實時操作系統(tǒng)課件

1、第10章嵌入式實時操作系統(tǒng) 隨著微控制器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展和深入， 在許多較為復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)中，要求能夠同時處理多項工作或任務(wù)， 可以靈活地為多個任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)的資源（如CPU 、存儲器等） ， 簡化那些復(fù)雜而且時間要求嚴(yán)格的工程軟件設(shè)計工作； 前后臺系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足這樣的要求， 而嵌入式實時操作系統(tǒng)為這些應(yīng)用提供了可能， 同時微控制器技術(shù)的發(fā)展（如更大的ROM 和RAM 空間） 也為嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用提供了相應(yīng)的硬件平臺。7/21/20221 10.1.1 基本概念嵌入式應(yīng)用技術(shù)包括嵌入式硬件和嵌入式軟件兩部分。嵌入式軟件包括操作系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件。嵌入式系統(tǒng)的基本特點是： 高效、強壯； 沒

2、有復(fù)雜的用戶接口； 具有實時和多任務(wù)支持、特別是部件特性。嵌入式操作系統(tǒng)（embedded operating system ， EOS） 具有普通操作系統(tǒng)的基本特征， 還具有專門應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)特點： 高效和高可靠性、有小的和可以剪裁的系統(tǒng)內(nèi)核、一般是固化存儲的； 較強的實時性、支持多任務(wù)與多進(jìn)程、能夠提供各種設(shè)備驅(qū)動、提供友好的圖形界面、提供TCPIP 等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。嵌入式操作系統(tǒng)也應(yīng)當(dāng)提供在線或離線的開發(fā)系統(tǒng)和仿真調(diào)試工具。實時操作系統(tǒng)（realtime operating system ， RTOS） 是具有高度實時性的操作系統(tǒng)。和通用操作系統(tǒng)不同， 實時操作系統(tǒng)能夠以短而確定的任務(wù)級

3、響應(yīng)時間， 完成任務(wù)的切換， 所以主要應(yīng)用于過程控制、數(shù)據(jù)采集、通信和多媒體信息處理等對時間敏感的場合。7/21/20222 10.1.2 嵌入式實時操作系統(tǒng)技術(shù)特點軟實時僅要求對事件的響應(yīng)是實時的， 但是不限定該任務(wù)的完成時間； 硬實時不僅要求對任務(wù)的實時響應(yīng)， 還規(guī)定該任務(wù)在規(guī)定的時間周期內(nèi)完成對事件的處理。嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有多任務(wù)和基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度能力， 優(yōu)化的資源管理、時鐘服務(wù)和中斷服務(wù)。7/21/20223 嵌入式實時操作系統(tǒng)的主要技術(shù)特性（） 內(nèi)核的占先特性。當(dāng)系統(tǒng)時間響應(yīng)很重要時， 要使用占先式內(nèi)核。（） 調(diào)度策略。 選擇基于優(yōu)先級調(diào)度的算法足以滿足準(zhǔn)實時系統(tǒng)的要求， 而

4、且可以提供高速的響應(yīng)和大的系統(tǒng)吞吐率； 如果兩個或兩個以上任務(wù)有同樣優(yōu)先級， 通常用時間片輪轉(zhuǎn)法進(jìn)行調(diào)度； 硬實時系統(tǒng)則需要使用調(diào)度方式簡單， 反應(yīng)速度快的實時調(diào)度算法。（） 任務(wù)優(yōu)先級分配方法。（） 時間的可確定性。系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時間不依賴于應(yīng)用程序任務(wù)的多少。系統(tǒng)完成某個確定任務(wù)的時間是可預(yù)測的。7/21/20224 實時操作系統(tǒng)的功能（）多任務(wù)管理以及快速的任務(wù)切換。（） 任務(wù)之間的通信與同步。（） 高精度的時鐘控制。（） 高效率的內(nèi)存管理。（） 安全穩(wěn)定的文件系統(tǒng)管理。（） 方便快捷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。7/21/20225 3實時操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度方式調(diào)度方式就是指操作系統(tǒng)如何從就緒任務(wù)隊列中

