第1章-嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)

第1章嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)主要內(nèi)容1324嵌入式系統(tǒng)概念嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核5嵌入式技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)1.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義

一般定義以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪,應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗和應(yīng)用環(huán)境有特殊要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。是將應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬件集成在一起的系統(tǒng)（技術(shù)角度）嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計(jì)完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。（系統(tǒng)角度）術(shù)語嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)（被稱之為嵌入的系統(tǒng)）的一個(gè)完整子系統(tǒng)。嵌入式的系統(tǒng)可以包含多個(gè)嵌入式系統(tǒng)。廣義定義任何一個(gè)非計(jì)算機(jī)的計(jì)算系統(tǒng)IEE定義嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作的機(jī)器、設(shè)備或裝置”（原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。通常執(zhí)行特定功能嵌入式系統(tǒng)的核心----嵌入式微處理器嚴(yán)格的時(shí)序和穩(wěn)定性要求全自動(dòng)操作循環(huán)1.1.2嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)通常由嵌入式處理器、外圍設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件等幾大部分組成。嵌入式系統(tǒng)組成嵌入式系統(tǒng)硬件組成嵌入式處理器嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件。嵌入式處理器與通用處理器的最大不同點(diǎn)在于嵌入式處理器大多工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中。它通常把通用計(jì)算機(jī)中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。大的硬件廠商會(huì)推出自己的嵌入式處理器，因而現(xiàn)今市面上有1000多種嵌入式處理器芯片，其中使用最為廣泛的有ARM，MIPS，PowerPC，MC68000等。外圍設(shè)備外圍設(shè)備是指在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中，除了嵌入式處理器以外的完成存儲(chǔ)、通信、調(diào)試、顯示等輔助功能的其他部件。根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下3類：存儲(chǔ)器：靜態(tài)易失型存儲(chǔ)器(RAM，SRAM)、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM)和非易失型存儲(chǔ)器(Flash)。其中，F(xiàn)lash以可擦寫次數(shù)多、存儲(chǔ)速度快、容量大及價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。接口：應(yīng)用最為廣泛的包括并口、RS-232串口、IrDA紅外接口、SPI串行外圍設(shè)備接口、I2C(InterIC)總線接口、USB通用串行總線接口、Ethernet網(wǎng)口等。人機(jī)交互：LCD、鍵盤和觸摸屏等人機(jī)交互設(shè)備。嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)是用來管理存儲(chǔ)器分配、中斷處理、任務(wù)間通信和定時(shí)器響應(yīng)，以及提供多任務(wù)處理等的軟件模塊集合。嵌入式操作系統(tǒng)常常有實(shí)時(shí)要求，所以嵌入式操作系統(tǒng)往往又是“實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)”。

應(yīng)用軟件嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是針對(duì)特定的實(shí)際專業(yè)領(lǐng)域的，基于相應(yīng)的嵌入式硬件平臺(tái)，并能完成用戶預(yù)期任務(wù)的計(jì)算機(jī)軟件。

嵌入式軟件的特點(diǎn)如下：(1)軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ)。(2)軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性。(3)系統(tǒng)軟件的高實(shí)時(shí)性是基本要求。(4)多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)成為嵌入式應(yīng)用軟件的必需。1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)軟硬件一體化，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、行業(yè)技術(shù)為一體；需要操作系統(tǒng)支持，代碼小、執(zhí)行速度快；專用緊湊，用途固定，成本敏感；可靠性要求高；多樣性，應(yīng)用廣泛、種類繁多。

1.1.4嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式應(yīng)用信息家電智能玩具軍事電子通信設(shè)備移動(dòng)存貯工控設(shè)備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消費(fèi)電子軍事國(guó)防電子商務(wù)工業(yè)控制1.1.5實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)(RealTimeSystem)是指產(chǎn)生系統(tǒng)輸出的時(shí)間對(duì)系統(tǒng)至關(guān)重要的系統(tǒng)。從輸入到輸出的滯后時(shí)間必須足夠小到一個(gè)可以接受的時(shí)限內(nèi)。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常具備以下重要的特性：1．實(shí)時(shí)性2．并行性

