ReWorks實時操作系統(tǒng)核心功能

ReWorks嵌入式應用開發(fā)中國電子科技集團公司第三十二研究所自主可控計算研究院ReWorks實時操作系統(tǒng)

核心功能分析4.ReWorksBSP示例分析2培訓大綱5.ReWorks核心功能介紹2.ReDe開發(fā)環(huán)境介紹3.ReWorksBSP開發(fā)7.ReWorks擴展功能介紹9.ReWorks示例分析與實驗1.ReWorks實時操作系統(tǒng)概述6.ReWorks核心功能示例分析與實驗8.ReWorks設備驅(qū)動開發(fā)3培訓大綱1.ReWorks實時操作系統(tǒng)概述2.ReWorks核心功能分析3.ReWorks擴展功能分析4.ReWorks圖形系統(tǒng)分析5.ReWorks板級支持包開發(fā)8.ReWorks綜合實驗7.ReDe開發(fā)環(huán)境功能分析6.ReWorks設備驅(qū)動開發(fā)ReWorks上層應用開發(fā)基礎ReWorks底層驅(qū)動開發(fā)基礎42.ReWorks核心功能分析培訓大綱1.ReWorks實時操作系統(tǒng)概述3.ReWorks擴展功能分析4.ReWorks圖形系統(tǒng)分析5.ReWorks板級支持包開發(fā)8.ReWorks綜合實驗7.ReDe開發(fā)環(huán)境功能分析6.ReWorks設備驅(qū)動開發(fā)ReWorks上層應用開發(fā)基礎ReWorks底層驅(qū)動開發(fā)基礎5培訓大綱時鐘/定時器管理:闡述ReWorks的系統(tǒng)時鐘、時間、定時器等基本功能。中斷/異常管理:描述ReWorks對于外部事件的中斷響應方式，以及對于CPU異常的處理機制。多任務管理:講述ReWorks中對于多任務的調(diào)度機制，以及任務間共享資源以及同步的手段。內(nèi)存管理：敘述實時系統(tǒng)中對于內(nèi)存的管理方法，包括對于硬件MMU的支持。12345總結(jié)：通過幾個上機分組實驗對培訓內(nèi)容進行歸納總結(jié)。6培訓大綱時鐘/定時器管理:闡述ReWorks的系統(tǒng)時鐘、時間、定時器等基本功能。中斷/異常管理:描述ReWorks對于外部事件的中斷響應方式，以及對于CPU異常的處理機制。多任務管理:講述ReWorks中對于多任務的調(diào)度機制，以及任務間共享資源以及同步的手段。內(nèi)存管理：敘述實時系統(tǒng)中對于內(nèi)存的管理方法，包括對于硬件MMU的支持。12345總結(jié)：通過幾個上機分組實驗對培訓內(nèi)容進行歸納總結(jié)。7系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)時鐘是特定的周期性中斷，該中斷可以看做系統(tǒng)心臟的脈動。系統(tǒng)時鐘提供計時功能，使內(nèi)核可以將任務延時若干個整數(shù)時鐘節(jié)拍，以及當任務等待事件發(fā)生時，提供等待超時的依據(jù)。ReWorks中缺省的時鐘頻率為100次/秒；

高精度時戳接口

sys_timestamp()返回當前的時戳數(shù)；

sys_timestamp_freq()返回時戳頻率。由于不同CPU時鐘頻率的差異，在調(diào)用thread_delay等系統(tǒng)延時函數(shù)時，函數(shù)的參數(shù)避免直接指定tick數(shù)，以保證等待的時間一致。1.1系統(tǒng)時鐘8實時時鐘RTC時間的設置和獲取實時時鐘是硬件提供的管理系統(tǒng)日歷時間的功能，ReWorks核心針對系統(tǒng)日歷時間的操作的標準接口有：rtc_read、rtc_write,用戶可以在這些接口里實現(xiàn)具體的RTC功能，從而可以實現(xiàn)設置、獲取及維護系統(tǒng)的日歷時間。實時時鐘1.29定時器通過定時器控制塊管理，通過系統(tǒng)時鐘的計時手段提供定時觸發(fā)功能。定時器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下圖所示：1.3定時器定時器管理10輔助時鐘為了提供更高精度的定時功能，硬件可以提供輔助時鐘。