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嵌入式系统教学课件：第四讲 嵌入式操作系统-任务管理

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嵌入式系统教学：操作系统4-同步PPT课件

嵌入式系统教学：操作系统4-同步PPT课件

嵌入式系统的发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，嵌入式系统将更加智 能化，能够实现更高级的功能。
网络化
嵌入式系统将更加网络化，能够实现远程控制和 数据传输。
低功耗
随着物联网设备的普及，嵌入式系统的功耗将越 来越低，以满足长时间运行的需求。
02 操作系统在嵌入式系统中 的作用
操作系统在嵌入式系统中的功能
04 嵌入式系统中的同步问题 与解决方案
嵌入式系统中常见的同步问题
资源竞争
01
当多个任务或进程同时访问共享资源时，可能导致数据不一致
或死锁。
时序问题
02
由于嵌入式系统的实时性要求，任务之间的时序关系需要精确
控制，否则可能导致系统行为异常。
任务间的通信与协调
03
任务间需要有效的通信和协调机制，以确保系统行为的正确性。
未来研究方向与展望
研究方向
随着嵌入式系统的广泛应用，未来对于同步机制的研究 将更加深入。研究方向包括但不限于：新型同步算法、 异构系统中的同步问题、同步与通信的协同设计等。
展望
随着物联网、人工智能等技术的不断发展，嵌入式系统 的应用场景将更加丰富和复杂。未来的嵌入式系统需要 更加高效、灵活和可靠的同步机制来保证系统的正常运 行。因此，对于同步机制的研究将具有更加重要的意义 和价值。同时，随着技术的进步，嵌入式系统中的同步 机制也将不断发展和完善，为未来的技术革新和应用拓 展提供有力支持。
同步的实现方式
总结词
同步可以通过信号量、互斥量、条件变量等机制实现。
详细描述
同步的实现通常依赖于一些同步原语，如信号量、互斥量、条件变量等。这些机制可以用来控制对共享资源的访 问，协调不同任务或进程的执行顺序，以及处理事件的发生时间。通过合理使用这些同步原语，可以有效地实现 任务的同步和协作。

嵌入式实时操作系统内核——任务管理与调度共97页

嵌入式实时操作系统内核——任务管理与调度共97页
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
嵌入式实时操作系统内核—— 任务管理与调度
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈

【第4章】嵌入式操作系统原理精品PPT课件

【第4章】嵌入式操作系统原理精品PPT课件
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
18
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
19
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。
43
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

嵌入式系统教学：嵌入式系统及应用PPT课件

嵌入式系统教学：嵌入式系统及应用PPT课件

仿真器
用于模拟嵌入式系统的运行环境，便 于开发者在真实硬件之前进行调试和 测试。
调试器
用于在嵌入式系统运行过程中进行实 时调试，帮助开发者定位和解决问题。
交叉编译器
将应用程序代码编译为目标硬件平台 上的可执行文件，实现跨平台开发。
03 嵌入式系统的应用
智能家居
智能家居是嵌入式系统的重要应用领域之一，通过嵌入式系 统可以实现家庭设备的智能化控制和管理，提高生活便利性 和舒适度。
、医学影像设备等。
汽车电子
嵌入式系统用于汽车电 子控制系统，如发动机
控制、车身控制等。
嵌入式系统的发展历程
01
02
03
起源
嵌入式系统的概念起源于 20世纪70年代，主要用于 工业控制领域。
发展
随着微处理器技术的发展， 嵌入式系统逐渐普及，应 用领域不断扩大。
趋势
未来嵌入式系统将朝着智 能化、网络化、低功耗等 方向发展。
RTOS技术具有可移植性和可裁 剪性，可以根据实际需求进行 定制化开发，提高系统的可靠 性和性能。
06 嵌入式系统发展趋势与挑 战
物联网时代的嵌入式系统
嵌入式系统在物联网中的应用
嵌入式系统作为物联网的重要组成部分，广泛应用于智能家居、智能交通、智能制造等领域，实现设备间的互联 互通和智能化控制。
提高实际操作能力。
项目实践
组织学生进行嵌入式系统的项目 实践，将理论知识应用于实际项 目中，提高学生的综合应用能力。
注重培养学生的实际动手能力
提供实验设备和实验环境
学校应提供先进的实验设备和实验环境，满足学生进行实验和实 践的需求。
加强实验课程建设
增加实验课程的比重，设计更多具有挑战性和实用性的实验项目， 引导学生主动实践。