3．多路性

4．獨(dú)立性

5．可預(yù)測(cè)性

6．可靠性

概念特性實(shí)時(shí)系統(tǒng)中主要通過3個(gè)指標(biāo)來衡量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，即：響應(yīng)時(shí)間(ResponseTime)：指計(jì)算機(jī)從識(shí)別一個(gè)外部事件到做出響應(yīng)的時(shí)間。生存時(shí)間(SurvivalTime)：指數(shù)據(jù)的有效等待時(shí)間，在這段時(shí)間里數(shù)據(jù)是有效的。吞吐量(Throughput)：指在一段給定時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)可以處理事件的總數(shù)。吞吐量通常比平均響應(yīng)時(shí)間的倒數(shù)小一點(diǎn)。衡量實(shí)時(shí)性的指標(biāo)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的分類根據(jù)響應(yīng)時(shí)間可分為3種類型：1．強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)2．弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)3．一般實(shí)時(shí)系統(tǒng)根據(jù)確定性可分為2種類型：1．硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)2．軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要內(nèi)容1324嵌入式系統(tǒng)概念嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核5嵌入式技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)一、嵌入式處理器分類嵌入式微處理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)

微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)

DSP處理器(DigitalSignalProcessor,DSP)

片上系統(tǒng)(SystemOnChip，SOC)

嵌入式微處理器嵌入式微處理器是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來的。與計(jì)算機(jī)處理器不同的是，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，配上必要的擴(kuò)展外圍電路，如存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路、I/O的擴(kuò)展電路和一些專用的接口電路等，這樣就可以最低的功耗和資源滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求。嵌入式微處理器雖然在功能上與標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本相同，但一般在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面都做了各種增強(qiáng)。與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

目前主要的嵌入式處理器類型有ARM、MIPS、Am186/88、386EX、PowerPC、68000系列等。

二、典型的嵌入式處理器1．ARM處理器2．MIPS處理器3．PowerPC處理器4．MC68K/Coldfire處理器5．x86處理器ARM處理器

ARM（AdvancedRISCMachines）公司是全球領(lǐng)先的16/32位RISC微處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)設(shè)計(jì)供應(yīng)商。ARM處理器有3大特點(diǎn)：小體積、低功耗、低成本而高性能；16/32位雙指令集；全球眾多的合作伙伴。ARM處理器分ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM11和SecurCore系列。

MIPS處理器

MIPS（MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages）技術(shù)公司是一家設(shè)計(jì)制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商。

MIPS的定位很廣。在高端市場(chǎng)它有64位的20Kc系列，在低端市場(chǎng)有SmartMIPS。

PowerPC體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是可伸縮性好，方便靈活。PowerPC處理器品種很多，既有通用的處理器，又有微控制器和內(nèi)核。其應(yīng)用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務(wù)器到桌面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從消費(fèi)類電子產(chǎn)品到大型通信設(shè)備，無所不包?；赑owerPC架構(gòu)的處理器有IBM公司開發(fā)的PowerPC405GP，它是一個(gè)集成10/100Mbps以太網(wǎng)控制器、串行和并行端口、內(nèi)存控制器以及其它外設(shè)的高性能嵌入式處理器。PowerPC處理器Apple機(jī)以前使用的就是Motorola68000(68K)，比Intel公司的8088還要早。但現(xiàn)在，Apple、Motorola公司已放棄68K而專注于ARM了。MC68K/Coldfire處理器x86系列處理器是最常用的，它起源于Intel架構(gòu)的8080，發(fā)展到現(xiàn)在Pentium4、Athlon和AMD的64位處理器Hammer。486DX是當(dāng)時(shí)和ARM、68K、MIPS、SuperH齊名的五大嵌入式處理器之一?，F(xiàn)有基于x86的STPC高度集成系統(tǒng)。x86處理器主要內(nèi)容1324嵌入式系統(tǒng)概念嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核5嵌入式技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)1.3.1操作系統(tǒng)的概念和分類

