第四章%20%20嵌入式实时操作系统(2).pdf

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1、任务同步和任务间通信?多任务操作系统中，多个任务总是协同工作，在确定的时间里执行各自的操作，由此产生同步问题?对于单个任务而言，所谓同步就是这个任务可以在指定的时间获得执行?一般意义上的任务同步是指两个或者两个以上的任务需要协调执行的情况?任务之间还需要彼此交换数据，中断服务程序和任务之间也需要进行通信，这种信息传递被统称为任务间通信互斥和代码临界区?在访问共享资源过程中，各个任务以及中断服务程序必须保证对共享资源进行访问的过程是独占的，这种特性被称为互斥（mutual exclusion）?必须互斥地存取数据的程序代码段被称为代码临界区（critical section）实现互斥和临界区保护

2、的方法?关中断/开中断?测试并设置?禁止/使能任务切换?信号量?事件?信号?消息邮箱?消息队列信号量?信号量是20世纪60年代中期Edgser Dijkstra首先提出的一个设想，大部分多任务操作系统的内核支持这种机制。信号量适用于以下情况：?控制共享资源的访问，保证满足互斥条件?标志某个事件的发生?任务同步?信号量分为两种类型?计数信号量?二进制信号量计数信号量?计数信号量也被称为PV信号量。信号量本身是内核变量，系统为它分配一个任务等待队列，有两个系统服务用于信号量操作：WAIT和SIGNAL操作?WAIT操作，也称psema操作，简称P操作，执行过程：如果信号量的数值大于0，则这个数值减

3、1；否则将当前运行的任务挂起，系统将这个任务放入信号量所对应的任务等待队列?SIGNAL操作，也称vsema操作，简称V操作，执行过程：如果信号量对应的任务等待队列非空，就从此队列中取出一个适当的任务，转为就绪状态；否则将信号量数值加1?P/V操作是量子化操作，操作在进行的过程中是不能被中断的二进制信号量?二进制信号量只有“锁定”和“解锁”两种状态，分别对应数值1和0，系统同样为它分配一个任务等待队列，LOCK和UNLOCK两个操作适用于二进制信号量?LOCK执行的操作是：测试信号量的数值，如果为0，则将其值置为1；如果为1，系统将当前任务挂起，将它放入信号量对应的任务等待队列?UNLOCK执

4、行的操作是：当信号量用完后，将信号量的数值复位为0，如果信号量对应的任务等待队列非空，就从此队列中取出一个适当的任务，转为就绪状态?操作系统通常使用“测试并设置”指令实现二进制信号量的操作?使用二进制信号量有可能导致优先级反转问题优先级反转问题?优先级反转（Priority Inversion）是一种在使用共享资源，采用占先调度内核的多任务系统中常见的问题，出现这种情况任务执行会被无限推迟?当高优先级任务请求访问某个共享资源，而此资源当前被分配给一个低优先级任务时会发生优先级反转现象?在低优先级任务释放共享资源之前，高优先级任务一直处于阻塞状态，如果在这两个优先级之间的任务阻止低优先级任务的执

5、行，因为低优先级任务不能执行，它无法访问和释放共享资源，高优先级任务甚至有可能永远无法继续执行?这种情况等价于更低优先级的任务阻止高优先级任务的执行优先级反转问题的解决方法?优先级继承机制（优先级继承机制（优先级继承机制（优先级继承机制（Priority InheritancePriority Inheritance）：）：）：）：如果一个低优先级任务持有某个共享资源，当有更高优先级任务请求访问这个共享资源时，系统就将低优先级任务的优先级提高到所有这些任务中的最高优先级。任何任务请求获取此资源而被挂起时，系统都应检查持有资源的任务的优先级，在必要情况下提升其优先级?优先级顶置机制（优先级顶置机

6、制（优先级顶置机制（优先级顶置机制（Priority CeilingPriority Ceiling）：）：）：）：任何任务一旦持有某个共享资源，系统就将它的优先级提高到所有可能请求访问此资源的任务中的最高优先级。事实上，所谓最高优先级，是在创建同步对象时进行设置的两种机制的比较?使用这两种机制，都需要改变任务的运行优先级?使用优先级继承机制，持有共享资源的任务在释放资源之前有可能多次改变其优先级；使用优先级顶置机制，任务在获得共享资源的过程中，最多只可能改变一次优先级?使用优先级继承机制，无需事先确定可以访问共享资源的最高优先级任务；使用优先级顶置机制必须事先确定可以访问共享资源的最高优先级

7、任务中断管理?实时内核必须提供对外部中断快速响应的机制，满足系统的时间限制?中断级（Interrupt Level）和不可屏蔽中断?中断服务程序?中断服务线程?嵌入式系统一般要求操作系统提供应用程序对中断请求直接进行处理的机制中断服务程序?中断服务程序一般是用汇编语言编写的，在其中可以调用应用程序提供的用高级语言编写的函数?汇编语言处理中断服务的种种细节，在高级语言函数中不必考虑这些细节，约束较少?中断服务程序中通常要对任务调度进行处理?中断管理需要解决任务和中断服务程序之间数据共享的问题?中断服务程序与任务的通信是单向的?任务经常采用关中断的方法保证数据的独占访问中断系统性能的评价标准?中断

