，从当前任务停止运行、保存运行状态（存运行状态（CPU寄存器内容），到装入下一个将要运行的寄存器内容），到装入下一个将要运行的任务状态、开始运行的时间间隔任务状态、开始运行的时间间隔 29（3）信号量混洗时间）信号量混洗时间l信号量混洗时间指从一个任务释放信号量到另一个等待该信号信号量混洗时间指从一个任务释放信号量到另一个等待该信号量的任务被激活的时间延迟量的任务被激活的时间延迟 30315 不可剥夺型内核与非占先式调度不可剥夺型内核与非占先式调度l不可剥夺型内核的异步事件由中断服务来处理。中断服务可以不可剥夺型内核的异步事件由中断服务来处理。中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪状态。但中断服使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪状态。但中断服务以后控制权还是回到原来被中断了的那个任务，直到该任务以后控制权还是回到原来被中断了的那个任务，直到该任务主动放弃务主动放弃CPU的使用权时，那个高优先级的任务才能获得的使用权时，那个高优先级的任务才能获得CPU的使用权。的使用权。l不可剥夺型内核采用的调度方法称为非占先式调度。不可剥夺型内核采用的调度方法称为非占先式调度。32336 可剥夺型内核与占先式调度可剥夺型内核与占先式调度l可剥夺型内核中，最高优先级的任务一旦就绪，总能得到可剥夺型内核中，最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的控制权。的控制权。34本节提要本节提要1 12 23 3操作系统概念和结构操作系统概念和结构嵌入式操作系统嵌入式操作系统任务同步与通信通信任务同步与通信通信356.3 任务同步与通信任务同步与通信任务间的关系如下：任务间的关系如下：（1）相互独立相互独立 任务的运行相互独立，只竞争任务的运行相互独立，只竞争CPU资源。资源。（2）互斥互斥 任务间竞争任务间竞争CPU和其他的资源，并且大多数的资源和其他的资源，并且大多数的资源在特定的时刻只能被一个任务使用，并且不能被其他任务剥在特定的时刻只能被一个任务使用，并且不能被其他任务剥夺（除夺（除CPU外）。如外设、共享内存等。外）。如外设、共享内存等。（3）同步同步 协调任务间运行的步调，保证正确的任务执行次序。协调任务间运行的步调，保证正确的任务执行次序。（4）通信通信 彼此间传递数据和信息，协同完成某项任务。通信彼此间传递数据和信息，协同完成某项任务。通信可以是任务间，也可以是中断服务程序与任务间。可以是任务间，也可以是中断服务程序与任务间。366.3.1 信号量信号量在多任务内核广泛使用，实现任务间、任务与中断服务程序在多任务内核广泛使用，实现任务间、任务与中断服务程序间的同步和互斥。一个信号量可以看做一把钥匙，只有得到信间的同步和互斥。一个信号量可以看做一把钥匙，只有得到信号量，任务才能执行相应的操作。号量，任务才能执行相应的操作。信号量按照用途可以分为：信号量按照用途可以分为：l互斥信号量：互斥信号量：共享资源互斥访问；共享资源互斥访问；l二值信号量：二值信号量：同步问题的二值信号量；同步问题的二值信号量；l计数信号量：计数信号量：资源计数问题的计数信号量。资源计数问题的计数信号量。371.互斥信号量互斥信号量实现任务间交换信息最简便的方法是使用共享变量或共享资实现任务间交换信息最简便的方法是使用共享变量或共享资源。当一个任务使用共享资源时，必须保证任务的互斥性（排源。当一个任务使用共享资源时，必须保证任务的互斥性（排他性），以避免竞争和数据的破坏。实现排他性最一般的方法他性），以避免竞争和数据的破坏。实现排他性最一般的方法有：关中断、禁止任务切换、信号量几种。有：关中断、禁止任务切换、信号量几种。互斥信号量是一种特殊的二值信号量，用于实现共享资源访互斥信号量是一种特殊的二值信号量，用于实现共享资源访问的互斥。互斥信号量在创建或者是被释放后取值为问的互斥。互斥信号量在创建或者是被释放后取值为1；分配给；分配给任务后取值为任务后取值为0，表明没有资源可以使用。，表明没有资源可以使用。38392.二值信号量二值信号量二值信号量用于任务间、任务与中断服务程序间的同步，两个任务间的二值信号量用于任务间、任务与中断服务程序间的同步，两个任务间的没有数据的交换。没有数据的交换。二值信号量初始化值为二值信号量初始化值为0，表示同步事件没有发生。如果任务，表示同步事件没有发生。如果任务1需要与任需要与任务务2同步，任务同步，任务2的运行触发同步事件。的运行触发同步事件。403.计数信号量计数信号量l计数信号量用于控制对多个共享资源的访问，允许多个任务访问。信号量计数信号量用于控制对多个共享资源的访问，允许多个任务访问。信号量计数器初始化值为计数器初始化值为n，表示有，表示有n个共享资源。个共享资源。416.3.2 事件事件事件是指一种表明预先定义的系统事件已经发生的机制，用事件是指一种表明预先定义的系统事件已经发生的机制，用于任务与任务、任务与于任务与任务、任务与ISR之间的同步。一个事件就是一个之间的同步。一个事件就是一个标志标志，不具备其他信息。不具备其他信息。426.3.3 邮箱邮箱l消息邮箱（简称邮箱），使用一个指针型变量，把一则消息放到邮箱里去。消息邮箱（简称邮箱），使用一个指针型变量，把一则消息放到邮箱里去。同样一个或多个任务可以接收这则消息。发送消息的任务和接收消息的任同样一个或多个任务可以接收这则消息。发送消息的任务和接收消息的任务约定该指针指向的内容就是消息的内容。务约定该指针指向的内容就是消息的内容。436.4.4 消息队列消息队列l消息队列（消息队列（Message queue）实际上是邮箱队列。消息队列的深度在创）实际上是邮箱队列。消息队列的深度在创建消息队列的时候给定，通常为建消息队列的时候给定，通常为FIFO队列。当队列装满消息时，丢弃新产队列。当队列装满消息时，丢弃新产生的消息。生的消息。44谢谢！谢谢！