操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)OS(OperationSystem)是一組計(jì)算機(jī)程序的集合，用來有效地控制和管理計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，即合理地對(duì)資源進(jìn)行調(diào)度，并為用戶提供方便的應(yīng)用接口。它為應(yīng)用支持軟件提供運(yùn)行環(huán)境，即對(duì)程序開發(fā)者提供功能強(qiáng)、使用方便的開發(fā)環(huán)境。

操作系統(tǒng)的功能處理器管理存儲(chǔ)器管理設(shè)備管理文件管理用戶接口對(duì)處理器進(jìn)行分配，并對(duì)其運(yùn)行進(jìn)行有效地控制和管理。處理器的分配和運(yùn)行都是以進(jìn)程為基本單位進(jìn)行的，因此對(duì)處理器的管理可以歸結(jié)為對(duì)進(jìn)程的管理，包括進(jìn)程控制、進(jìn)程同步、進(jìn)程通信、作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度等。為多道程序的運(yùn)行提供良好的環(huán)境，包括內(nèi)存分配、內(nèi)存保護(hù)、地址映射、內(nèi)存擴(kuò)充等。包括緩沖管理、設(shè)備分配、設(shè)備處理、形成虛擬邏輯設(shè)備等。

文件管理的主要任務(wù)就是對(duì)系統(tǒng)文件和用戶文件進(jìn)行管理，方便用戶的使用，保證文件的安全性。文件管理包括對(duì)文件存儲(chǔ)空間的管理、目錄管理、文件的讀寫管理以及文件的共享與保護(hù)等。用戶與操作系統(tǒng)的接口是用戶能方便地使用操作系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的分類按程序運(yùn)行調(diào)度的方法分類：1．順序執(zhí)行系統(tǒng)即系統(tǒng)內(nèi)只有一個(gè)運(yùn)行程序，它獨(dú)占CPU時(shí)間，按語句順序執(zhí)行該程序，直至執(zhí)行完畢，另一程序才能啟動(dòng)運(yùn)行。DOS操作系統(tǒng)就屬于這種系統(tǒng)。2．分時(shí)操作系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)可有多道程序運(yùn)行。所謂同時(shí)，只是從宏觀上說；實(shí)際上系統(tǒng)把CPU的時(shí)間按順序分成若干時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行不同的程序。這類系統(tǒng)支持多用戶，當(dāng)今廣泛用于商業(yè)、金融領(lǐng)域。UNIX操作系統(tǒng)就屬于這種系統(tǒng)。3．實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)有多道程序運(yùn)行，每道程序各有不同的優(yōu)先級(jí)，操作系統(tǒng)按事件觸發(fā)使程序運(yùn)行。當(dāng)多個(gè)事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)按優(yōu)先級(jí)高低確定哪道程序在此時(shí)此刻占有CPU，以保證優(yōu)先級(jí)高的事件先運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息及時(shí)被采集。嵌入式操作系統(tǒng)的分類從實(shí)時(shí)性的角度來看，嵌入式操作系統(tǒng)可以分為：具有強(qiáng)實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)；具有弱實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)；沒有實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)。從應(yīng)用的角度來看，嵌入式操作系統(tǒng)可以分為：面向低端信息家電IA（InternetAppliance，如智能電話、家庭網(wǎng)關(guān)等）的嵌入式操作系統(tǒng)；面向高端信息家電（如數(shù)字電視等）的嵌入式操作系統(tǒng)；面向個(gè)人通信終端（如手機(jī)、PDA、PocketPC等）的嵌入式操作系統(tǒng)；面向通信設(shè)備的嵌入式操作系統(tǒng)；面向汽車電子的嵌入式操作系統(tǒng)；面向工業(yè)控制的嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念任務(wù)、進(jìn)程和線程