8、延迟时间：中断延迟时间：中断延迟时间：中断延迟时间：系统发出中断请求到操作系统做出响应，并完成切换转入中断服务程序所需的时间?中断响应时间：中断响应时间：中断响应时间：中断响应时间：系统发出中断请求到开始执行用户的中断服务子程序代码所需的时间?中断恢复时间：中断恢复时间：中断恢复时间：中断恢复时间：微处理器返回到被中断的程序代码所需的时间中断服务线程?中断服务线程是内核的组成部分?使用中断服务线程可以很好地解决中断服务程序所面对的数据一致性问题?中断服务程序只负责保护现场和调度中断服务线程，其他操作都移到中断服务线程中进行?中断服务线程体现了微内核思想时钟节拍?时钟节拍（clock tick）

9、是特定的周期性中断，可视为系统的心跳?在每个时钟节拍操作系统获得系统的控制权，更新相应的时间、定时数据结构，进行必要的任务调度?中断周期越短，系统响应速度越快，但开销也越大，程序的执行速度越慢?典型节拍周期在10ms至200ms的范围内，取20ms较为合适TOD和定时器?内核在时钟节拍的基础上为应用程序提供时间日期（time of day，TOD）服务?定时器服务需要系统时钟节拍的支持?定时器的精度依赖于系统时钟节拍的频率?只有使用定时器才能实现任务休眠以及一些同步超时操作?实时系统对操作系统的定时器功能要求很高，除了普通定时器外，实时操作系统往往还要提供高精度的报时支持功能存储器模型和保护机

10、制?平板模型?分段式存储器模型?分页式存储器模型?段页式模型?虚拟存储器系统存储器分配方法?固定分区（Fixed Partitioning）?动态分区（Dynamic Partitioning）?伙伴系统（Buddy System）?厚板分配器（Slab Allocator）动态分区分配算法板级支持包?板级支持包（Board Support Packet，BSP）是用户提供的各种支持功能组成的程序集合?介于操作系统和底层硬件之间，包括了系统中大部分与硬件相关的软件模块?在功能上包含两部分：系统初始化及设备驱动程序?系统初始化主要完成：?对CPU进行低级初始化?对主板的硬件进行初始化?加载操作系

11、统设备/设备驱动程序的抽象?操作系统应该为所有设备提供统一的接口?支持文件系统的操作系统将设备视作文件?每个设备支持通用操作?设备初始化?打开设备?关闭设备?读出?写入?设备控制I/O操作的模式?轮询方式?中断方式异步I/O操作?同步I/O操作：应用程序执行设备操作，如果操作无法立即完成，应用程序将被挂起?异步I/O操作：如果操作无法立即完成，应用程序还可以继续运行；操作完成时设备驱动程序向应用程序发出异步的通知?实时操作系统必须支持异步I/O操作，提高应用程序的运行效率VxWorks操作系统简介?VxWorks 是美国 Wind River System 公司面向嵌入式系统推出的一个高性能的

12、实时操作系统，支持?实时多任务调度?高效的中断管理?实时系统资源管理?实时任务间通信?VxWorks支持很多目标系统，在各种CPU平台上提供统一的编程接口和一致的运行特性?VxWorks以其良好的可靠性和卓越的实时性在通信、军事、航空、航天等领域获得广泛地应用?VxWorks只占用了很小的存储空间，并可高度裁剪，保证了系统能以较高的效率运行VxWorks操作系统的主要功能?微内核wind?任务间通信机制?先进的网络支持?功能强大的文件系统和I/O管理?POSIX标准实时扩展?C+以及其他标准支持VxWorks操作系统的基本结构?板级支持包?微内核wind?网络系统?文件系统?I/O系统Hard

13、ware Independent SoftwareHardware Independent SoftwareApplicationsApplicationsTCP/IPTCP/IPI/O SystemI/O SystemVxWorksVxWorks librarieslibrariesWind Wind microKernelmicroKernelFile SystemFile SystemHardware Abstraction LayerHardware Abstraction LayerSCSISCSIDriverDriverFlashFlashDriverDriverMMUMMUDri

14、verDriverCacheCacheDriverDriverSerialSerialDriverDriverEtherneEthernet tDriverDriverOtherOtherDriversDriversHardwareHardware高性能的微内核设计?微内核wind是VxWorks操作系统高性能的核心部件，可以保证对外部事件的快速、确定的响应，它支持所有的实时特征?快速任务切换?中断支持?抢占式和时间片轮转调度等?运行环境提供有效的任务间通信机制?用于简单数据共享的共享内存?用于单CPU的多任务间信息交换的消息队列和管道、套接口?用于网络通信的远程过程调用?用于处理异常事件的信

