09第九课-嵌入式实时操作系统.pdf

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1、1嵌入式系统嵌入式系统AnIntroductiontoEmbeddedSystem第九课 嵌入式实时操作系统第九课 嵌入式实时操作系统浙江大学胡威浙江大学胡威2课程大纲课程大纲实时系统简介实时系统简介嵌入式实时调度嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统3实时系统概念实时系统概念 实时系统定义实时系统定义 能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统。能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统。POSIX 1003.b定义定义:指系统能够在限定的响应时间内提供所 需水平的服务指系统能够在限定的响应时间内提供所 需水平的服务

2、实时系统的正确性实时系统的正确性 不仅仅依赖于计算的逻辑结果不仅仅依赖于计算的逻辑结果 而且依赖于结果产生的时间而且依赖于结果产生的时间 两个特点两个特点 响应时间限定响应时间限定 可预知可预知 两个能力两个能力 在事先先定义的时间范围内识别和处理离散事件的能力在事先先定义的时间范围内识别和处理离散事件的能力 系统能够处理和储存控制系统所需要的大量数据系统能够处理和储存控制系统所需要的大量数据4实时系统的分类实时系统的分类1按任务到达分按任务到达分周期性的系统周期性的系统周期性任务周期性任务periodic任务必须在每个周期内完成一次任务必须在每个周期内完成一次可以在周期开始时启动，也可以在周

3、期开始以后启动可以在周期开始时启动，也可以在周期开始以后启动必须在周期结束前完成必须在周期结束前完成非周期性系统非周期性系统非周期性任务非周期性任务(aperiodic)任务到达没有规则的时间要求任务到达没有规则的时间要求必须有一个启动时间或完成时间必须有一个启动时间或完成时间5多任务多任务实时任务实时任务周期任务周期任务偶发任务偶发任务非周期任务非周期任务非实时任务非实时任务实时任务要求要满足时限实时任务要求要满足时限非实时任务要求要使其响应时间尽可能短非实时任务要求要使其响应时间尽可能短6实时系统的分类实时系统的分类2 按实时性分（时间约束性）按实时性分（时间约束性）硬实时系统硬实时系统-

4、灾难后果灾难后果指应用的时间需求能够得到完全满足，否则就造成重大安全事 故，甚至造成重大的生命财产损失和生态破坏指应用的时间需求能够得到完全满足，否则就造成重大安全事 故，甚至造成重大的生命财产损失和生态破坏航空航天、军事、核工业等航空航天、军事、核工业等 软实时系统软实时系统-性能下降性能下降应用虽提出时间需求，但实时任务偶尔违反这种需求对系统运行 及环境不会造成严重影响应用虽提出时间需求，但实时任务偶尔违反这种需求对系统运行 及环境不会造成严重影响视频点播（视频点播（Video-On-Demand，VOD）、监控系统、信息采 集系统）、监控系统、信息采 集系统 调度算法调度算法 通用系统中

5、以大吞吐量为目标通用系统中以大吞吐量为目标 实时系统实时系统满足时间的正确性满足时间的正确性提供高度动态的，满足在线需求的，适应性的实时调度提供高度动态的，满足在线需求的，适应性的实时调度7实时系统的特点：时间约束性实时系统的特点：时间约束性time constraint是最基本的目标是最基本的目标系统应该能够提供对时间正确性进行指定的方法系统应该能够提供对时间正确性进行指定的方法系统提供一种指定时间尺度的方法系统提供一种指定时间尺度的方法通用系统的延时不能满足通用系统的延时不能满足截止时间、时限（截止时间、时限（deadline）实时系统的任务具有一定的时间约束实时系统的任务具有一定的时间约

6、束时间约束是任何实时系统都固有的约束时间约束是任何实时系统都固有的约束8相关定义相关定义 时限时限(deadline)一个时间界限。它要求一个任务在该时刻之前完成一个时间界限。它要求一个任务在该时刻之前完成 任务执行时间任务执行时间 一个任务从启动到完成所花费的时间。一个任务从启动到完成所花费的时间。分为平均任务执行时间和最坏任务执行时间分为平均任务执行时间和最坏任务执行时间 实时系统中一般指最坏任务执行时间，考虑了可能的等待、阻塞等 最不利的情况实时系统中一般指最坏任务执行时间，考虑了可能的等待、阻塞等 最不利的情况 任务余量任务余量(laxity)时限减去任务执行时间所得的值，反映了系统工