任務(wù)：任務(wù)是指一個(gè)程序分段，這個(gè)分段被操作系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)基本工作單元來調(diào)度。任務(wù)是在系統(tǒng)運(yùn)行前已設(shè)計(jì)好的。進(jìn)程：進(jìn)程是指任務(wù)的一次運(yùn)行過程，它是動(dòng)態(tài)過程。有些操作系統(tǒng)把任務(wù)和進(jìn)程等同看待，認(rèn)為任務(wù)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，即執(zhí)行任務(wù)體的動(dòng)態(tài)過程。線程：20世紀(jì)80年代中期，人們提出了比進(jìn)程更小的能獨(dú)立運(yùn)行和調(diào)度的基本單位——線程，并以此來提高程序并發(fā)執(zhí)行的程度。近些年，線程的概念已被廣泛應(yīng)用。嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念多用戶及多任務(wù)多用戶的含義是，允許多個(gè)用戶通過各自的終端使用同一臺(tái)主機(jī)，共享同一個(gè)操作系統(tǒng)及各種系統(tǒng)資源。每個(gè)用戶的應(yīng)用程序可以設(shè)計(jì)成不同的任務(wù)，這些任務(wù)可以并發(fā)執(zhí)行。多用戶及多任務(wù)系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的吞吐量，更有效地利用系統(tǒng)資源。嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念任務(wù)的事件驅(qū)動(dòng)嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念中斷與中斷優(yōu)先級(jí)

中斷是計(jì)算機(jī)中軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)共同提供的功能。它包括中斷源、中斷優(yōu)先級(jí)、中斷處理程序及中斷任務(wù)等相關(guān)概念。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)充分利用中斷來改變CPU執(zhí)行程序的順序，達(dá)到實(shí)時(shí)處理目的。系統(tǒng)中所有中斷控制器一共可以連接幾個(gè)外部信號(hào)，則稱系統(tǒng)有幾個(gè)中斷源。操作系統(tǒng)對(duì)每個(gè)中斷級(jí)指定了優(yōu)先級(jí)，稱之為中斷優(yōu)先級(jí)。在多個(gè)中斷源同時(shí)發(fā)出申請(qǐng)時(shí)，CPU按優(yōu)先級(jí)的高低順序處理。這種總是保證優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)占用CPU的方式，稱為按優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度。嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念同步與異步實(shí)時(shí)系統(tǒng)中常用同步或異步來說明事件發(fā)生的時(shí)序或任務(wù)執(zhí)行的順序關(guān)系。由于事件1停止而引起事件2發(fā)生，或者必須有事件2發(fā)生，事件3才可能發(fā)生，如此類推，這一系列與時(shí)間相關(guān)的事件稱為同步事件。由同步事件驅(qū)動(dòng)的任務(wù)稱為同步任務(wù)。使任務(wù)同步的目的是使相關(guān)任務(wù)在執(zhí)行順序上協(xié)調(diào)，不至于發(fā)生時(shí)間相關(guān)的差錯(cuò)，以保證任務(wù)互斥地訪問系統(tǒng)的內(nèi)存、外設(shè)等共享資源。

異步事件是指隨機(jī)發(fā)生的事件。異步事件發(fā)生的因素很復(fù)雜，往往與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)，難以預(yù)測(cè)其發(fā)生的時(shí)間，因此異步事件又稱隨機(jī)事件。由異步事件驅(qū)動(dòng)的任務(wù)稱為異步任務(wù)。中斷任務(wù)都是異步任務(wù)，優(yōu)先級(jí)高于同步任務(wù)。嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念資源與臨界資源程序運(yùn)行時(shí)可使用的軟、硬件環(huán)境統(tǒng)稱為資源。主要包括CPU的可利用時(shí)間、系統(tǒng)可提供的中斷源、內(nèi)存空間與數(shù)據(jù)、通用外部設(shè)備等等。沒有指派給具體任務(wù)的資源屬于系統(tǒng)所有，是共享資源。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)2個(gè)以上任務(wù)可能同時(shí)訪問的共享資源，則稱為臨界資源。系統(tǒng)中的公共數(shù)據(jù)區(qū)、打印機(jī)等都是臨界資源。系統(tǒng)內(nèi)任務(wù)應(yīng)采取互斥的方式訪問共享資源。在實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)中，當(dāng)異步任務(wù)被激活時(shí)，容易出現(xiàn)資源的臨界狀態(tài)。實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)中應(yīng)保證任何時(shí)刻臨界資源內(nèi)只有一個(gè)任務(wù)在訪問。資源臨界問題解決不好，執(zhí)行任務(wù)交不出資源的控制權(quán)，將引起系統(tǒng)死鎖。嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念容錯(cuò)與安全