15、号?为了控制关键的系统资源，提供了三种信号量：二进制、计数、实现优先级继承的互斥信号量微内核的主要特点?高效的任务管理?无限数目多任务，具有256个优先级?具有优先级排队和时间片轮转调度?快速的、确定性的上下文切换?快速灵活的任务间通讯?高度的可裁剪性?增量连接和部件加载?快速有效的中断和异常事件处理?优化的浮点支持?动态内存管理?系统时钟和计时工具板级支持包?板级支持包（BSP）为各种计算机板的硬件功能提供统一的软件接口，包括?硬件初始化?中断的产生和处理?硬件时钟和计时器管理?局域和总线内存地址映射?内存分配?每个板级支持包括一个 ROM 启动（Boot ROM）或其它启动机制I/O 系统

16、?VxWorks的I/O系统具有快速灵活的特点，并且与ANSI C相兼容，支持?UNIX标准的缓冲I/O?POSIX标准的异步I/O?VxWorks包括下列驱动程序?网络驱动程序?管道驱动程序?RAM盘驱动程序?SCSI驱动程序?键盘驱动程序?显示驱动程序?磁盘驱动程序?并口驱动程序网络设施?VxWorks的网络结构提供对TCP/IP网络系统以及其它网络 的“透明”访问，包括?与BSD套接字兼容的编程接口?远程过程调用（RPC）?SNMP（可选项）?远程文件访问（包括客户端和服务端的NFS机制以及使用RSH，FTP或TFTP的非NFS机制）?BOOTP 和 ARP 代理?所有 VxWorks

17、网络机制都遵循标准的 Internet 协议文件系统?VxWorks的快速文件系统适合于实时系统应用，包括几种支持使用块设备（如磁盘）的本地文件系统?VxWorks同时支持 SCSI 磁带设备的本地文件系统?VxWorks I/O体系结构支持在一个VxWorks系统上同时并存几个不同的文件系统，支持四种文件系统?dosFs?rt11Fs?rawFs?tapeFs?普通数据文件，外部设备都统一作为文件处理，有相同的语法定义，使用相同的保护机制可裁剪的运行软件?VxWorks操作系统具有可裁剪性，开发者可以根据应用程序的需要，通过选取各个子系统分配有限的系统资源?子系统本身也是可裁剪的，开发者可以

18、为最广泛的应用程序进行更为优化的VxWorks运行环境配置?开发者可以通过Tornado的项目工具图形接口，轻易地选择不同的配置选项?开发者还可以使用Tornado的自动裁剪特性，自动地分析应用程序代码、合并适当的选项与POSIX 1003.1b标准兼容?VxWorks支持POSIX 1003.1b协议以及1003.1中有关基本系统调用的协议，包括?过程初始化?文件与目录?I/O初始化?语言服务?目录处理?VxWorks支持POSIX 1003.1b的实时扩展，包括?异步I/O?记数信号量?消息队列?信号?内存管理?调度控制操作系统选件?板级支持包开发工具(BSP Developers Kit

19、)?支持闪存文件系统的TrueFFS for Tornado?支持图形应用程序?支持虚拟内存管理VxVMI?支持多处理器系统的VxMP、VxDCOM和VxFusion良好的可移植性?VxWorks操作系统具有很好的可移植性，进行移植时只需要改变整个依赖于硬件的低级代码，不需要改变操作系统和应用程序?BSP Developers Kit使开发者很容易地开发板级支持包，便于在用户硬件上使用VxWorks?对于商用的通用硬件，WindRiver提供了2000个板级支持包目标机开发特性?完全兼容ANSI C和C+的异常处理和模板支持?兼容POSIX 1003.1,1003.1b实时扩展?目标机shel

20、l上的交互式C解释器?符号调试和反汇编?强大的性能监视功能?扩展的内核、任务、系统信息工具?动态连接装载?超过1800个实用例程库?灵活的启动方式，可以从ROM、本地磁盘或通过网络启动?高度可裁剪设计可以适用于广泛的应用?通过以太网、串行线、ICE或ROM仿真器的系统级调试Tornado嵌入式开发环境?Tornado开发环境是实现嵌入式实时应用程序的完整的软件开发平台?Tornado是交叉开发环境运行在主机上的部分，由三个高度集成的部分组成?运行在宿主机和目标机上的强有力的交叉开发工具和实用程序?运行在目标机上的高性能、可裁剪的实时操作系统VxWorks?连接宿主机和目标机的多种通讯方式Tor

21、nado的特点?动态链接与加载?快速的产品设计?安装简单方便?VxSim-Lite集成仿真器可以迅速开始开发工作?集成仿真器的WindView?缩短开发周期?自动的操作系统依赖性分析?代码容量计算?Wizards可以提供开发指导?应用程序的自动裁剪?先进的调试环境Tornado软件工具包的核心工具?图形化的交叉调试器CrossWind/WDB?工程配置工具?集成仿真器?诊断分析工具?C/C+编译环境?主机目标机连接配置器?目标机系统状态浏览器Tornado工具包的WindPower工具?软件逻辑分析仪WindView?原型仿真器VxSim?显示软件包ScopePak?性能检测包PerformancePak，黑盒监测工具?代码测试器CodeTest，白盒监测工具?WFC基础类库Wind Foundation Classes?C+对象跟踪器Look!for Tornado