5、選擇一個任務(wù)進(jìn)入運行狀態(tài)的機制。多任務(wù)操作系統(tǒng)按照任務(wù)調(diào)度方式可以分為搶占式和協(xié)作式兩類。搶占式多任務(wù)操作系統(tǒng)中， 由系統(tǒng)時鐘來確定處理器由一個任務(wù)轉(zhuǎn)移去執(zhí)行另外一個任務(wù)的時刻， 轉(zhuǎn)移時刻是由系統(tǒng)以某種調(diào)度策略預(yù)先確定的協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng)中， 多個應(yīng)用程序聯(lián)合協(xié)作， 通過某種通信方式來共享處理器， 但并不是真正意義上的多任務(wù)操作系統(tǒng)， 難以在多任務(wù)操作系統(tǒng)上實現(xiàn)實時應(yīng)用。搶占式調(diào)度的性能比較好， 但是需要解決共享代碼的可重入性問題； 而非搶占式調(diào)度相對比較簡單， 易于擴展。7/21/20226 實時操作系統(tǒng)的調(diào)度算法（）先來先服務(wù)調(diào)度算法（first come first service s

6、cheduling ，F(xiàn)CFS）這種調(diào)度算法非常簡單， 易于實現(xiàn)； 這種調(diào)度算法的缺點是不能保證系統(tǒng)的實時性能。（）按照時間片循環(huán)輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法（roundrobin scheduling）多個任務(wù)平均地取得系統(tǒng)處理器控制權(quán)， 大多用于分時操作系統(tǒng)之中， 做到公平合理地為各個終端用戶服務(wù)。這種調(diào)度算法也不能保證系統(tǒng)的實時性能。（）優(yōu)先級調(diào)度算法（priority first scheduling）預(yù)先指定各個任務(wù)的優(yōu)先級， 在進(jìn)行調(diào)度時從就緒任務(wù)隊列中選擇優(yōu)先級最高的任務(wù)進(jìn)入運行狀態(tài)。這種調(diào)度算法簡單， 并且能夠迅速地響應(yīng)高優(yōu)先級的任務(wù)， 具有較好的實時性能。缺點是一旦高優(yōu)先級的任務(wù)出現(xiàn)故障，

7、例如， 死循環(huán)等， 將會影響系統(tǒng)中其他低優(yōu)先級任務(wù)的運行（）時間片循環(huán)輪轉(zhuǎn)的優(yōu)先級調(diào)度算法（ priority first with roundrobin scheduling）就是優(yōu)先級調(diào)度算法加上時間片循環(huán)輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法， 優(yōu)先權(quán)有高低的時候，采用優(yōu)先級調(diào)度算法； 若是優(yōu)先權(quán)相同， 則采用時間片循環(huán)輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法。7/21/20227 實時調(diào)度機制實時調(diào)度機制是實時操作系統(tǒng)的重要機制之一； 調(diào)度機制決定在某一時刻，哪一個實時任務(wù)可以運行。在實時環(huán)境下， 調(diào)度機制必須考慮到實時任務(wù)響應(yīng)的時限， 這樣的一種調(diào)度機制必須滿足以下兩個基本條件： 系統(tǒng)中每一個實時任務(wù)都有合理的機會被調(diào)度運行； 一些優(yōu)先

8、級更高的實時任務(wù)應(yīng)該獲得相對于其他任務(wù)更好的運行機會。對于實時操作系統(tǒng)來說， 實時調(diào)度機制應(yīng)該盡可能地減小系統(tǒng)響應(yīng)時間以保證實時性能。因此實時操作系統(tǒng)大多采用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度機制。7/21/20228 實時調(diào)度模塊的基本功能實時操作系統(tǒng)的調(diào)度模塊主要功能是： 把當(dāng)前運行任務(wù)從運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為其他狀態(tài)， 以及把另外一個任務(wù)從就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)換為運行狀態(tài)。在實時操作系統(tǒng)中， 一個調(diào)度模塊應(yīng)該完成以下基本功能： 當(dāng)前運行任務(wù)與其他任務(wù)優(yōu)先級的比較； 保存當(dāng)前運行任務(wù)現(xiàn)場信息； 從就緒隊列中按照一定的規(guī)則選出一個任務(wù)進(jìn)入運行狀態(tài)； 恢復(fù)即將進(jìn)入運行狀態(tài)的任務(wù)的現(xiàn)場信息； 將處理器控制權(quán)交給新任務(wù)。7/2