容錯(cuò)是指這樣一種性能或措施，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)某些軟、硬件出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，完成預(yù)定的任務(wù)或某些重要的不允許間斷的任務(wù)。容錯(cuò)能力包括系統(tǒng)自診斷、自恢復(fù)、自動(dòng)切換等多方面能力，由軟、硬件共同采取措施才能實(shí)現(xiàn)。容錯(cuò)是實(shí)時(shí)系統(tǒng)提高可靠性的手段。

安全性控制是操作系統(tǒng)對(duì)自身文件和用戶文件的存取合法性的控制。在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中安全性極為重要，必須保證系統(tǒng)工作的高度可靠和安全，防止對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)有意或無意的破壞。通常采用一些軟件控制方法來保證系統(tǒng)的安全性，如標(biāo)記檢查、多級(jí)口令設(shè)置、加密等等。1.3.2實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)是具有實(shí)時(shí)性且能支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。RTOS與通用計(jì)算機(jī)OS的區(qū)別：實(shí)時(shí)性。響應(yīng)速度快，只有幾微秒；執(zhí)行時(shí)間確定、可預(yù)測(cè)；代碼尺寸小。10～100KB，節(jié)省內(nèi)存空間，降低成本；應(yīng)用程序開發(fā)較難；需要專用開發(fā)工具：仿真器、編譯器和調(diào)試器等。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的發(fā)展實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的研究是從20世紀(jì)60年代開始的。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)經(jīng)歷了以下3個(gè)發(fā)展階段。（1）早期的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)不能稱為真正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它只是一個(gè)小而簡(jiǎn)單、具有一定專用性的軟件，其功能較弱，可以認(rèn)為是一種實(shí)時(shí)監(jiān)控程序。它一般為用戶提供對(duì)系統(tǒng)的初始管理以及簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理。（2）專用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在國(guó)外稱為Real-TimeOperatingSystemDevelopedinHouse。它是早期用戶為滿足自身開發(fā)需要而研制的，一般只能用于特定的硬件環(huán)境，且缺乏嚴(yán)格的評(píng)測(cè)，移植性也不太好。（3）通用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)大多采用軟組件結(jié)構(gòu)，以“標(biāo)準(zhǔn)組件”構(gòu)成通用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。一方面，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核的最底層將不同的硬件特性屏蔽掉；另一方面，對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境提供了標(biāo)準(zhǔn)的、可剪裁的系統(tǒng)服務(wù)軟組件。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的組成根據(jù)面向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域的不同,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的組成也有所不同。但一般都包括以下幾個(gè)重要組成部分：

(1)實(shí)時(shí)內(nèi)核實(shí)時(shí)內(nèi)核一般都是多任務(wù)的。它主要實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理、定時(shí)器管理、存儲(chǔ)器管理、任務(wù)間通信與同步、中斷管理等功能。