主要接口函數(shù)（1）創(chuàng)建定時器intutimer_create(u32*id)；（2）刪除定時器intutimer_delete(u32id)；（3）啟動定時器intutimer_start(u32id,intticks,void(*func)(void*),void*arg);（4）取消定時器intutimer_cancel(u32id);定時器（續(xù)）1.3定時器管理11培訓訓大大綱綱時鐘鐘/定時時器器管管理理:闡述述ReWorks的系系統(tǒng)統(tǒng)時時鐘鐘、、時時間間、、定定時時器器等等基基本本功功能能。。中斷斷/異常常管管理理:描述述ReWorks對于于外外部部事事件件的的中中斷斷響響應應方方式式，，以以及及對對于于CPU異常常的的處處理理機機制制。。多任任務務管管理理:講述述ReWorks中對對于于多多任任務務的的調(diào)調(diào)度度機機制制，，以以及及任任務務間間共共享享資資源源以以及及同同步步的的手手段段。。內(nèi)存存管管理理：：敘述述實實時時系系統(tǒng)統(tǒng)中中對對于于內(nèi)內(nèi)存存的的管管理理方方法法，，包包括括對對于于硬硬件件MMU的支支持持。。12345總結(jié)結(jié)：：通過過幾幾個個上上機機分分組組實實驗驗對對培培訓訓內(nèi)內(nèi)容容進進行行歸歸納納總總結(jié)結(jié)。。12中斷斷/異常常管管理理異常常是CPU所產(chǎn)產(chǎn)生生的的非非預預料料的的事事件件，，包包括括如如：：陷陷阱阱、、中中斷斷指指令令、、被被零零除除、、浮浮點點指指針針或或整整數(shù)數(shù)溢溢出出、、錯錯誤誤指指令令或或地地址址錯錯誤誤。。中斷斷是一一種種硬硬件件機機制制，，用用于于通通知知CPU“有異異步步事事件件發(fā)發(fā)生生””。。中中斷斷機機制制使使CPU在事事件件發(fā)發(fā)生生時時進進行行處處理理，，而而不不必必連連續(xù)續(xù)查查詢詢是是否否有有事事件件發(fā)發(fā)生生。。2.1中斷/異常概述13中斷斷/異常常管管理理2.1異常號異常名稱異常號異常名稱0除零異常6無效指令異常4溢出異常7浮點異常5越界異常14非法地址異常x86常見異常號系統(tǒng)統(tǒng)出出現(xiàn)現(xiàn)異異常常時時，，CPU通常常通通過過異異常常號號來來反反映映具具體體的的異異常常信信息息。。以以x86為例例，，常常見見的的異異常常號號如如下下表表所所示示：：14中斷斷是是一一種種硬硬件件機機制制，，用用于于通通知CPU““有異異步步事事件件發(fā)發(fā)生生””。。中中斷斷機制制使使CPU在事事件件發(fā)發(fā)生生時時進進行行處處理理，而而不不必必連連續(xù)續(xù)查查詢詢是是否否有有事事件件發(fā)發(fā)生生。。ReWorks采采用用中中斷斷處處理理和和任任務務的關(guān)關(guān)聯(lián)聯(lián)機機制制，，使主主體體的的中中斷斷處處理理任任務可可運行行于于用用戶戶空空間間。。2.1外部事件響應中斷斷/異常常管管理理15中斷斷/異常常管管理理作為為其其I/O處理理的的一一部部分分。。ISR通常常直直接接與與一一個個或或多多個個任任務務通通信信，，這這種種通通信信的的性性質(zhì)質(zhì)通通常常是是驅(qū)驅(qū)使使一一個個任任務務運運行行并并處處理理中中斷斷條條件件。。這這類類似似于于任任務務與與任任務務的的通通信信或或同同步步。。但但有有兩兩點點重重要要的的差差別別。。首先先，，中中斷斷的的優(yōu)優(yōu)先先級級高高于于任任務務，，即即使使ISR發(fā)送送一一條條消消息息和和喚喚醒醒一一個個高高優(yōu)優(yōu)先先級級的的任任務務使使其其就就緒緒，，ReWorks內(nèi)核核仍仍然然必必須須先先返返回回到到ISR，讓讓ISR完成成。。其次次,ISR通常常是是通通信信/同步步源源，，它它往往往往需需要要返返回回一一個個信信號號量量，，或或者者向向任任務務發(fā)發(fā)送送一一個個消消息息或或一一個個事事件件。。