7、作的从容程度时限减去任务执行时间所得的值，反映了系统工作的从容程度 紧时间约束紧时间约束(tight time constraint)在满足任务时限的同时，留给系统的时间比较紧张。由任务的余量 小而引起在满足任务时限的同时，留给系统的时间比较紧张。由任务的余量 小而引起 松时间约束松时间约束(loose time constraint)与紧时限概念相反与紧时限概念相反,指在满足任务时限的同时指在满足任务时限的同时,留给系统的时间比较宽 松留给系统的时间比较宽 松9 时限粒度时限粒度(deadline granularity)任务从启动时刻到时限之间的时间任务从启动时刻到时限之间的时间 当这个值

8、较小时，称为时限粒度小当这个值较小时，称为时限粒度小(或小粒度时限或小粒度时限)，反之称为时限粒 度大，反之称为时限粒 度大(或大粒度时限或大粒度时限)强实时强实时(hard real-time)任务任务 强时限任务，要求该任务在时限之前完成强时限任务，要求该任务在时限之前完成,否则其结果将失去否则其结果将失去可用性可用性 弱实时弱实时(soft real-time)任务任务 弱时限任务，若该任务不能在时限到来之前完成弱时限任务，若该任务不能在时限到来之前完成,其结果的可用性将 逐渐下降其结果的可用性将 逐渐下降 关键任务关键任务(critical tasks)任务的重要程度，若任务在时限之前

9、不能完成，则会产生任务的重要程度，若任务在时限之前不能完成，则会产生灾难性灾难性后 果后 果 时限的严格性时限的严格性(strictness of deadline)当一个任务的完成超过时限时当一个任务的完成超过时限时,所得到结果的可用性程度所得到结果的可用性程度10实时系统分类实时系统分类3实时过程控制系统实时过程控制系统系统实时地从外界获得被控系统的当前状态，进行 预定的处理，根据处理结果对外界被控系统进行及 时控制，使其处于要求的状态下系统实时地从外界获得被控系统的当前状态，进行 预定的处理，根据处理结果对外界被控系统进行及 时控制，使其处于要求的状态下实时过程控制系统的模型是一个反馈环

10、结构实时过程控制系统的模型是一个反馈环结构实时信息处理系统实时信息处理系统系统仅从外界系统中获得当前状态并进行相应处理系统仅从外界系统中获得当前状态并进行相应处理不直接控制外界系统的变化不直接控制外界系统的变化11实时系统的特点：可预测性实时系统的特点：可预测性predictability 系统能够对实时任务的执行时间进行判断，确定是否 能够满足任务的时限要求系统能够对实时任务的执行时间进行判断，确定是否 能够满足任务的时限要求 是实时系统的重要性能要求是实时系统的重要性能要求 嵌入式系统的两个可预测性嵌入式系统的两个可预测性 硬件延迟的可预测性硬件延迟的可预测性 软件系统的可预测性软件系统的

11、可预测性应用程序的响应时间是可预测的，即在有限的时间内完成必须的 工作应用程序的响应时间是可预测的，即在有限的时间内完成必须的 工作操作系统的可预测性，即实时原语、调度函数等运行开销应是有 界的，以保证应用程序执行时间的有界性操作系统的可预测性，即实时原语、调度函数等运行开销应是有 界的，以保证应用程序执行时间的有界性 资源约束资源约束 指多个实时任务共享有限的资源时，必须按照一定的资源访 问控制协议进行同步，以避免死锁和高优先级任务被低优先 级任务堵塞的时间（即优先级倒置时间）不可预测指多个实时任务共享有限的资源时，必须按照一定的资源访 问控制协议进行同步，以避免死锁和高优先级任务被低优先

12、级任务堵塞的时间（即优先级倒置时间）不可预测12实时系统的可靠性实时系统的可靠性reliability 可靠性已成为衡量实时系统性能不可缺少的重要指标。可靠性已成为衡量实时系统性能不可缺少的重要指标。采用静态分析和保留资源的方法及冗余配置，使关键任务的 要求总能满足，系统在最坏情况下能正常工作或避免损失采用静态分析和保留资源的方法及冗余配置，使关键任务的 要求总能满足，系统在最坏情况下能正常工作或避免损失 稳定性稳定性 嵌入式的要求：强稳定性，弱交互性嵌入式的要求：强稳定性，弱交互性 容错容错 大部分针对硬件的容错，也有软件容错大部分针对硬件的容错，也有软件容错 分布式应用分布式应用 多机共享