9、1/20229 嵌入式實時操作系統(tǒng)的性能指標(biāo)（）任務(wù)切換時間（task switching time）它包括三個部分， 即保存當(dāng)前任務(wù)上下文的時間、調(diào)度程序選中新任務(wù)的時間和恢復(fù)新任務(wù)上下文的時間。（）搶占時間（preemption time）系統(tǒng)將控制從低優(yōu)先級的任務(wù)轉(zhuǎn)移到高優(yōu)先級任務(wù)所花費的時間。搶占時間中包括了任務(wù)切換時間。（3）中斷延遲時間（interrupt latency time）也稱中斷響應(yīng)時間， 指從中斷到第一條指令所持續(xù)的時間間隔。它由四部分組成， 即硬件延遲部分（通?？梢院雎圆挥嫞?、ERTOS 的關(guān)中斷時間、處理器完成當(dāng)前指令的時間以及中斷響應(yīng)周期的時間。（4）信號量混

10、洗時間（semaphore shuffling time）信號量混洗時間反映了與互斥有關(guān)的時間開銷， 因此也是衡量ERTOS 實時性能的一個重要指標(biāo)。（） 死鎖解除時間（deadlock breaking time）系統(tǒng)解開處于死鎖狀態(tài)的多個任務(wù)所需花費的時間。死鎖解除時間反映了RTOS 解決死鎖的算法效率。（） 數(shù)據(jù)包吞吐率（datagram throughput time）7/21/202210 5嵌入式實時操作系統(tǒng)的分類實時內(nèi)核是嵌入式實時操作系統(tǒng)的核心， 它對多個任務(wù)進(jìn)行調(diào)度、管理、保證應(yīng)用程序的實時性。根據(jù)實時內(nèi)核的占先特性， 可把嵌入式實時操作系統(tǒng)分為： 使用非占先式內(nèi)核的嵌入式實

11、時操作系統(tǒng)和使用占先式內(nèi)核的嵌入式實時操作系統(tǒng)。（） 使用非占先式（nonpreemptive） 內(nèi)核的嵌入式實時操作系統(tǒng)非占先式內(nèi)核是指每個任務(wù)應(yīng)自我放棄CPU 的所有權(quán)， 非占先式調(diào)度法也稱作協(xié)作型多任務(wù)， 各個任務(wù)彼此合作共享一個CPU 。非占先式內(nèi)核的優(yōu)點是： 可以使用不可重入函數(shù) 幾乎不需要使用信號量保護共享數(shù)據(jù)非占先式內(nèi)核的最大缺陷在于其響應(yīng)時間， 高優(yōu)先級的任務(wù)已經(jīng)進(jìn)入就緒態(tài)， 但還不能運行， 也許要等很長時間， 直到當(dāng)前運行著的任務(wù)釋放CPU 。7/21/202211 5嵌入式實時操作系統(tǒng)的分類（） 使用占先式（preemptive） 內(nèi)核的嵌入式實時操作系統(tǒng) 當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時間很

