專業(yè)大三下嵌入式系統(tǒng)lecture5-embedded opration systmes

1、嵌入式系統(tǒng)第五講 嵌入式操作系統(tǒng)-任務(wù)通信北京航空航天大學(xué)機(jī)電工程及自動(dòng)化系魏洪興任務(wù)間通信任務(wù)間通信（Intertask Communication）：任務(wù)之間為了協(xié)調(diào)工作，需要相互交換數(shù)據(jù)和控制信息；任務(wù)間通信的方式：共享內(nèi)存（shared memory）；消息傳遞（message passing）；管道（pipe）；信號(hào)（signal）。共享內(nèi)存各個(gè)任務(wù)共享它們地址空間當(dāng)中的某些部分，即共享內(nèi)存。在此區(qū)域，可以任意讀寫和使用任意的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（緩沖區(qū)）；一組任務(wù)向共享內(nèi)存中寫數(shù)據(jù)，另一組任務(wù)從中讀數(shù)據(jù)，通過(guò)此方式實(shí)現(xiàn)它們之間的信息交換。 內(nèi)存 共享數(shù)據(jù)任務(wù)1任務(wù)2任務(wù)3消息傳遞消息：由若干數(shù)

2、據(jù)位組成；消息傳遞：任務(wù)之間通過(guò)發(fā)送和接收消息來(lái)交換信息；消息機(jī)制由OS來(lái)維護(hù)，包括定義尋址方式、認(rèn)證協(xié)議、消息的大小等。一般提供兩個(gè)操作：send( )，發(fā)送一條消息；receive( )，接收一條消息。如果兩個(gè)任務(wù)P和Q想要進(jìn)行通信，它們需要在兩者之間建立一個(gè)通信鏈路；使用send( )和receive( )交換信息。直接通信直接通信：通信雙方必須指明與之通信的對(duì)象。send(P, message)：發(fā)送一條消息給任務(wù)P；receive(Q, message)：從任務(wù)Q那里接收一條消息。如果沒(méi)有收到消息，可以阻塞起來(lái)等待消息的到來(lái)，也可以立即返回；通信雙方之間存在一條通信鏈路通信鏈路是自動(dòng)

3、建立的，由OS來(lái)維護(hù)；每條鏈路只涉及兩個(gè)任務(wù)，每對(duì)任務(wù)之間僅存在一條鏈路；通信鏈路可以是單向或雙向的。間接通信1間接通信：通信時(shí)不必指明發(fā)送或接收的對(duì)象，而是通過(guò)共享的郵箱來(lái)發(fā)送和接收消息。send(A, message)：發(fā)送一條消息給郵箱A；receive(A, message)：從郵箱A接收一條消息。間接通信的特點(diǎn)對(duì)于一對(duì)任務(wù)，只有當(dāng)它們共享一個(gè)公共郵箱時(shí)才能進(jìn)行通信；一個(gè)郵箱可以被多個(gè)任務(wù)訪問(wèn)，每對(duì)任務(wù)也可以使用多個(gè)郵箱來(lái)通信；可以是單向或雙向的。間接通信2郵箱只能存放單條消息，其狀態(tài)只有兩種：空或滿。另一種間接通信機(jī)制是：消息隊(duì)列。消息隊(duì)列與郵箱類似，但可以同時(shí)存放若干條消息，提供了

4、一種任務(wù)間緩沖通信的方法。任務(wù)1 任務(wù)2 消息 消息隊(duì)列1消息 消息隊(duì)列2管道（pipe）管道通信由UNIX首創(chuàng)，由于其有效性，后來(lái)的一些系統(tǒng)相繼引入了管道技術(shù)；管道通信以文件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，所謂管道即連接兩個(gè)任務(wù)之間的一個(gè)打開(kāi)的共享文件，專用于任務(wù)之間的數(shù)據(jù)通信；發(fā)送任務(wù)從管道的一端寫入數(shù)據(jù)流，接收任務(wù)從管道的另一端按先進(jìn)先出的順序讀出數(shù)據(jù)流；管道的讀寫操作即為文件操作fwrite/fread，數(shù)據(jù)流的長(zhǎng)度和格式?jīng)]有限制。信號(hào)（signal）信號(hào)（異步信號(hào)）是任務(wù)的一個(gè)標(biāo)識(shí)，表明某個(gè)異步事件已經(jīng)發(fā)生了，該事件可能來(lái)自于外部（如其他的任務(wù)、硬件或定時(shí)器），也可能來(lái)自于內(nèi)部（如執(zhí)行指令出錯(cuò)）；信號(hào)機(jī)