13、资源，共同完成一个任务多机共享资源，共同完成一个任务 困难困难网络的实时性：保证网络传输时间是有界和可预测的网络的实时性：保证网络传输时间是有界和可预测的分布式系统的调度：负载平衡、信息传送、减少开销、任务粒度 划分等分布式系统的调度：负载平衡、信息传送、减少开销、任务粒度 划分等13实时系统的结构实时系统的结构 CPU 高运算速度高运算速度 IO 实时时钟的同步实时时钟的同步 高速中断处理、高高速中断处理、高I/O吞吐率、合理的处理器和吞吐率、合理的处理器和I/O设备的拓扑连接设备的拓扑连接 高速可靠的和有时间约束的网络通信高速可靠的和有时间约束的网络通信 可靠性可靠性 体系结构支持的出错处

14、理体系结构支持的出错处理 体系结构的依赖性体系结构的依赖性 体系结构支持的调度、操作系统体系结构支持的调度、操作系统 实时编程实时编程 实时编程就是使用汇编语言、安排中断优先级、写驱动程序等实时编程就是使用汇编语言、安排中断优先级、写驱动程序等 或采用或采用Ada语言，语言，FORTH语言语言 分布式的实时数据库分布式的实时数据库14实时系统与通用系统的区别实时系统与通用系统的区别通用系统通用系统-“劫富济贫劫富济贫”方便用户管理计算机资源方便用户管理计算机资源追求系统资源最大利用率追求系统资源最大利用率实时系统实时系统-“劫贫济富劫贫济富”调度的实时性调度的实时性响应时间可确定性响应时间可确

15、定性高可靠性高可靠性15性能衡量标准性能衡量标准 对传统的通用系统对传统的通用系统 大的系统吞吐量大的系统吞吐量 合理的响应速度合理的响应速度 对每个系统用户相对公平 的进行计算资源的分配对每个系统用户相对公平 的进行计算资源的分配 实时系统实时系统 实时的数据吞吐实时的数据吞吐取代了吞吐量取代了吞吐量 对硬实时应用的优先响应对硬实时应用的优先响应取代了恰当的反应速度取代了恰当的反应速度 系统的计算资源和其他外 设资源必须优先满足实时 应用的要求系统的计算资源和其他外 设资源必须优先满足实时 应用的要求取代了公平取代了公平16衡量指标衡量指标系统响应时间系统响应时间(System respon

16、se time)系统发出处理要求到系统给出应答信号的时间系统发出处理要求到系统给出应答信号的时间任务切换时间任务切换时间(Context-switching time)任务之间切换而使用的时间任务之间切换而使用的时间;中断延迟中断延迟(Interrupt latency time)计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完 成换道转入中断服务程序的时间计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完 成换道转入中断服务程序的时间两个主要评价实时性的指标两个主要评价实时性的指标最大中断禁止时间最大中断禁止时间+任务切换时间任务切换时间17谬误谬误“实时实时”等于等于“快速快速”X实时不意味着时间约

17、束是微秒或纳秒，而首先要求 的是可预测性实时不意味着时间约束是微秒或纳秒，而首先要求 的是可预测性速度越快的系统，实时应用领域越广，实时性越好速度越快的系统，实时应用领域越广，实时性越好强实时任务等于关键任务 强实时任务等于关键任务 X强实时任务是紧时限任务 强实时任务是紧时限任务 X强实时任务等同于小粒度时限任务强实时任务等同于小粒度时限任务 X18课程大纲课程大纲实时系统简介实时系统简介嵌入式实时调度嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统19实时调度算法分类实时调度算法分类周期任务周期任务优先级调度优先级调度非优先级调度非优先级调度非周期任务调度非周期任务调度20周期任务的调度算法：优先级调

18、度周期任务的调度算法：优先级调度 基于优先级的调度基于优先级的调度 不事先计算任务的调度表，而是在作业释放以后，给它们分 配优先级，并按照优先级次序把作业放入就绪队列不事先计算任务的调度表，而是在作业释放以后，给它们分 配优先级，并按照优先级次序把作业放入就绪队列 分为两种分为两种 固定优先级算法固定优先级算法为每个任务中的所有作业分配相同的优先级为每个任务中的所有作业分配相同的优先级每个周期任务的优先级相对于其他任务来说是固定不变的每个周期任务的优先级相对于其他任务来说是固定不变的 动态优先级算法动态优先级算法给每个任务的单个作业分配不同的优先级给每个任务的单个作业分配不同的优先级作业释放并