12、重要時， 要使用占先式內(nèi)核。 使用占先式內(nèi)核， 最高優(yōu)先級的任務(wù)什么時候可以執(zhí)行， 可以得到CPU 的控制權(quán)是可知的。使用占先式內(nèi)核使得任務(wù)級響應(yīng)時間得以最優(yōu)化。 占先式內(nèi)核總是讓就緒態(tài)的高優(yōu)先級的任務(wù)先運行， 中斷服務(wù)程序可以搶占CPU ， 到中斷服務(wù)完成時， 內(nèi)核讓此時優(yōu)先級最高的任務(wù)運行。任務(wù)級系統(tǒng)響應(yīng)時間得到了優(yōu)化， 且是可知的。7/21/202212 使用嵌入式實時操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點（） 使用嵌入式實時操作系統(tǒng)的優(yōu)點。 將應(yīng)用程序分解為可單獨編程的若干個任務(wù)， 大大簡化了應(yīng)用系統(tǒng)的程序設(shè)計。 實時性好， 特別是使用占先式實時內(nèi)核。 有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 與目前廣泛應(yīng)用的前后

13、臺系統(tǒng)相比， 系統(tǒng)的軟件維護和功能擴展方便很多。（） 使用嵌入式實時操作系統(tǒng)的缺點。 實時內(nèi)核本身要占用一定數(shù)量的額外內(nèi)存， 包括ROM 和RAM 。 CPU 要增加一定的的額外負(fù)荷， 不同的RTOS 對CPU 的負(fù)荷要求不同，一般大約在 。 如果使用商業(yè)RTOS 軟件， 需要增加額外的成本。當(dāng)然也可選用免費的RTOS ， 但一般支持和服務(wù)不一定能得到很好的保證。7/21/202213 嵌入式實時操作系統(tǒng)的選擇多任務(wù)功能是選擇實時操作系統(tǒng)要考慮的首要因素， 其他考慮是：（） 在運行時能創(chuàng)建的任務(wù)數(shù)是否受限。（） 支持哪些類型的過程間通信機制。（） 時間片是否可調(diào)節(jié)， 以便決定一個給定應(yīng)用程序的

14、最佳時間片。（） 操作系統(tǒng)是否支持優(yōu)先級繼承或某種其他保護措施， 以防止優(yōu)先級倒置。（） 操作系統(tǒng)是否支持已經(jīng)選定的同步對象。（） 操作系統(tǒng)是否允許選擇調(diào)度算法。（） 實時操作系統(tǒng)提供的任務(wù)切換時間可否接受。（） 在添加更多任務(wù)（包括線程或過程） 時操作系統(tǒng)性能的下降是否在可接受的限度內(nèi)。（） 提供什么工具軟件支持， 開發(fā)工具尤其是調(diào)試程序是否很好地與操作系統(tǒng)集成在一起。7/21/202214 10.2.1 嵌入式實時操作系統(tǒng)RTX51RTX 是德國Keil 公司開發(fā)的一種應(yīng)用于MCS 系列單片機的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)， 它可以工作在所有 單片機以及派生家族中， 可以簡化復(fù)雜的軟件設(shè)計， 縮短項

15、目開發(fā)周期。7/21/202215RTX 的 種模式7/21/202216 RTX 的任務(wù)快速任務(wù)有很快的響應(yīng)速度， 每個快速任務(wù)使用一個單獨的寄存器組，并且有自己的堆棧區(qū)域。RTX 最多支持同時有個快速任務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)需要多一點的時間來進(jìn)行任務(wù)切換， 因此使用的內(nèi)部RAM 相對快速任務(wù)要少， 所有的標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)共用個寄存器組和堆棧。當(dāng)任務(wù)切換的時候， 當(dāng)前任務(wù)的寄存器狀態(tài)和堆棧內(nèi)容轉(zhuǎn)移到外部存儲器中。RTX 最多支持個標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)。RTX 任務(wù)狀態(tài)如下：（） 運行（RUNNING） （） 就緒（READY）（） 阻塞（BLOCKED）（） 刪除（DELETED）（） 任務(wù)切換7/21/202217 R

