嵌入式操作系统.ppt

实际调度模型
先来先服务 FCFS 最短任务优先调度 基于优先级的非抢占式调度
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非抢占式调度
低优先级任务
(1)
(2)
(4)
高优先级任务
t0
ISR
t1
(3)
t2
等待态 运行态
时间
(5)
(6) 低优先级任务释 放CPU使用权
t3 t4
(7)
就绪态 被中断态
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非抢占式调度
低优先级任务
(1)
(2)
(4)
suspended -> pended
taskResume() [shell] tr
suspended -> delayed
taskResume() [shell] tr
4.2.2 任务调度和管理
操作系统内核负责为对任务进行调度和管理；
为每个任务分配CPU时间； 负责任务切换工作； 按照一定的策略，在就绪态任务列表中选择一个任 务执行； 负责任务间的同步和通信。
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优先级反转的解决方法
Thigh
t0
t1
t2 t3 时间 t4
t5 运行态
Tmedium
就绪态
Tlow
等待态
空闲
T3拥有
T1拥有
空闲
t0: Tlow获得资源 t1: Thigh抢占Tlow，Tlow进入就绪态 t2: Thigh试图获得资源锁，Thigh进入等 待态，Tlow优先级升高，Tlow运行
(5)
高优先级任务
t0
ISR
t1
(3)
t2
中断服务程序 使高优先级任
务就绪
时间
(6)
低优先级任务释 放CPU使用权

前后台系统 （后台循环、前台中断）
后台
前台
ISR
时间
ISR
ISR
有操作系统的情形
应用 软件层
WWW 浏览器
中间 件层
嵌入式 CORBA
MP3 播放器
嵌入式 JAVA
操作 系统层
TCP/IP 网络系统
设备 驱动层
板级 初始化
文件 系统
以太网 驱动
…
电子
邮件
嵌入式 DCOM
面向领域 的中间件
内核
嵌入式 GUI
单体结构
最常用的组织结构；
应用软件
整个系统只有一个可 执行文件，包含所有 的操作系统组件；
单体内核
文件I /O 存储管理 进程管理 I/O驱动 存储驱动 中断驱动
系统的结构就是无结
硬件
构，由一组函数组成，
相互之间可以随意地
调用。
分层结构
一个操作系统被划分 为若干个层次 （0..N），各个层次 之间的调用关系是单 向的，即某一层次上 的代码只能调用比它 低层的代码。
I/O驱动 存储驱动 中断驱动
硬件
C/OS-II的文件结构
计算机操作系统的功能
任务管理
存储管理 存储
任务表
分配表
文件管理
表 处理总器的之管理，需要一大堆 文件
目录
操作系统
网络和通信的 管理
设备表
I/O设备管理
操作系统中经常使用 的数据结构（数组）
数组
1。同一数据类型数据 的集合；
a
2。占用连续内存空间； a+1
硬实时和软实时
• 硬实时：响应时间超过规定时限将导致灾 难性后果的实时系统

据类型数 struct Student{
据的集合； int age;
2。占用连 char*name;
续内存空 char sex;
间；
};
使用上的特点：
1。不分类存 放，但用来描 述同一事物； 2。检索速度 快且恒定；
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操作系统中经常使用 的数据结构（链表）
struct Student{
两个元素的链表
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μC/OS-II中 的任务管理
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正在运行的任务，需要
等待一段时间或需要等
待一个事件发生再运行
时，该任务就会把CPU
任务在没有被配备
的使用权让给别的任务
任务控制块或被剥 夺了任务控制块时
。 一个正在运行的
而使任务进入任等务待一状旦态响应中
的状态叫做任务的
断申请就会中止
任务的状态及其转换 睡眠状态
运行而去执行中 断服务程序，这 时任务的状态叫
做中断服务状态
系统为任务配备 了任务控制块且 在任务就绪表中 进行了就绪登记， 这时任务的状态 叫做就绪状态。
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处于就绪状态的 任务如果经调度 器判断获得了 CPU的使用权， 则任务就进入运
行状态
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void MyTask(void *pdata)
切换？ 并简单发地：说，由就同是一能用个一处个理处器理并轮器发示过换意程地图
运并行发多（个注程意序，。不或是者同说时是由！多）个
程地运序行轮多班个地程占序的用计处算理机器管理这系个统资。源。 且在占用这个资源期间，并不一
定能够把程序运行完毕。
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程序的切换（两句话）