19、完成时，任务的优先级相对于其他任务的优先级要发 生变化作业释放并完成时，任务的优先级相对于其他任务的优先级要发 生变化 大多数实用调度算法会给单个任务分配固定的优先级大多数实用调度算法会给单个任务分配固定的优先级 每当作业释放并准备进入就绪队列时，就给作业分配优先级每当作业释放并准备进入就绪队列时，就给作业分配优先级21速度单调算法速度单调算法速度单调算法（速度单调算法（Rate Monotonic，RM算法）算法）1973年，最著名，算法简单、有效、便于实现年，最著名，算法简单、有效、便于实现属于固定优先级算法属于固定优先级算法任务假定任务假定工作由定期任务组织，任务是周期性的工作由定期任务

20、组织，任务是周期性的任务的相对时限等于它的周期任务的相对时限等于它的周期任务时间定长度任务时间定长度算法思想：使用频率高的优先级高算法思想：使用频率高的优先级高22时限单调算法时限单调算法 时限单调算法（时限单调算法（Deadline Monotonic），），DM算法算法 属于固定优先级算法属于固定优先级算法 设计思想设计思想 按照任务的相对时限来分配优先级按照任务的相对时限来分配优先级 相对时限越短，优先级越高相对时限越短，优先级越高 蜕化蜕化 如果每个任务的相对时限与它的周期成正比，则如果每个任务的相对时限与它的周期成正比，则RM算法与算法与DM 算法一致算法一致 当相对时限是任意的时候

21、，当相对时限是任意的时候，DM算法表现最好算法表现最好 此时此时DM算法有时有可能产生可行的调度表，算法有时有可能产生可行的调度表，RM算法缺不可以算法缺不可以 如果如果DM算法不能产生可行的调度表，算法不能产生可行的调度表，RM算法肯定也不能算法肯定也不能23EDF算法算法 最早时限优先算法，截止期优先调度算法，最早时限优先算法，截止期优先调度算法，Earliest Deadline First，EDF 是使用最多的一种动态优先级调度算法是使用最多的一种动态优先级调度算法 按照作业的绝对时限为其分配优先级按照作业的绝对时限为其分配优先级 对于具有任意释放时间和时限的作业集对于具有任意释放时间

22、和时限的作业集J，当作业允许抢占，但作 业并不竞争资源时，当且仅当，当作业允许抢占，但作 业并不竞争资源时，当且仅当J存在可行的调度时，存在可行的调度时，EDF算法才能 够在单处理器上产生一个可行的调度算法才能 够在单处理器上产生一个可行的调度 EDF算法是任务级算法是任务级/作业级动态优先级算法作业级动态优先级算法 一旦作业按照所分配的优先级被放入就绪队列，它相对于队列中其 他作业的次序就是固定的一旦作业按照所分配的优先级被放入就绪队列，它相对于队列中其 他作业的次序就是固定的24LST算法算法 最小空闲时间优先算法（最小空闲时间优先算法（Least Slack Time First，LST

23、）、最短空闲时间优先算法（）、最短空闲时间优先算法（Least Laxity First，LLF）属于动态优先级算法属于动态优先级算法 按照空闲时间分配优先级按照空闲时间分配优先级 空闲时间为已执行过的时间长度空闲时间为已执行过的时间长度 每次在新作业释放时，调度程序检查所有就绪作业的空闲时间每次在新作业释放时，调度程序检查所有就绪作业的空闲时间 将新作业和现有作业重新排序将新作业和现有作业重新排序 空闲时间越小，优先级越高空闲时间越小，优先级越高 LST需要监视所有就绪作业的空闲时间需要监视所有就绪作业的空闲时间 只要作业间空闲时间相对发生变化，调度程序就要向作业重新分配 优先级只要作业间空

24、闲时间相对发生变化，调度程序就要向作业重新分配 优先级25扩展扩展以上均属于单处理器调度，本课程不介绍多处 理器调度以上均属于单处理器调度，本课程不介绍多处 理器调度参见并行计算与多核程序设计、多核计算 课程内容参见并行计算与多核程序设计、多核计算 课程内容分布式实时调度分布式实时调度以以RMS为基础的广义为基础的广义RMS调度调度以风车调度以风车调度Sr为基础的为基础的DSr调度调度26静态优先级静态优先级vs动态优先级动态优先级RMS算法算法处理器利用率低处理器利用率低在最坏的情况下处理器的利用率要小于在最坏的情况下处理器的利用率要小于69%一般情况下也要小于一般情况下也要小于88%处理非