(2)網(wǎng)絡(luò)組件

網(wǎng)絡(luò)組件實(shí)現(xiàn)了鏈路層的ARP/RARP協(xié)議、PPP及SLIP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議，傳輸層的TCP和UDP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)組件為應(yīng)用層提供服務(wù),它本身是可裁減的。(3)文件系統(tǒng)對(duì)于比較復(fù)雜的文件操作應(yīng)用來說，文件系統(tǒng)是必不可少的。它也是可裁減的。(4)圖形用戶界面圖形用戶界面(GUI)為用戶提供文字和圖形以及中英文的顯示和輸入。它同樣是可裁減的。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)(1)支持異步事件的響應(yīng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為了對(duì)外部事件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)，要求具有中斷和異步處理的能力。(2)中斷和調(diào)度任務(wù)的優(yōu)先級(jí)機(jī)制為區(qū)分用戶的中斷以及調(diào)度任務(wù)的輕重緩急，需要有中斷和調(diào)度任務(wù)的優(yōu)先級(jí)機(jī)制。(3)支持搶占式調(diào)度為保證高優(yōu)先級(jí)的中斷或任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須提供一旦高優(yōu)先級(jí)的中斷或任務(wù)準(zhǔn)備好，就能馬上搶占低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的CPU使用權(quán)的機(jī)制。(4)確定的任務(wù)切換時(shí)間和中斷延遲時(shí)間確定的任務(wù)切換時(shí)間和中斷延遲時(shí)間是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)區(qū)別于普通操作系統(tǒng)的一個(gè)重要標(biāo)志，是衡量實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的重要標(biāo)準(zhǔn)。(5)支持同步提供同步和協(xié)調(diào)共享數(shù)據(jù)的使用。1.3.3常見的嵌入式操作系統(tǒng)VxWorksμC/OSμC/OS-ⅡWindowsCE嵌入式LinuxPalmOS

QNXDeltaOS

HopenOSpSOSμC/OS和μC/OS-Ⅱ

C/OS—MicroControllerOSC/OS簡(jiǎn)介美國(guó)人JeanLabrosse1992年完成，已應(yīng)用于數(shù)百種產(chǎn)品中。應(yīng)用面覆蓋了諸多領(lǐng)域，如照相機(jī)、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、高速公路電話系統(tǒng)、自動(dòng)提款機(jī)等1998年C/OS-II，目前的版本C/OS-IIV2.722000年，得到美國(guó)航空管理局（FAA）的認(rèn)證，可以用于飛行器中是一個(gè)源碼公開、可移植、可裁減、占用資源少、搶先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼采用ANSIC寫的，移植性好。高校教學(xué)可免費(fèi)使用。μC/OS-II的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)μC/OS-II的任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

μClinux

DeltaOSDeltaOS是電子科技大學(xué)嵌入式實(shí)時(shí)教研室和科銀公司聯(lián)合研制開發(fā)的全中文的嵌入式操作系統(tǒng)。提供強(qiáng)實(shí)時(shí)和嵌入式多任務(wù)的內(nèi)核，任務(wù)響應(yīng)時(shí)間快速、確定，不隨任務(wù)負(fù)載大小改變。絕大部分的代碼由C語言編寫，具有很好的移植性。適用于內(nèi)存要求較大、可靠性要求較高的嵌入式系統(tǒng)。主要包括嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核DeltaCORE、嵌入式TCP/IP組件DeltaNET、嵌入式文件系統(tǒng)DeltaFILE以及嵌入式圖形用戶界面DeltaGUI等。提供一整套的嵌入式開發(fā)套件LamdaTOOL和一整套嵌入式開發(fā)應(yīng)用解決方案，已成功應(yīng)用于通信、網(wǎng)絡(luò)、信息家電等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

HopenOSHopenOS是凱思集團(tuán)自主研制開發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。由一個(gè)體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)模塊組成。其核心HopenKernel的規(guī)模一般為10KB左右，占用空間小。具有實(shí)時(shí)、多任務(wù)、多線程的系統(tǒng)特征。

pSOS

pSOS是ISI(IntegratedSystemsInc．)公司研發(fā)的產(chǎn)品，是世界上最早的實(shí)時(shí)系統(tǒng)之一，也是最早進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