ISR很少少會會是是通通信信匯匯點點，，它它不不能能等等待待消消息息或或事事件件。。2.1中斷/異常概述16中斷服務程序序（ISR）注意事項（1）ISR代碼盡量短；（2）不能調(diào)用引引起系統(tǒng)阻塞塞的函數(shù)，如如semTake、malloc、printf等；（3）鎖中斷時間間應盡量短，，否則會引起起中斷丟失;（4）避免在中斷服務程序序中使用浮點指指針操作;（5）可通過logMsg()或者輪詢輸出出函數(shù)printk打印調(diào)試信息息;（6）不同中斷不不要使用相同同的優(yōu)先級。。2.1外部事件響應（續(xù)）中斷/異常管理17培訓大綱時鐘/定時器管理:闡述ReWorks的系統(tǒng)時鐘、、時間、定時時器等基本功功能。中斷/異常管理:描述ReWorks對于外部事件件的中斷響應應方式，以及及對于CPU異常的處理機機制。多任務管理:講述ReWorks中對于多任務務的調(diào)度機制制，以及任務務間共享資源源以及同步的的手段。內(nèi)存管理：敘述實時系統(tǒng)統(tǒng)中對于內(nèi)存存的管理方法法，包括對于于硬件MMU的支持。12345總結(jié)：通過幾個上機機分組實驗對對培訓內(nèi)容進進行歸納總結(jié)結(jié)。18任務管理單任務系統(tǒng)vs多任務系統(tǒng)以一款具有播播放歌曲、閱閱讀電子書功功能的多媒體體電子設備為為例，單任務系統(tǒng)中，，兩種功能只只能順序執(zhí)行行，不能同時時進行；而多多任務系統(tǒng)中，閱讀電子子書的同時可可以播放歌曲曲，兩個任務務可以同時進進行。3.1單任務系統(tǒng)多多任務系統(tǒng)概述19任務管理實時操作系統(tǒng)統(tǒng)中多任務的的劃分原則：（1）I/O原則：不同的外設設執(zhí)行不同任任務，CPU的操作快于I/O操作，如果將將I/O操作串行將會會浪費CPU資源；（2）優(yōu)先級原則：不同優(yōu)先級級處理不同的的任務，對于于突發(fā)事件的的優(yōu)先級等價價于事件的時時間耗盡線，，不同優(yōu)先級級處理不同任任務；（3）大量運算：歸為一個任任務；（4）功能耦合：歸為一個任任務；（5）偶然耦合：歸為一個任任務，舉例：：f1()，f2()，f3()。早晨起床以以后，刷牙、、洗臉、吃早早飯之間并沒沒有必然的先先后順序，但但由于習慣一一直是按這個個順序做的；；（6）頻率組合：對于周期時時間，不同任任務處理不同同的頻率。任務劃分原則3.120任務管理任務的組成一個堆棧，用用于程序執(zhí)行行時的局部變變量存儲和程程序調(diào)用傳送送給程序的參參數(shù)一個TCB，用于操作系系統(tǒng)控制，包包括一個相關(guān)關(guān)的名字、惟惟一的ID、優(yōu)先級、信信號掩碼、堆堆棧、任務私私有數(shù)據(jù)和相相應的任務例例程，這些信信息都記錄在在由系統(tǒng)分配配與維護的一一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)任務控制塊塊中。多個任務可以以執(zhí)行相同的的應用執(zhí)行代代碼提供任務創(chuàng)建、關(guān)閉、掛起、恢復以及獲取任務信息息等操作接口；；任務狀態(tài)就緒、阻塞、、運行、掛起起、僵死ReWorks任務的優(yōu)先級級：0~255，0最高，255最低。系統(tǒng)缺省的調(diào)調(diào)度方法：基基于優(yōu)先級調(diào)調(diào)度，關(guān)閉輪輪轉(zhuǎn)調(diào)度。