25、周期任务较难。处理非周期任务较难。EDF算法算法利用率接近于利用率接近于1负载过载的可靠性、可预测性与稳定性较差负载过载的可靠性、可预测性与稳定性较差27周期任务的调度算法：非优先级算法周期任务的调度算法：非优先级算法反向反向EDF算法，又称为最迟释放时间算法，算法，又称为最迟释放时间算法，Latest Release Time,LRT非优先级驱动的算法非优先级驱动的算法设计思想设计思想当调度的目标是满足作业的时限时，早于必须的时间 完成任一作业没有好处当调度的目标是满足作业的时限时，早于必须的时间 完成任一作业没有好处可能会因为某种原因想推迟强实时作业的执行可能会因为某种原因想推迟强实时作业

26、的执行将释放时间当作时限，将时限当作释放时间将释放时间当作时限，将时限当作释放时间从后面调度作业，按照从后面调度作业，按照“优先级驱动优先级驱动”的方式，从时限 最迟的作业开始调度，直到当前时间的方式，从时限 最迟的作业开始调度，直到当前时间28非周期实时调度算法非周期实时调度算法非周期作业调度算法和偶发作业调度算法（非周期作业调度算法和偶发作业调度算法（aperiodic job and sporadic job scheduling algorithms）根据每个新到达的偶发作业的执行时间和时限，调 度程序决定接收还是拒绝这个作业根据每个新到达的偶发作业的执行时间和时限，调 度程序决定接收

27、还是拒绝这个作业如果作业被接受，调度程序调度该作业，使得该作 业能够及时完成，同时不会使周期性任务和前面已 接收的偶发作业错过其时限如果作业被接受，调度程序调度该作业，使得该作 业能够及时完成，同时不会使周期性任务和前面已 接收的偶发作业错过其时限关键：如何进行接收测试以及如何调度已接收的偶发作业关键：如何进行接收测试以及如何调度已接收的偶发作业调度程序试图尽可能快地完成每一个非周期作业调度程序试图尽可能快地完成每一个非周期作业关键：在不引起周期性任务和已接受的偶发作业错过其时 限的前提下关键：在不引起周期性任务和已接受的偶发作业错过其时 限的前提下29基于基于RMS 的非周期任务的调度的非周

28、期任务的调度 思想思想 将非周期任务转化成周期任务将非周期任务转化成周期任务 再利用再利用RMS算法进行调度算法进行调度 两种实现两种实现 延迟服务器算法延迟服务器算法 随机服务器算法随机服务器算法 延迟服务器算法延迟服务器算法 用一个或几个专用的周期任务执行所有非周期任务用一个或几个专用的周期任务执行所有非周期任务 有固定优先级有固定优先级 执行时间称为预算执行时间称为预算 随机服务器算法随机服务器算法 类似延迟服务器算法，差别在于类似延迟服务器算法，差别在于在预算消耗在预算消耗Ts时间之后再补充预算时间之后再补充预算30其他非周期性调度算法其他非周期性调度算法 最优的非周期性调度算法最优的

29、非周期性调度算法 使位于非周期性作业队列头部的非周期性作业响应时间最小使位于非周期性作业队列头部的非周期性作业响应时间最小 或使得按给定排队规则排列的非周期性作业的平均响应时间最小或使得按给定排队规则排列的非周期性作业的平均响应时间最小 空闲挪用算法（空闲挪用算法（slack stealing algorithm）利用周期性作业和偶发作业的可用空闲时间，以尽早完成本次非周 期性作业利用周期性作业和偶发作业的可用空闲时间，以尽早完成本次非周 期性作业 保证周期性作业不会因为非周期性作业错过时限保证周期性作业不会因为非周期性作业错过时限 采用中断方式，也可以使用优先级驱动采用中断方式，也可以使用优

30、先级驱动(更复杂更复杂)轮询算法轮询算法 轮询程序周期性的在轮询周期的整数倍时刻就绪可执行，并且按照 给定的优先级驱动算法被调度轮询程序周期性的在轮询周期的整数倍时刻就绪可执行，并且按照 给定的优先级驱动算法被调度 当轮询程序执行时，检查非周期作业队列，如果队列非空，就执行 位于队列头的作业当轮询程序执行时，检查非周期作业队列，如果队列非空，就执行 位于队列头的作业 带宽保留服务器算法（带宽保留服务器算法（bandwidth preserving algorithm）改进的轮询算法改进的轮询算法 非周期性作业队列必须非空非周期性作业队列必须非空 服务器为非周期性作业保留资源服务器为非周期性作业