pSOS是一個(gè)模塊化、高性能、完全可擴(kuò)展的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。專為嵌入式微處理器設(shè)計(jì)，提供了一個(gè)完全多任務(wù)環(huán)境，在定制的或是商業(yè)化的硬件上提供高性能和高可靠性。包含單處理器支持模塊(pSOS+)、多處理器支持模塊(pSOS+m)、文件管理器模塊(pHILE)、TCP/IP通信包(pNA)、流式通信模塊(OpEN)、圖形界面、Java，HTTP等。主要內(nèi)容1324嵌入式系統(tǒng)概念嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核5嵌入式技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分是實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。它主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：任務(wù)管理任務(wù)間通信與同步存儲(chǔ)器管理定時(shí)器管理中斷管理1.4實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核1.4.1任務(wù)管理任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的任務(wù)與操作系統(tǒng)中的進(jìn)程相似。它是具有獨(dú)立功能的無限循環(huán)的程序段的一次運(yùn)行活動(dòng)。任務(wù)的狀態(tài)運(yùn)行態(tài)(Executing)：獲得CPU控制權(quán)。就緒態(tài)（Ready）：進(jìn)入任務(wù)等待隊(duì)列，通過調(diào)度轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)。掛起態(tài)（Suspended）：任務(wù)發(fā)生阻塞，移出任務(wù)等待隊(duì)列，等待系統(tǒng)實(shí)時(shí)事件的發(fā)生而喚醒，從而轉(zhuǎn)為就緒或運(yùn)行態(tài)。休眠態(tài)（Dormant）：任務(wù)完成或錯(cuò)誤等原因被清除的任務(wù)，也可以認(rèn)為是系統(tǒng)中不存在的任務(wù)。

實(shí)時(shí)內(nèi)核的任務(wù)管理實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用程序中建立任務(wù)，刪除任務(wù)，掛起任務(wù)，恢復(fù)任務(wù)，以及對(duì)任務(wù)的響應(yīng)、切換和調(diào)度等功能。1.4.1任務(wù)管理任務(wù)管理常用的任務(wù)調(diào)度算法基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度算法非搶占式調(diào)度搶占式調(diào)度同一優(yōu)先級(jí)的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法單調(diào)速率調(diào)度算法基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度算法實(shí)時(shí)系統(tǒng)為每個(gè)任務(wù)賦予一個(gè)優(yōu)先級(jí)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)允許多個(gè)任務(wù)共享一個(gè)優(yōu)先級(jí)，通過同一優(yōu)先級(jí)的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，完成任務(wù)間的調(diào)度。優(yōu)先級(jí)調(diào)度原則是讓高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在得到資源運(yùn)行的事件上比低優(yōu)先級(jí)任務(wù)更有優(yōu)先權(quán)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)都采用基于優(yōu)先級(jí)的任務(wù)調(diào)度算法。按照任務(wù)在運(yùn)行過程中是否能被搶占，可以分為搶占式調(diào)度和非搶占式調(diào)度兩種?；趦?yōu)先級(jí)的調(diào)度算法——非搶占式調(diào)度

非搶占式（Non-preemptive）調(diào)度算法也稱作合作型多任務(wù)（CooperativeMultitasking）。中斷服務(wù)可以使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)，但中斷服務(wù)以后控制權(quán)還是回到原來被中斷的任務(wù)，直到該任務(wù)主動(dòng)放棄CPU的使用權(quán)時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才能獲得CPU的使用權(quán)?；趦?yōu)先級(jí)的調(diào)度算法——搶占式調(diào)度

搶占式（preemptive）調(diào)度算法確保最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的控制權(quán)。優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度算法——搶占式調(diào)度

實(shí)例簡(jiǎn)要說明：任務(wù)1：優(yōu)先級(jí)較高。要使用資源S，使用完畢程序結(jié)束。任務(wù)2：優(yōu)先級(jí)中等。不使用資源S。任務(wù)3：優(yōu)先級(jí)最低。要使用資源S，使用完畢程序結(jié)束。S：具有互斥機(jī)制保護(hù)的同一共享資源。3個(gè)任務(wù)的就緒順序?yàn)椋喝蝿?wù)3首先進(jìn)入就緒狀態(tài)。在任務(wù)3運(yùn)行過程中，任務(wù)1和任務(wù)2都進(jìn)入就緒狀態(tài)。其中任務(wù)1比任務(wù)2先進(jìn)入就緒狀態(tài)。基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度算法——搶占式調(diào)度