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ARM－Advanced RISC Machines
ARM（Advanced RISC Machines），既可以认 为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微 处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。
ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开
发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接
2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令 集，能很好的兼容8位/16位器件；
3、大量使用寄存器，指令执行速度更快；
4、大多数数据操作都在寄存器中完成；
5、寻址方式灵活简单，执行效率高；
6、指令长度固定；
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ARM微处理器系列
ARM微处理器目前包括下面几个系列，以及其它 厂商基于ARM体系结构的处理器，除了具有ARM 体系结构的共同特点以外，每一个系列的ARM微 处理器都有各自的特点和应用领域。
M取至Multiplier，表示具备32bit硬件乘法器。
I取至ICE，表示支持Embedded-ICE接口，可 进行在线仿真。
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ARM微处理器的寄存器结构
ARM处理器共有37个寄存器，被分为若 干个组（BANK），这些寄存器包括：
－ 31个通用寄存器，包括程序计数器 （PC指针），均为32位的寄存器。
－ 6个状态寄存器，用以标识CPU的工作 状态及程序的运行状态，均为32位，目 前只使用了其中的一部分。
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ARM微处理器的工作状态
从编程的角度看，ARM微处理器的工作状态一 般有两种，并可在两种状态之间切换：
第一种为ARM状态，此时处理器执行32位的字 对齐的ARM指令；
第二种为Thumb状态，此时处理器执行16位的、 半字对齐的Thumb指令。

被中断态：是指发生中断时，CPU转入相应的中断服 务，原来正在运行的任务暂时放弃CPU的使用权，就 进入了被中断状态。
2.6 任 务 切 换
任务切换(Context Switch或者Task Switch)
即CPU寄存器内容切换。实际上是模拟一次中 断过程，从而实现CPU使用权的转移。
任务栈：每个任务自己独立的堆栈，用于保存任 务的当前状态和所有寄存器内容。
本章内容
2.1 前后台系统 2.2 调度 2.3 临界区 2.4 进程与线程 2.5 任务与多任务 2.6 任务切换 2.7 死锁 2.8 不可剥夺型内核
2.9 可剥夺型内核 2.10 可重入性 2.11 优先级反转 2.12 事件 2.13 互斥 2.14 同步 2.15 通信 2.16 对存储器的要求 习题
•
2.5 任务与多任务
任务：在不同的应用领域具有不同的意义，它既 可以是一个独立装载的程序，也可以是全部程序 中的一段。在实时操作系统中，有时会用线程或 者进程来替代任务。
嵌入式实时操作系统的任务:大多数嵌入式系统不 具备担负面向进程操作系统的内存开销，小的微 处理器也不具备支持面向进程操作系统的硬件结 构——绝大多数嵌入式实时操作系统的任务都采 用了线程模式。
2.9 可剥夺型内核
可剥夺型内核：一旦有更高优先级的任务准备就 绪，当前正在运行的低优先级任务的CPU使用权 就立即被剥夺，该任务转为就绪态或挂起态， CPU的使用权移交给那个更高优先级的任务。
被中断的任务处理：如果中断服务使得一个高优 先级任务准备就绪，那么中断服务完成后，被中 断的任务将被挂起，高优先级的任务继续运行。
图2.3 不可剥夺型内核运行示意图
运行过程：
(1) 低优先级任务正在运行时，有一个异步事件发生，

内核（core）
处理器存储器子系统
处理器（Processor）
芯片（SoC）
SoC的片内外设 系统的片外设备 系统（System）
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嵌入式操作系统的选择
• 应用需求 • 实时性 • 开发工具 • CPU种类 • 价格和技术支持和服务
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一些典型的应用实例
goReader Internet eBook
Windows CE
笔记本PC
• 复杂的文档编辑和读写 • 桌面键盘输入 • 键盘和鼠标输入法 • 完整的.NET framework
支持
平板电脑
• 复杂的文档编辑和读写 • 桌面键盘输入 • 支持数字墨水
• 可以支持键盘，也可以把 键盘拿走
• 键盘、鼠标、数字墨水和 语音输入
• 完整的 .NET framework支 持
Tektronix TDS7000 Digital Oscilloscopes
Samsung AnyWeb Internet Screen Phone
Nixvue Digital Album Digital Photo Album
eRemote Intelligent Home Controller
• 桌面机
– Windows (9X, XP Home, XP/2000 Pro) – Mac
• 服务器
– Windows (XP/2000 Server &Advanced Server)
– Unix Varieties
• 嵌入式
– Many
2020/3/24
嵌入式操作系统概念
• 嵌入式操作系统EOS（Embedded Operating System）是一种支持嵌入式系统应用的操作系 统软件，是嵌入式系统的重要组成部分。