31、保留资源 将非周期性任务与周期性任务一起调度将非周期性任务与周期性任务一起调度31课程大纲课程大纲实时系统简介实时系统简介嵌入式实时调度嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统32嵌入式实时操作系统基本功能嵌入式实时操作系统基本功能操作系统基本功能操作系统基本功能略略实时操作系统的设计和实现实时操作系统的设计和实现首要目标是提供保证实时性的方法首要目标是提供保证实时性的方法一系列的经典问题的针对实时系统的解决方案一系列的经典问题的针对实时系统的解决方案实现操作系统的低开销实现操作系统的低开销保证内核以及其他关键的可重入性保证内核以及其他关键的可重入性嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统RTOS中的

32、相关概念中的相关概念占先式内核占先式内核可重入可重入优先级反转优先级反转33占先式占先式/剥夺式剥夺式占先式内核占先式内核preemptive最高优先级的任务一旦就绪，总能得到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。高优先级的就绪任务可以打断正在执行的较低优先 级的任务，进入执行态；被抢占的较低优先级任务 进入就绪任务队列，等待下一次调度。高优先级的就绪任务可以打断正在执行的较低优先 级的任务，进入执行态；被抢占的较低优先级任务 进入就绪任务队列，等待下一次调度。34非占先式内核非占先式内核 non-preemptive内核要求每个任务自我放弃内核要求每个任务自我放弃C

33、PU的所有权。的所有权。中断可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就 绪态，但中断服务以后控制权还是回到原来被中断 的那个任务，直到该任务主动放弃中断可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就 绪态，但中断服务以后控制权还是回到原来被中断 的那个任务，直到该任务主动放弃CPU的使用权。的使用权。更高优先权的任务不能打断正在执行的较低优先权 的任务，直到较低优先权任务主动放弃更高优先权的任务不能打断正在执行的较低优先权 的任务，直到较低优先权任务主动放弃CPU的控制 权的控制 权35抢占式调度抢占式调度vs非抢占式调度非抢占式调度 抢占式调度抢占式调度 优点是实时性好、反应快，调度算法相对简单，可

34、优先保证 高优先级任务的时间约束优点是实时性好、反应快，调度算法相对简单，可优先保证 高优先级任务的时间约束 缺点是上下文切换多缺点是上下文切换多 非抢占式调度非抢占式调度 优点是上下文切换少优点是上下文切换少 缺点是一般情况下，处理器有效资源利用率低，可调度性不 好缺点是一般情况下，处理器有效资源利用率低，可调度性不 好 通用内核通用内核 调度策略：优先级调度、时间片轮转调度调度策略：优先级调度、时间片轮转调度 调度方式：抢占式、不可抢占式、选择可抢占式调度方式：抢占式、不可抢占式、选择可抢占式 时间片：定长时间片与变长时间片时间片：定长时间片与变长时间片 商业上销售的实时内核都是抢占式内核

35、商业上销售的实时内核都是抢占式内核36可重入性可重入性可重入性可重入性 reentrancy可重入型函数可以被一个以上的任务调用，而不必 担心数据的破坏。可重入型函数可以被一个以上的任务调用，而不必 担心数据的破坏。可重入型函数任何时候可以被中断，一段时间后又 可以执行，而相应的数据不会丢失。可重入型函数任何时候可以被中断，一段时间后又 可以执行，而相应的数据不会丢失。可重入型函数只使用局部变量，即变量保存在可重入型函数只使用局部变量，即变量保存在CPU 寄存器中或堆栈中。寄存器中或堆栈中。在并行运行环境中非常重要在并行运行环境中非常重要可重入型函数可重入型函数不可重入型函数不可重入型函数嵌入

36、式软件尽量写成可重入函数嵌入式软件尽量写成可重入函数37优先级反转优先级反转/优先级倒置优先级倒置高优先级的任务在申请已经被低优先级任务占 据的资源时，高优先级被迫进入等待态，如果 有一个中优先级的任务一直在执行，则高优先 级将无法执行高优先级的任务在申请已经被低优先级任务占 据的资源时，高优先级被迫进入等待态，如果 有一个中优先级的任务一直在执行，则高优先 级将无法执行38 两个解决方法两个解决方法 优先级继承（优先级继承（priority inheritance）设设S为正占用着某项共享资源的进程为正占用着某项共享资源的进程P以及所有正在等待占用这 个资源的进程的集合；以及所有正在等待占用