16、TX 的事件管理機制（） 超時（timeout） ： 掛起運行的任務(wù)指定數(shù)量的時鐘周期（） 間隔（interval） ： 類似于超時， 但是軟件定時器沒有復(fù)位， 典型應(yīng)用是產(chǎn)生時鐘。（） 信號（signal） ： 用于任務(wù)內(nèi)部同步協(xié)調(diào)。（） 消息（message） ： 適用于RTX Full ， 用于信息的交換， 可以把一個消息發(fā)送到一個特定的郵箱。（） 中斷（interrupt） ： 適用于RTX Full ，一個任務(wù)可以等待8051 硬件中斷。（） 信號量（semaphore） ： 適用于RTX Full ， 信號量用于管理共享的系統(tǒng)資源。（） os wait （ ） 函數(shù)： 掛起一個任務(wù)

17、來等待一個事件的發(fā)生。7/21/202218 RTX 的中斷處理RTX 完全模式提供兩種方法來處理中斷： 一種是C 的中斷函數(shù)， 另一種是RTX 的任務(wù)中斷。它又可以分為快速任務(wù)中斷和標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)中斷。（） 中斷函數(shù)。當(dāng)中斷發(fā)生的時候， 程序就跳到了相應(yīng)的中斷函數(shù)， 它和正在運行的任務(wù)是相互獨立的， 中斷的處理是在RTX 系統(tǒng)之外， 和任務(wù)切換規(guī)則沒有關(guān)聯(lián)。（） 任務(wù)中斷。不管使用快速還是標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)來處理任務(wù)中斷， 如果中斷發(fā)生， 等待中斷的任務(wù)就從“等待” 狀態(tài)進(jìn)入到就緒狀態(tài)， 并按照任務(wù)切換規(guī)則進(jìn)行切換。7/21/202219 嵌入式實時操作系統(tǒng)COS COS 是一個完整的， 可移植、固化、裁剪

18、的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核?？捎糜诟黝愇?、 位和 位單片機或DSP 。它用ANSI 的C 語言編寫， 包含一小部分匯編語言代碼， 使之可供不同架構(gòu)的微控制器使用。COS 的實際對象是嵌入式系統(tǒng)， 至今， 從 位到 位， COS 已在超過 種不同架構(gòu)的微控制器上運行。7/21/202220 COS 的特點（） 源代碼開放（） 可移植性（portable）（） 可固化（ROMable）（） 可裁剪（scalable）（） 可占先式性（preemptive）（） 多任務(wù)（） 可確定性（） 任務(wù)棧（） 系統(tǒng)服務(wù)（） 中斷管理（） 穩(wěn)定性與可靠性7/21/202221 . 嵌入式實時操作系統(tǒng)的移植與應(yīng)用嵌入

19、式實時操作系統(tǒng)在 位微控制器上應(yīng)用還有一定的限制，主要問題是： 位微控制器有限的資源與充分發(fā)揮嵌入式實時操作系統(tǒng)功能的平臺需求之間的矛盾， 因此影響了它們的實用性。7/21/202222 10.3.1 RTX51 在單片機控制的GPS 接收板上的應(yīng)用 系統(tǒng)硬件組成單片機WE ： 快速內(nèi)核、KB ROM 、KB 的XDATA RAM ， 符合使用RTX的硬件要求；鍵盤、GPS 定位模塊和液晶顯示模塊。 系統(tǒng)軟件構(gòu)成軟件運行環(huán)境KEIL uVision6.20 集成開發(fā)環(huán)境加上RTX51完全版。7/21/202223 任務(wù)KEY BOARD ，監(jiān)測鍵盤的情況，如果有按鍵按下，把按鍵的編碼發(fā)送到郵箱，外部中斷等待接收GPS 數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)存儲起來，向DISPLAY 任務(wù)發(fā)出信號，進(jìn)行處理。任務(wù)SEND OUT，把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并發(fā)送出去。任務(wù)VOICE 進(jìn)行語音輸出。7/21/202224 7/21/202225 7/21/202226 7/21/202227 10.3.2 占先式實時內(nèi)核COS 在MC68HC908GP32上的移植需要做兩方面的工作： 一是重新定義內(nèi)核的大小和功能； 二是為內(nèi)核編寫與硬件相關(guān)的代碼。 內(nèi)核的大小和功能的重新定義首先是編寫整個項目的公共頭文件INCLUDES.H ， 這個文件會被所有的C