3.1任務基本概念213.1ReWorks系統(tǒng)任務ReWorks中的系統(tǒng)任務務任務名任務描述優(yōu)先級任務名任務描述優(yōu)先級wdg看門狗31ntwk網(wǎng)絡70recycle任務回收32shellshell80log日志65ftpdftp95exc異常66init初始化100telnettelnet75idle空閑255任務管理223.1ReWorks中的任務類型中斷任務ReWorks任務POSIX任務VxWorks任務優(yōu)先級0~3132~25564~25464~254接口ithread_createithread_closeuthread_create,uthread_closeuthread_lock,uthread_unlockuthread_pri_setuthread_pri_getuthread_suspenduthread_resumeuthread_is_suspendeduthread_selfuthread_id_verifyuthread_options_setuthread_options_getthread_name_to_idthread_name

pthread_createpthread_selfpthread_once,pthread_exitpthread_join,pthread_killpthread_detachpthread_equalpthread_cancelpthread_testcancelpthread_setcancelstatepthread_setcanceltypepthread_setschedparampthread_getschedparampthread_cleanup_pushpthread_cleanup_poptaskSpawn，sptaskTcb,taskActivatetaskDelete,taskDeleteForcetaskLock,taskUnlocktaskPrioritySet,taskPriorityGettaskSuspend,taskResumetaskSafe,taskUnsafetaskDelayPeriod，repeattaskRestart,taskIsReadytaskIsSuspendedtaskIdSelf,taskIdVerifytaskNameToId,taskName任務管理23任務管理ReWorks內(nèi)核缺省采用用基于優(yōu)先級的的搶占調(diào)度算算法可選擇時間片輪轉(zhuǎn)法法以及先進先出算法調(diào)度相同同優(yōu)先級的任任務；基于優(yōu)先級的的搶占調(diào)度算算法指任何時刻都都嚴格按照高高優(yōu)先級任務務在處理器上上運行的原則則進行任務的的調(diào)度；3.1基于優(yōu)先級的搶占調(diào)度基于優(yōu)先級的的搶占調(diào)度24任務管理時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)調(diào)度：當2個或2個以上任務有有同樣的優(yōu)先先級時，內(nèi)核核允許一個任任務運行一段段確定的時間間后，切換到到另外一個就就緒態(tài)的任務務。缺省系統(tǒng)關(guān)閉閉時間片輪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)調(diào)度。時間片輪轉(zhuǎn)任務調(diào)度時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)調(diào)度3.125任務管理任務在執(zhí)行過過程中發(fā)生同同步上下文切切換任務自身發(fā)生生阻塞、延時時、掛起等狀狀態(tài)變化當啟動動一個個高優(yōu)優(yōu)先級級任務務時減低當當前任任務的的優(yōu)先先級任務自自行運運行完完畢，，退出出執(zhí)行行當有中中斷發(fā)發(fā)生時時發(fā)生生異步步上下下文切切換使得一一個高高優(yōu)先先級任任務準準備運運行掛起當當前的的任務務或減減低其其優(yōu)先先級任務切換點3.126任務管管理代碼重重入是是指同同一段段代碼碼可以以被多多個任任務同同時調(diào)調(diào)用訪訪問重入代代碼內(nèi)內(nèi)應該該無全全局變變量以以及靜靜態(tài)變變量ReWorks使用以以下的的機制制來實實現(xiàn)重重入動態(tài)堆堆棧變變量，，即局局部變變量，，每個個任務務在自自己的的堆棧棧中進進行操操作資源共共享機機制，，可以以實現(xiàn)現(xiàn)對于于全局局變量量以及及靜態(tài)態(tài)變量量的