5、制用于任務(wù)與任務(wù)之間、任務(wù)與中斷服務(wù)程序ISR之間的異步操作，異步信號(hào)被任務(wù)（或ISR）用來(lái)通知其他任務(wù)某個(gè)事件的出現(xiàn)；當(dāng)任務(wù)收到一個(gè)信號(hào)后，將暫停執(zhí)行其自身的代碼，轉(zhuǎn)而去運(yùn)行相應(yīng)的信號(hào)處理程序。信號(hào)與中斷相同點(diǎn)具有中斷性；有相應(yīng)的處理程序；可以屏蔽響應(yīng)；不同點(diǎn)中斷由硬件或特定的指令產(chǎn)生，信號(hào)由系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生; 中斷觸發(fā)后，硬件會(huì)根據(jù)中斷向量找到相應(yīng)的處理程序去執(zhí)行；信號(hào)通過(guò)發(fā)送信號(hào)的系統(tǒng)調(diào)用觸發(fā)，但系統(tǒng)不一定馬上對(duì)它進(jìn)行處理；中斷處理程序是在系統(tǒng)內(nèi)核的上下文中運(yùn)行，是全局的；而信號(hào)處理程序是在相關(guān)任務(wù)的上下文中運(yùn)行，是任務(wù)的一個(gè)組成部分。同步與互斥多數(shù)操作系統(tǒng)（包括分時(shí)和實(shí)時(shí)）都是多任務(wù)系統(tǒng)，

6、允許多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行；當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)任務(wù)在訪問(wèn)共享資源（如共享內(nèi)存）的時(shí)候，如何確保它們不會(huì)相互妨礙 任務(wù)互斥問(wèn)題；當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)任務(wù)之間存在著某種依存關(guān)系時(shí)，如何來(lái)調(diào)整它們的運(yùn)行次序 任務(wù)同步問(wèn)題。競(jìng)爭(zhēng)條件（race condition）：兩個(gè)或多個(gè)任務(wù)對(duì)同一共享數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行讀寫操作，而最后的結(jié)果是不可預(yù)測(cè)的，它取決于各個(gè)任務(wù)的具體運(yùn)行情況。解決之道：在同一時(shí)刻，只允許一個(gè)任務(wù)訪問(wèn)該共享數(shù)據(jù)，即如果當(dāng)前已有一個(gè)任務(wù)正在使用該數(shù)據(jù)，那么其他任務(wù)暫時(shí)不能訪問(wèn)。這就是互斥的概念?？芍厝牒瘮?shù)-1可以被一個(gè)以上的任務(wù)調(diào)用，而不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)的破壞。可重入型函數(shù)任何時(shí)候都可以被中斷，一段時(shí)間以后又可以運(yùn)行，而相

7、應(yīng)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失?？芍厝胄秃瘮?shù)只使用局部變量，即變量保存在CPU寄存器或棧中。一個(gè)不可重入型函數(shù)的例子int temp;void swap(int *x, int *y) temp = *x; *x = *y; *y = temp;可重入函數(shù)-2一個(gè)可重入型函數(shù)的例子void swap(int *x, int *y) int temp; temp = *x; *x = *y; *y = temp;不可重入函數(shù)被中斷破壞把一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行過(guò)程中所做的事情分為兩類：任務(wù)內(nèi)部的計(jì)算或其他的一些事情，肯定不會(huì)導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)條件的出現(xiàn)；對(duì)共享內(nèi)存或共享文件的訪問(wèn)，可能會(huì)導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)條件的出現(xiàn)。我們把完成這類事情的那段

8、代碼稱為“臨界區(qū)”（Critical Region），把需要互斥訪問(wèn)的共享資源稱為“臨界資源”。如果我們能設(shè)計(jì)出某種方法，使得任何兩個(gè)任務(wù)都不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在臨界區(qū)中，就可以避免競(jìng)爭(zhēng)條件的出現(xiàn)。競(jìng)爭(zhēng)條件問(wèn)題的抽象描述關(guān)閉中斷的解決方案 把關(guān)閉中斷的權(quán)力授予用戶任務(wù)，是很不聰明 的。而且假設(shè)系統(tǒng)有多個(gè)CPU，則此法無(wú)效； 對(duì)內(nèi)核任務(wù)而言，是一種方便有效的辦法。結(jié)論：適用于內(nèi)核任務(wù)，但不適用于用戶任務(wù)，不能作為一種普遍適用的互斥實(shí)現(xiàn)方法。當(dāng)一個(gè)任務(wù)進(jìn)入臨界區(qū)后，關(guān)閉所有的中斷；當(dāng)它退出臨界區(qū)時(shí)，再打開(kāi)中斷?；诜泵Φ却慕鉀Q方案while (TestAndSet (lock);臨界區(qū)lock = FA