第四讲 嵌入式操作系统-任务管理

第四讲 嵌入式操作系统-任务管理
• hard real time and soft real time
6
soft real time
7
hard real time
8
按软件结构分类… 单体结构（Monolithic Structure） 分层结构（Layered Structure）
Out of date… 微内核结构（Microkernel Model）
程序2 main( ) {
while(TRUE） {
Decompress( ); } } Decompress( ) { … }
程序3 main( ) {
while(TRUE） {
Play( ); } } Play( ) { … }
问题：进程之间如何通信，共享数据？
25
怎么办？
需要提出一种新的实体，满足以下特性： （1）实体之间可以并发地执行； （2）实体之间共享相同的地址空间； 这种实体就是：线程（Thread）
43
两种调度方式
不可抢占（non-preemptive）调度方式：一个 进程若被选中就一直运行下去，直到它被阻 塞（I/O，或正在等待其他进程），或主动地 交出CPU。以上的情形1－3均可发生调度；
可抢占（preemptive）调度方式：当一个进程 在运行时，调度程序可以打断它。以上的情 形1－5均可发生调度，另外，在其他一些情 形下，如就绪队列中有新进程的优先级高于 当前正运行的进程，也可能立即进行调度。
}
}
Read( ) { … }
Decompress( ) { … }
Play( ) { … }
问题： • 播放出来的声音能 否连贯？ • 各个函数之间不是 并发执行，影响资 源的使用效率；
24

精品课件-嵌入式实时操作系统-第4章

精品课件-嵌入式实时操作系统-第4章
第4章 中断处理与时间管理 第4章 中断处理与时间管理
4.1 中断处理的基本概念 4.2 μC/OS-Ⅱ的中断处理 4.3 μC/OS-Ⅱ的时钟节拍 4.4 μC/OS-Ⅱ的时间管理 习题
第4章 中断处理与时间管理
4.1 中断处理的基本概念 4.1.1 中断
中断定义为CPU对系统内外发生的异步事件的响应。异步 事件是指没有一定时序关系的、随机发生的事件。当中断产生 时，由硬件向CPU 发送一个异步事件请求，CPU接收到请求后， 中止当前工作，保存当前运行环境，转去处理相应的异步事件 任务，这个过程称为中断。事件处理完毕后，在前后台系统中， 程序回到后台程序；在不可剥夺型内核中，程序回到被中断了 的任务；在可剥夺型内核中，让进入就绪态的优先级最高的任 务开始运行，若没有高优先级任务准备就绪，则回到被中断了 的任务。
第4章 中断处理与时间管理
如果没有，则返回到被中断的任务继续执行。在这种情况下， 可剥夺型内核的中断恢复时间由下式给出：
中断恢复 时间 =
判定是否有优先级更高的 任务进入了就绪态的时间
＋
恢复 CPU 内部 寄存器的时间
＋
执行中断返回 指令的时间
第4章 中断处理与时间管理
4.1.5 中断延迟、响应和恢复时间的比较 前后台系统、不可剥夺型内核以及可剥夺型内核的中断延
第4章 中断处理与时间管理
使用中断机制的优点在于：CPU无需连续不断地查询是否 有新的事件发生，只需在有事件发生时作出响应。CPU可以通 过两条特殊指令关中断(Disable Interrupt)和开中断 (Enable Interrupt)来响应和不响应中断。关中断会影响中 断延迟时间，时间太长可能会引起中断丢失。所以在实时环境 中，关中断的时间应尽量短。在中断服务期间，CPU一般允许 中断嵌套(如图4.1所示)，允许新的中断打入，识别中断优先 级别更高的事件。