共共享訪訪問，，主要要包括括鎖中中斷、、鎖任任務、、互斥斥信號號量等等任務變變量，，保存存在任任務的的上下下文中中，每每次上上下文文切換換時保保存變變量值值代碼重入3.127任務管管理每個任任務使使用一一個全全局整整數(shù)來來保存存錯誤誤標識識號程序發(fā)發(fā)生錯錯誤，，可以以設置置相應應錯誤誤號每個錯錯誤號號有定定義的的詳細細錯誤誤信息息可以通通過查查詢錯錯誤號號可以以進行行錯誤誤的定定位和和診斷斷相關(guān)函函數(shù)：：設置錯錯誤號號errno_Set()、獲取取錯誤誤號errno_Get()、獲取取錯誤誤描述述信息息strerror用戶自自定義義錯誤誤編碼碼任務錯誤號3.128任務管管理創(chuàng)建一一個任任務，，ReWorks必須分配堆堆棧和和TCB存儲空空間初始化化堆棧棧和TCB初始化化上下下文，，將任任務放放到就就緒隊隊列中中uthread_create接口u32uthread_create(char*name,void(*entry)(void*),void*argu,intstacksize,u32options,intpri);任務創(chuàng)建3.12929任務管管理任務創(chuàng)建3.1RE_FP_TASK指任務務支持持浮點點運算算，RE_NO_STACK_FILL指創(chuàng)創(chuàng)建任任務堆堆棧時時，任任務堆堆棧不不需要要填寫寫0XEE，，RE_NO_TIMESLICE指任務務不支支持時時間片片調(diào)度度。30實例描描述：：生產(chǎn)產(chǎn)者-消費者者問題題一群生生產(chǎn)者者任務務在生生產(chǎn)消消息，，并將將此消消息提提供給給消費費者任任務去去消費費。為使生生產(chǎn)者者和消消費者者能并并發(fā)執(zhí)執(zhí)行，，在它它們之之間設設置一一個具具有N個緩沖沖區(qū)的的緩沖沖池，，生產(chǎn)產(chǎn)者將將生產(chǎn)產(chǎn)的消消息放放入一一個緩緩沖區(qū)區(qū)，消消費者者從一一個緩緩沖區(qū)區(qū)取得得一個個消息息消費費。所有的的生產(chǎn)產(chǎn)者和和消費費者任任務都都是以以異步步方式式運行行，但但它們們之間間必須須保持持同步步。問題的提出3.2任務通通信31當生產(chǎn)產(chǎn)者任任務將將生產(chǎn)產(chǎn)的消消息放放到緩緩沖區(qū)區(qū)后，，要及及時通通知消消費者者任務務消費消消息，，使得得兩個個任務務同步步，實實現(xiàn)同同步的的機制制主要要有：：信號量量：生產(chǎn)產(chǎn)者通通過獲獲取和和釋放放二進制制信號號量通知消消費者者任務務消費費消息息。在在多個個任務務需要要同步步情況況下，，可以以通過過計數(shù)信信號量量實現(xiàn)。。事件：生產(chǎn)產(chǎn)者任任務將將消息息放入入緩沖沖區(qū)后后，發(fā)發(fā)送特特定事件，消費費者任任務接接收到到該事事件后后開始始運行行。消息隊隊列：生產(chǎn)產(chǎn)者任任務將將生產(chǎn)產(chǎn)的消消息放放到指指定消消息隊隊列中中，消消費者者任務務接收收消息息，實實現(xiàn)任任務同同步。。同時，，生產(chǎn)產(chǎn)者任任務和和消費費者任任務都都會訪訪問存存放消消息的的緩沖沖區(qū)，，為了了保護緩沖沖區(qū)內(nèi)內(nèi)容，，只能能讓一一個任任務獨獨占該該資源源，可可以通通過以以下機機制實實現(xiàn)：：互斥信信號量量：特殊殊的二二進制制信號號量，，它支支持所所有權(quán)權(quán)、遞遞歸訪訪問、、任務務刪除除安全全和一一個或或多個個協(xié)議議，以以避免免互斥斥固有有的問問題。。解決方法3.2任務通信32任務通信信號量是任任務同步的的最主要手手段，在一一定程度上上亦可提供供互斥功能能。ReWorks下信號量被被優(yōu)化，是是能夠提供供最快的任任務間通信信服務的機機制。信號量分類類二進制信號號量：最快快和常用的的信號量，，提供阻塞塞方式，用用于實現(xiàn)同同步或互斥斥；計數(shù)信號量量：類似于于二進制信信號量，記記錄信號量量被釋放的的次數(shù)。