9、LSE;非臨界區(qū)基于繁忙等待策略的方法 浪費(fèi)CPU時(shí)間可以采用各種基于繁忙等待(busy waiting)的策略，基本思路是：當(dāng)一個(gè)任務(wù)想要進(jìn)入它的臨界區(qū)時(shí)，首先檢查一下是否允許它進(jìn)入，若允許，就直接進(jìn)入了；若不允許，就在那里循環(huán)地等待，一直等到允許它進(jìn)入。信號(hào)量1965年由著名的荷蘭計(jì)算機(jī)科學(xué)家Dijkstra提出，其基本思路是用一種新的變量類型（semaphore）來(lái)記錄當(dāng)前可用資源的數(shù)量。有兩種實(shí)現(xiàn)方式：1）semaphore的取值必須大于或等于0。0表示當(dāng)前已沒(méi)有空閑資源，而正數(shù)表示當(dāng)前空閑資源的數(shù)量；2）semaphore的取值可正可負(fù)，負(fù)數(shù)的絕對(duì)值表示正在等待進(jìn)入臨界區(qū)的任務(wù)個(gè)數(shù)。

10、信號(hào)量是由操作系統(tǒng)來(lái)維護(hù)的，任務(wù)只能通過(guò)初始化和兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)原語(yǔ)（P、V原語(yǔ)）來(lái)訪問(wèn)。初始化可指定一個(gè)非負(fù)整數(shù)，即空閑資源總數(shù)。 P、V原語(yǔ)作為操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼的一部分，是一 種不可分割的原子操作（atomic action），在其 運(yùn)行時(shí)，不會(huì)被時(shí)鐘中斷所打斷； P、V原語(yǔ)包含有任務(wù)的阻塞和喚醒機(jī)制，因此 在任務(wù)等待進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)不會(huì)浪費(fèi)CPU時(shí)間； P原語(yǔ)：P是荷蘭語(yǔ)Proberen（測(cè)試）的首字母。 申請(qǐng)一個(gè)空閑資源（把信號(hào)量減1），若成功， 則退出；若失敗，則該任務(wù)被阻塞； V原語(yǔ)：V是荷蘭語(yǔ)Verhogen（增加）的首字母。 釋放一個(gè)被占用的資源（把信號(hào)量加1），如果 發(fā)現(xiàn)有被阻塞的任務(wù)，

11、則選擇一個(gè)喚醒之。信號(hào)量和P、V原語(yǔ)的實(shí)現(xiàn)信號(hào)量結(jié)構(gòu)體類型的定義typedef struct int count;/ 計(jì)數(shù)變量 struct TCB *queue;/ 進(jìn)程等待隊(duì)列 semaphore;P原語(yǔ)：申請(qǐng)一個(gè)資源P( semaphore S) -S.count;/表示申請(qǐng)一個(gè)資源; if (S.count 0)/表示沒(méi)有空閑資源; 該任務(wù)進(jìn)入等待隊(duì)列S.queue末尾; 阻塞該任務(wù); V原語(yǔ)：釋放一個(gè)資源V( semaphore S) +S.count;/表示釋放一個(gè)資源; if (S.count = 0)/表示有進(jìn)程被阻塞; 從等待隊(duì)列S.queue中取出一個(gè)進(jìn)程; 把該進(jìn)程改為就

12、緒狀態(tài)，插入就緒隊(duì)列 Windows 2000CreateSemaphore（創(chuàng)建信號(hào)量）WaitForSingleObject（P操作）ReleaseSemaphore（V操作）uCOSosSemCreate（創(chuàng)建信號(hào)量）osSemPend （P操作）osSemPost（V操作）semaphore mutex；mutex.count = 1;/ N = 1P(mutex);臨界區(qū)V(mutex);非臨界區(qū)利用信號(hào)量來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥任務(wù)同步任務(wù)間的同步是指多個(gè)任務(wù)中發(fā)生的事件存在某種時(shí)序關(guān)系，因此在各個(gè)任務(wù)之間必須協(xié)同合作，相互配合，使各個(gè)任務(wù)按一定的速度執(zhí)行，以共同完成某一項(xiàng)工作?！纠印?司

13、機(jī)與售票員while(上班時(shí)間) 發(fā)動(dòng)汽車； 正常運(yùn)行； 到站停車；while(上班時(shí)間) 關(guān)閉車門； 售票； 打開(kāi)車門；公車司機(jī)售票員只有關(guān)閉車門以后，才能啟動(dòng)汽車；只有停車以后，才能打開(kāi)車門。while(上班時(shí)間) P(S_DoorClose); 發(fā)動(dòng)汽車； 正常運(yùn)行； 到站停車； V(S_Stop); 公車司機(jī)while(上班時(shí)間) 關(guān)閉車門； V(S_DoorClose); 售票； P(S_Stop); 打開(kāi)車門；售票員semaphore S_DoorClose；/ 初始為0semaphore S_Stop;/ 初始為0先關(guān)門后開(kāi)車先停車后開(kāi)門基于信號(hào)量的任務(wù)同步semaphore S, Q; /初始值均為1任務(wù)1 任務(wù)2P(S); P(Q);P(Q); P(S);V(S); V(Q);V(Q); V(S);信號(hào)量使用不當(dāng)造成死鎖死鎖！內(nèi)存布局.text：代碼段，包含操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的所有代碼；.data：數(shù)據(jù)段，存放了操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序當(dāng)中所有帶有初始值的全局變量；.bss：bss段，存放