嵌入式系统PPT讲解全


三大领域所占比例之和接近60%
消费电子：信息家电，电视机、微波炉、数字电话 通信设备：手机、平板电脑 工业控制:自动化与测控仪器仪表 在工控和仿真领域，几乎所有的计算机控制系统都
采用嵌入式系统.新型的测控仪器仪表无一不是嵌入 式系统
嵌入式系统作为“物联网”的核心，是当前最热门最 有前景的IT应用领域之一。
（软件外包是指软件外包提供商为了集中精力从事核心 竞争力业务,降低项目成本,同时提高项目实施的质量,将 自己的软件项目中的全部或部分工作发包给合适的软件 企业去完成）
嵌入式系统在工业上的应用
嵌入式工控机 嵌入式工控机（Embedded Industrial Computer）是一
种加固的增强型工业计算机，它可以作为一个工业控 制器在工业环境中可靠运行。
工控机对于扩展性的要求也非常高，接口的设计需要 满足特定的外部设备，因此大多数情况下工控机需要 单独定制才能满足需求。
嵌入式工控机的优点 性能可靠 体积小巧 免维护 低功耗、无风扇、宽温设计、适应恶劣工作环境
嵌入式工控机的三大缺点。 一是性能较低； 二是扩展性较差；
三是缺乏标准化。
嵌入式工业触控一体机
工控机（Industrial Personal Computer，IPC）即工业 控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及 机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。 工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算 机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、 控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。
工控机的主要类别有：IPC（PC总线工业电脑）、PLC （可编程控制系统）、DCS（分散型控制系统）、 FCS（现场总线系统）及CNC（数控系统）五种。
嵌入式工控机的优势