適適合于一個個資源的多多個實例需需要保護的的情況；互斥信號量量：互斥量量是保護臨臨界區(qū)資源源、實現(xiàn)任任務間互斥斥通信的主主要手段。。保護臨界區(qū)區(qū)資源的主主要措施鎖中斷鎖任務，禁禁止任務調(diào)調(diào)度互斥信號量量信號量3.233任務通信消息隊列是是應用動態(tài)態(tài)創(chuàng)建的具具有可變長長度的緩沖沖區(qū)。消息的長長度和存儲儲在其中的的內(nèi)容都是是用戶定義義的，可以以是實際的的數(shù)據(jù)、指指針或空。。通過它，，任務和ISR發(fā)送和接收收消息，實實現(xiàn)帶數(shù)據(jù)據(jù)的通信和和同步。消息隊列是是系統(tǒng)管理理的機構(gòu)。。隊列允許任任務傳遞可可變長的消消息?？墒故褂藐犃羞M進行幾個同同種資源的的互斥訪問問。隊列的的長度相當當于資源的的數(shù)目，它它決定了有有多少個任任務能夠同同時使用該該資源。消息隊列ReWorks的消息隊列列3.234任務通信reworks內(nèi)核提供一一個特殊的的寄存器作作為每個任任務控制塊塊的一部分分，即事件（event）寄存器。。它是一個個屬于任務務的對象，，并由一組組跟蹤指定事件值值的二進制制值事件標標志組成。。事件寄存存器的長度度為32bit，寄存器中每一位作作為二進制制標志（事事件標志）），并可以以被設置或或刪除。。事件沒有等等待隊列，，每個事件件只針對特特定任務；；事件接口：：（1）發(fā)送事件件u32event_send(u32id,u32event_in);（2）接收事件件u32event_recv(u32event_in,u32option_set,u32ticks,u32*event_out)；事件3.235任務通信編程實例事件（續(xù)）事件（續(xù)）voidtask1(){……/*發(fā)送事件給給指定任務務*/event_send(task_id,OS_EVENT1);……}voidtask2()/*接收事件任任務*/{……/*接收指定事事件*/event_recv(OS_EVENT1,OS_ANY_EVENT,NO_TIMEOUT,&events);/*如果接收到到指定事件件時，任務進入就緒緒狀態(tài)，否否則，繼續(xù)續(xù)等待*/……}3.236任務通信信號是所謂謂的軟件中斷，在系統(tǒng)里里經(jīng)由一些些軟件的執(zhí)執(zhí)行而產(chǎn)生生。例如，，在shell中執(zhí)行ctrl-c操作可以終終止shell里某個操作作的執(zhí)行。。信號3.237371、當任務處處于阻塞狀狀態(tài)時收到到信號；2、任務離開開阻塞隊列列，進入就就緒隊列，，準備運行行；3、當任務成成為就緒隊隊列中的最最高優(yōu)先級級任務時，，執(zhí)行信號號處理程序序；4、信號處理理程序執(zhí)行行完后，任任務返回阻阻塞狀態(tài)，，保持原始始超時信息息不變。信號處理流程阻塞隊列就緒隊列①②運行事件處處理程序③④任務通信3.238任務通信3.238信號不適合合于實現(xiàn)普普通的任務務間通信信號處理程程序的優(yōu)先先級太高，，會阻塞其其他任務的的執(zhí)行打斷了任務務的正常執(zhí)執(zhí)行順序。。最好創(chuàng)建建兩個任務務，而不是是在一個任任務中通過過信號控制制可能導致任任務的重入入問題：例例如，運行行信號服務務程序的任任務和運行行正常代碼碼的相同任任務可以用于告告訴一個任任務將其自自身關(guān)閉信號使用注意事項39培訓大綱時鐘/定時器管理理:闡述ReWorks的系統(tǒng)時鐘鐘、時間、、定時器等等基本功能能。中斷/異常管理:描述ReWorks對于外部事事件的中斷斷響應方式式，以及對對于CPU異常的處理理機制。多任務管理理:講述ReWorks中對于多任任務的調(diào)度度機制，以以及任務間間共享資源源以及同步步的手段。。內(nèi)存管理：：敘述實時系系統(tǒng)中對于于內(nèi)存的管管理方法，，包括對于于硬件MMU的支持。12345總結(jié)：通過幾個上上機分組實實驗對培訓訓內(nèi)容進行