4、VxWorks嵌入式实时操作系统
• VxWorks 是风河（WindRiver）公司开发的 一款商用硬实时操作系统
• 支持主流的32位CPU，包括
– x86、 68K、PowerPC、MIPS、ARM等
• 基于微内核结构，由400多个相对独立的， 短小精悍的目标模块组成，可裁剪性和可 配置性相当出色
– 给用户最大的控制权
VxWorks
• Vxworks的基本构成包括以下部分 ：
– 实时微内核wind： 以灵活性和可配置性为设计目标，它主要包括
• 基于优先级的任务调度 • 任务同步和通信 • 中断处理 • 定时器 • 内存管理
– 兼容POSIX标准
• I/O处理系统： Vxworks提供与ANSIC兼容的I/O处理系统， 主要包括
嵌入式Linux的分类2 电子元件的规模
• 中型系统的特性是： 中等运算能力的CPU，并且可以使用大约 32MB的ROM和64MB的RAM。
– 大多数以Linux构建的消费性产品皆属此类，包 括PDA、MP3播放器，娱乐系统以及网络设备。
– 有些产品可能会包含如下形式的辅助存储器： 固态硬盘（以RAM芯片制成的硬盘）、快闪存 储卡甚至是传统的硬盘。
• 板级支持包BSP： 提供各种硬件的初始化、中断的建立、定 时器、内存映象
VxWorks的评价
• Vxworks是一款非常出色的嵌入式实时操作 系统，但是它是不公开源码的商业化操作 系统，价格比较高
• 为追求系统的实时性而设计的，并不是以 通用OS为设计目标。
– 去掉了一些OS模块，因为这些模块在某种程度 上会影响系统的实时性 （如在内存管理中没有 采用页面管理模式，采用的是平板式内存）。
Tornado —— 集成开发环境

1. 无操作系统的嵌入算法阶段
♫ 以单芯片为核心的可编程控制器形式，同时具
♫
有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。 ♫ 主要用于一些专业性极强的工业控制系统中， 一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程 对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。 这一阶段系统的主要特点： ♫ 系统结构和功能都相对单一 ♫ 处理效率较低，存储容量较小 ♫ 几乎没有用户接口
嵌入式操作系统发展的四个阶段
3. 通用的嵌入式实时操作系统阶段，是以嵌入式操作系
统为核心的嵌入式系统 这一阶段系统的主要特点： 嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器 上，兼容性好； 操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块 化和扩展性； 具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支 持、图形窗口以及用户界面等功能； 具有大量的应用程序接口 (API) ，开发应用程序简 单； 嵌入式应用软件丰富。
统 ♫ 结构紧凑、功能强大 ♫ 高可用(High Available)、高可靠(High Reliable )、支持 多处理器和分布式计算 ♫ 可动态加载和升级软件 ♫ 与开发工具有机的结合起来
使用嵌入式操作系统的必要性
♫ 嵌人式实时操作系统提高了系统的可靠性。
系统不崩溃，有自愈能力
♫ 提高了开发效率，缩短了开发周期。
任务分解为多个模块。每个模块的调试、修改几
乎不影响其他模块，支持多任务调试环境。 ♫ 嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务 潜力。 32位CPU是为运行多用户、多任务操作系统而设 计的，特别适于运行多任务实时系统。32位CPU 采用利于提高系统可靠性和稳定性的设计，使其 更容易做到不崩溃。
Windows CE
♫ 微软公司嵌入式、移动计算平台的基础，是一个开放的、

5.1.3 操作系统各部分的作用

操作系统各部分的作用
操作系统内核
操作系统负责组织和管理计算机的软硬件资源，合
理地组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向 用户提供各种服务功能，使得用户能灵活、方便、 有效地使用计算机。
操作系统主要功能包括处理器管理（又称进程管理
或任务调度）、同步、内存管理和文件系统等。从 层次结构来看，操作系统使得硬件对用户透明。例 如用户不必关心外部存储器的形式（硬盘还是 flash），可以以统一的文件系统来存取。

5.1.1 嵌入式操作系统的体系结构

操作系统在嵌入式系统组成中的层次

并非所有嵌入式系统都包含嵌入式系统的通用组成 这些部分，例如有些没有操作系统
被控对象(如 微型电机) 应用程序 文件系统 图形用户接口 任务管理 (GUI) 操作系统 HAL/BSP硬件抽象层/板级支持包 硬件
操作系统最接近硬件
5.2.1 引导技术简介

Boot Loader的功能(续)
Boot Loader是依赖于硬件的，特别是嵌入式系统中。对 于两块不同的嵌入式目标板而言，即使它们是基于同 一种CPU构建的，将运行于一块板的Boot Loader移植到 另一块板上也需要修改源代码。 虽然Boot Loader依赖于具体的目标系统和开发系统，但 一般包含以下功能：
这种模式也成自主模式，即Boot
5.2.1 引导技术简介

Boot Loader的操作模式(续)
下载模式
Loader将通过串口 连接或者网络连接等通信手段从宿主机下载文件， 如下载操作系统内核映像和根文件系统映像等。 从宿主机下载的文件，通常首先由Boot Loader保存 到目标机的RAM中，然后再由Boot Loader写到目标 化上的Flash类固态存储设备中。——这一过程对应 交叉开发过程的烧录式部署步骤。 Boot Loader的这种模式通常在第一次安装内核和根 文件系统时被使用；此外，以后的系统更新也会使 用这种模式。 工作在这种模式下的Boot Loader通常会向它的终端 用户提供一个简单的命令行接口。