37、这 个资源的进程的集合；找出这个集合中的优先级最高者，其优先级为找出这个集合中的优先级最高者，其优先级为P把进程把进程P的优先级设置成的优先级设置成P 优先级封顶（优先级封顶（priority ceiling）设设S为所有可能竞争使用某项共享资源的进程的集合。事先为这 个集合规定一个优先级上限为所有可能竞争使用某项共享资源的进程的集合。事先为这 个集合规定一个优先级上限p，使得这个集合中所有进程的优先 级都小于，使得这个集合中所有进程的优先 级都小于p。注意。注意p并不一定是整个系统中的最好优先级。并不一定是整个系统中的最好优先级。在创建保护该项资源的信号量或互斥量时，将在创建保护该项资源的信

38、号量或互斥量时，将p作为一个参数。作为一个参数。每当有进程通过这个信号量或互斥量取得共享资源时，就将此进 程的优先级暂时提高到每当有进程通过这个信号量或互斥量取得共享资源时，就将此进 程的优先级暂时提高到p，一直到释放该项资源的时候才恢复其 原有的优先级，一直到释放该项资源的时候才恢复其 原有的优先级39RTOS基本结构基本结构 实时多任务实时多任务core 任务管理任务管理多任务和基于优先级的任务调度多任务和基于优先级的任务调度 定时器定时器系统的实时时钟服务，以及各个定时任务的调入等系统的实时时钟服务，以及各个定时任务的调入等 Mem管理系统的内存资源，如管理系统的内存资源，如DRAM,R

39、OM,FLASHRAM等等 资源管理资源管理管理系统的各种资源如系统的各种设备，端口，中断等；管理系统的各种资源如系统的各种设备，端口，中断等；事件和消息管理事件和消息管理管理各种系统级的事件，如实时中断响应，各种异常等；任务间 同步和通信（信号量和邮箱等）以及各种系统消息和应用程序之 间的通讯管理各种系统级的事件，如实时中断响应，各种异常等；任务间 同步和通信（信号量和邮箱等）以及各种系统消息和应用程序之 间的通讯40操作系统实时性操作系统实时性一方面是多大程度上充分发挥硬件潜力，即综合速 度快慢的问题；一方面是多大程度上充分发挥硬件潜力，即综合速 度快慢的问题；另一方面同时也是反映的速度在

40、多大的程度上得到 保证的问题。另一方面同时也是反映的速度在多大的程度上得到 保证的问题。41中断延迟（中断延迟（Interrupt Latency）中断不可嵌套中断不可嵌套LINUX的的Bottom Half中断可嵌套：优先级中断中断可嵌套：优先级中断大多微处理器不支持；大多微处理器不支持；LINUX不支持；不支持；UNIX支持支持与指令集有关与指令集有关DMA操作有关操作有关保证系统调用的原子性有关保证系统调用的原子性有关42调度延迟（调度延迟（Scheduling Latency）中断处理程序 进程处理中断处理程序 进程处理一般调度算法（一般调度算法（Round Robin）不能及时选中）

41、不能及时选中基于优先级调度算法，一般能及时选中基于优先级调度算法，一般能及时选中如果目标进程优先级低呢？如果目标进程优先级低呢？可剥夺调度和不可剥夺调度可剥夺调度和不可剥夺调度LINUX是属于什么调度？是属于什么调度？事件或软中断Linux既不是完全的可剥夺，也不是完全的不可剥夺既不是完全的可剥夺，也不是完全的不可剥夺43上下文切换延迟（上下文切换延迟（Context Switch Latency）大小取决于大小取决于CPU和操作系统和操作系统采用采用MMU 不采用不采用MMU44只要发生调度，就能选中目标进程吗？只要发生调度，就能选中目标进程吗？根据时间片的耗用调整优先级根据时间片的耗用调整

42、优先级拉开距离，分等级拉开距离，分等级对实时进程而言，对实时进程而言，“应该没有问题应该没有问题”不够不够要保证要保证是否可以不用中断、也不用调度，回到最简单 的是否可以不用中断、也不用调度，回到最简单 的“监控程序监控程序”?根据实际任务情况，多任务需要调度，任务越少越 简单，越建议用监控程序根据实际任务情况，多任务需要调度，任务越少越 简单，越建议用监控程序45实时操作系统实时操作系统IO需要有效的中断处理能力来处理异步事件和高效的 需要有效的中断处理能力来处理异步事件和高效的 I/O能力来处理有严格时间限制的数据收发应用能力来处理有严格时间限制的数据收发应用系统应该有在事先定义的时间范围