嵌入式系统PPTPPT课件


物联网与5G技术
嵌入式系统将与云计算和边缘计算技术结 合，实现数据处理和分析能力的提升。
物联网和5G通信技术的发展为嵌入式系统 提供了更广阔的应用空间，嵌入式系统将 更加网络化、智能化。
02 嵌入式系统硬件
微控制器
微控制器是嵌入式系统的核心，它是一 种集成电路芯片，包含了计算机的基本 组成要素，如中央处理器、存储器、输
嵌入式系统PPT课件
目录
CONTENTS
• 嵌入式系统概述 • 嵌入式系统硬件 • 嵌入式系统软件 • 嵌入式系统开发流程 • 嵌入式系统应用案例 • 嵌入式系统面临的挑战与解决方案
01 嵌入式系统概述
定义与特点
定义
嵌入式系统是一种专用的计算机系统 ，主要用于控制、监视或帮助操作机 器设备。
特点
嵌入式系统在智能家居控制系统中发 挥着核心作用，通过嵌入式处理器和 相关硬件设备，实现对家庭设备的控 制和管理。
智能家居控制系统可以实现的功能包 括：远程控制、定时控制、语音控制 等，为家庭生活带来便利和舒适。
工业自动化控制系统
工业自动化控制系统是嵌入式系统的另一个重要应用领域，通过嵌入式系统技术， 可以实现生产过程的自动化和智能化。
调研市场需求
了解行业发展趋势和市场需求，为系统设计提供参考 和依据。
制定开发计划
根据需求分析结果，制定详细的开发计划，包括时间 安排、人员分工、资源需求等。
系统设计
硬件设计
根据系统需求，设计合适的硬件架构，包括 处理器、存储器、接口电路等。
软件设计
设计嵌入式系统的软件架构，包括操作系统、 中间件和应用软件等。
01
02
03
系统集成
将硬件和软件集成在一起， 形成完整的嵌入式系统。
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  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
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Why线程？
【案例】编写一个MP3播放软件。核心功能 模块有三个：（1）从MP3音频文件当中读取 数据；（2）对数据进行解压缩；（3）把解 压缩后的音频数据播放出来。
23
单进程的实现方法
main( )
{
while(TRUE）
{
I/O
Read( );
CPU
Decompress( );
Play( );
程序2 main( ) {
while(TRUE） {
Decompress( ); } } Decompress( ) { … }
程序3 main( ) {
while(TRUE） {
Play( ); } } Play( ) { … }
9
单体结构
最常用的组织结构；
整个系统只有一个可 执行文件，包含所有 的操作系统组件；
系统的结构就是无结 构，由一组函数组成 ，相互之间可以随意 地调用。
应用软件
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
硬件
10
分层结构
在分层结构（layered）中 ，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。
}
}
Read( ) { … }
Decompress( ) { … }
Play( ) { … }
问题： • 播放出来的声音能 否连贯？ • 各个函数之间不是 并发执行，影响资 源的使用效率；
24
多进程的实现方法
程序1 main( ) {
while(TRUE） {
Read( ); } } Read( ) { … }
17
什么是进程？
A process ＝ a program in execution
一个进程应该包括： 程序的代码； 程序的数据； PC中的值，用来指示下一条将运行的指令； 一组通用的寄存器的当前值，堆、栈； 一组系统资源（如打开的文件） 总之，进程包含了正在运行的一个程序的所有
状态信息。
18
Process ≠ Program
I/O驱动 存储驱动 中断驱动
硬件
12
常见的嵌入式操作系统
❖ VxWorks ❖ Embedded Linux ❖ uC/OS-II（重点） ❖ WinCE ❖ PalmOS ❖…
13
多道程序技术
为了提高计算机系统中各种资源的利用率， 现代操作系统广泛采用多道程序技术（multiprogramming），使多个程序同时在系统中存 在并运行。
…..
}
Registers,PC
PROCESS
19
进程的特性
动态性：程序的运行状态在变，PC、寄存器、
堆和栈等；
独立性：是一个独立的实体，是计算机系统资
源的使用单位。每个进程都有“自己” 的PC和内部状态，运行时独立于其他 的进程（逻辑PC和物理PC）；
并发性：从宏观上看各进程是同时独立运行的
20
（本图摘自Andrew S. Tanenbaum： “Modern Operating Systems”）
四个进程在并发地运行
21
什么是线程？
自从60年代提出进程概念以来，在操作系统中 一直都是以进程作为独立运行的基本单位，直 到80年代中期，人们又提出了更小的能独立运 行的基本单位 线程。
22
14
单道程序：
作业甲（红黄） CPU
I/O
多道程序：
CPU
I/O
作业乙（蓝绿）
15
16
进程、线程和任务
在多道程序系统中，各个程序之间是并发执 行的，共享系统资源。CPU需要在各个运行 的程序之间来回地切换，这样的话，要想描 述这些多道的并发活动过程就变得很困难。
为此，操作系统设计者提出了进程的概念。
分时操作系统 基于公平性原则，各个进程分享处理器 ，获得大致相同的运行时间。当一个进 程在进行I/O操作时，交出处理器，让 其他进程运行。
5
实时操作系统(RTOS)
• A real-time operating system (RTOS) is an operating system whose correctness includes its response time as well as its functional correctness.
• hard real time and soft real time
6
soft real time
7
hard real time
8
按软件结构分类… 单体结构（Monolithic Structure） 分层结构（Layered Structure）
Out of date… 微内核结构（Microkernel Model）
这种结构要求在每个层次 上都要提供一组API接口 函数，这就会带来额外的 开销
11
微内核结构
操作系统内核只包含 最少的功能，如存储 管理和进程管理；
其他的操作系统组件 以中间件的形式存在 于内核之外；
设备驱动程序完全从 内核中剥离，独立成 为一层。
中间件、应用软件
微内核
存储管理
进程管理
设备驱动程序嵌入Biblioteka 系统 第四讲 嵌入式操作系统-任务管理
1
嵌入式操作系统概述 An Embedded Operating System (EOS)
is
an Operating System (OS) in an Embedded System environment.
2
Being an OS means…
系统软硬件资源的管理者： ☺ 进程管理 ☺ 存储管理 ☺ I/O设备管理 ☺ 文件管理
• A program is C statements or commands
静态的；
• A process is program + running context
动态的.
main( ) { ….. } A( ) { ….. }
PROGRAM
main( )
{
heap
…..
}
Stack
A( )
A
{
Main
3
Being an EOS means…
完成某一项或有限项功能，非通用型； 在性能和实时性方面可能有严格限制； 能源、成本和可靠性通常是影响设计的
重要因素； 占有资源少，适合在有限存储空间运行; 系统功能可针对需求进行裁剪、调整，
以便满足最终产品的设计要求。
4
按响应时间分类…
嵌入式实时操作系统 当事件/请求发生时，相应的任务应该 在规定的时间内完成；