43、内识别和处理离 散的事件的能力。系统应该有在事先定义的时间范围内识别和处理离 散的事件的能力。系统能够处理和存储控制系统所需要的大量的数据。系统能够处理和存储控制系统所需要的大量的数据。46Kernel分为：微内核与单内核分为：微内核与单内核 微内核微内核(microkernel)设计思想：内核尽量小设计思想：内核尽量小 移植方便移植方便 有效利用内存有效利用内存 内核不提供操作系统相关服 务，而提供实现这些服务的 机制内核不提供操作系统相关服 务，而提供实现这些服务的 机制 包括：进程管理、存储管理、进程间通信、中断响应框架包括：进程管理、存储管理、进程间通信、中断响应框架 内核态：提供服务

44、实现的机 制部分内核态：提供服务实现的机 制部分 用户态：操作系统的服务、设备驱动、文件系统和用户 界面：用户态：操作系统的服务、设备驱动、文件系统和用户 界面：一般的嵌入式操作系统都是 微内核一般的嵌入式操作系统都是 微内核 单内核单内核(monolithic kernel)设计思想：内核尽量全设计思想：内核尽量全 一个很大的进程一个很大的进程 模块间直接调用或函数调用模块间直接调用或函数调用 内核提供完整的操作系统服 务内核提供完整的操作系统服 务 内核态：文件系统，进程间 通信，进程调度器，内存管 理，设备驱动程序内核态：文件系统，进程间 通信，进程调度器，内存管 理，设备驱动程序 用户

45、态：应用程序用户态：应用程序 应用程序通过内核提供的 应用程序通过内核提供的“系统调用系统调用”使用操作系统提 供的服务使用操作系统提 供的服务 Linux和和WinCE47微内核是嵌入式操作系统的主流微内核是嵌入式操作系统的主流 可靠性好可靠性好 不会因一个组件出现崩溃不会因一个组件出现崩溃 实时性好实时性好 内核较小，改造为抢占式、可重入方便内核较小，改造为抢占式、可重入方便 安全性安全性 内核小符合最小权限准则内核小符合最小权限准则 模块多接口多导致安全降低模块多接口多导致安全降低 开发方便开发方便 小而且简单，容易理解，容易维护小而且简单，容易理解，容易维护 各模块可以独立开发各模块可

46、以独立开发 系统配置灵活方便系统配置灵活方便 性能差性能差 系统调用需要用户态和内核态转换系统调用需要用户态和内核态转换48内核裁剪内核裁剪 通用计算机需要通用计算机需要“大而全大而全”的内核的内核 局限于某个具体领域时，可做局限于某个具体领域时，可做“裁减裁减”通常见于通常见于 嵌入式嵌入式Linux Wince的的Platform Builder 理论基础：内核可以分层模拟、分层提供服务理论基础：内核可以分层模拟、分层提供服务 微内核的内部分出层次微内核的内部分出层次 最底层是最底层是“硬件抽象层（硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer）”HAL 常用手段常用手段

47、 将内核中的部分内容移到内核外面，作为服务进程运行将内核中的部分内容移到内核外面，作为服务进程运行 把内核中的部分内容移到外面，但不作为独立的进程运行，而是作 为让应用程序调用的库函数存在把内核中的部分内容移到外面，但不作为独立的进程运行，而是作 为让应用程序调用的库函数存在 应用定制的操作系统应用定制的操作系统(Application Specific Operating System，ASOS)49嵌入式嵌入式Linux裁剪方法裁剪方法使用使用Linux自身的配置工具，编译定制内核自身的配置工具，编译定制内核定制安装法定制安装法RPM裁剪法裁剪法手工删除法手工删除法修改内核源代码进行系统裁

48、剪修改内核源代码进行系统裁剪基于系统调用关系进行内核裁剪基于系统调用关系进行内核裁剪50操作系统裁剪已经逐步被放弃操作系统裁剪已经逐步被放弃 Linux2.6有实时性有实时性 POSIX 10031b实时扩展标准实时扩展标准 裁剪的功效很有限裁剪的功效很有限 存储容量不再是限制存储容量不再是限制 裁剪可以以最小的代码量满足嵌入式系统的需求裁剪可以以最小的代码量满足嵌入式系统的需求 代码几百代码几百KB的的EOS，可裁剪到只具有实时调度和信号量操作 的几，可裁剪到只具有实时调度和信号量操作 的几KB代码代码 剪裁使嵌入式操作系统的稳定性大打折扣剪裁使嵌入式操作系统的稳定性大打折扣 每一次裁剪的结果看成一个全新的系统，可靠性需要检验每一次裁剪的结果看成一个全新的系统，可靠性需要检验 两个选择两个选择 或者选用其他或者选用其他EOS，候选者很多，候选者很多 或者或者EOS本身有裁剪工具本身有裁剪工具微软的微软的PB、VxWorks的的Component工程管理软件工程管理软件