優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題的方法：優(yōu)先級(jí)繼承(PriorityInheritance)優(yōu)先級(jí)封頂(PriorityCeiling)

優(yōu)先級(jí)繼承設(shè)C為正占用著某項(xiàng)共享資源的進(jìn)程P以及所有正在等待占用此項(xiàng)資源的進(jìn)程的集合。找出這個(gè)集合中的優(yōu)先級(jí)最高者P_h，其優(yōu)先級(jí)為p’。把進(jìn)程P的優(yōu)先級(jí)設(shè)置成p’。優(yōu)先級(jí)繼承通過提高任務(wù)3的優(yōu)先級(jí)達(dá)到與任務(wù)1相同的優(yōu)先級(jí)，來避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題的出現(xiàn)。使用優(yōu)先級(jí)繼承后任務(wù)的運(yùn)行流程基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度算法——搶占式調(diào)度

優(yōu)先級(jí)封頂設(shè)C為所有可能競(jìng)爭(zhēng)使用某項(xiàng)共享資源的進(jìn)程的集合。事先為這個(gè)集合規(guī)定一個(gè)優(yōu)先級(jí)上限p’，使得這個(gè)集合中所有進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)都小于p’。注意p’并不一定是整個(gè)系統(tǒng)中的最高優(yōu)先級(jí)。在創(chuàng)建保護(hù)該項(xiàng)資源的信號(hào)量或互斥量時(shí)，將p’作為一個(gè)參數(shù)。每當(dāng)有進(jìn)程通過這個(gè)信號(hào)量或互斥量取得對(duì)共享資源的獨(dú)占使用權(quán)時(shí)，就將此進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)暫時(shí)提高到p’，一直到釋放該項(xiàng)資源的時(shí)候才恢復(fù)其原有的優(yōu)先級(jí)。使用優(yōu)先級(jí)封頂后任務(wù)的運(yùn)行流程優(yōu)先級(jí)繼承和優(yōu)先級(jí)封頂?shù)谋容^基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度算法——搶占式調(diào)度

兩種算法都改變了任務(wù)3的優(yōu)先級(jí)，但改變優(yōu)先級(jí)的時(shí)間和改變的范圍有所不同。優(yōu)先級(jí)繼承只在占有資源的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)阻塞了高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)運(yùn)行時(shí)，才動(dòng)態(tài)更改低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)到高優(yōu)先級(jí)。這種算法對(duì)應(yīng)用中任務(wù)的流程影響比較小。優(yōu)先級(jí)封頂則不管任務(wù)是否阻塞了高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的運(yùn)行，只要任務(wù)訪問該資源，都會(huì)提升任務(wù)的優(yōu)先級(jí)到可訪問這個(gè)資源的所有任務(wù)的最高優(yōu)先級(jí)。這兩種算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際選擇時(shí)要看具體的應(yīng)用情況。同一優(yōu)先級(jí)的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法針對(duì)多個(gè)任務(wù)允許共用一個(gè)優(yōu)先級(jí)的內(nèi)核。如果系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)有兩個(gè)或兩個(gè)以上，調(diào)度器依照就緒的先后次序調(diào)度第一個(gè)任務(wù)。當(dāng)其執(zhí)行一段特定的時(shí)間片后，無論任務(wù)完成與否，處理器都會(huì)結(jié)束該任務(wù)的運(yùn)行，轉(zhuǎn)入下一個(gè)就緒的同優(yōu)先級(jí)任務(wù)。若有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就緒，則應(yīng)用基于優(yōu)先級(jí)的可搶占調(diào)度算法調(diào)度更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。未運(yùn)行完的任務(wù)釋放處理器的控制權(quán)后，放到就緒隊(duì)列的末尾，等待下一個(gè)時(shí)間片來競(jìng)爭(zhēng)處理器。單調(diào)速率調(diào)度算法

單調(diào)速率調(diào)度算法RMS(RateMonotonicScheduling)主要用于分配任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。它是根據(jù)任務(wù)執(zhí)行的頻率確定優(yōu)先級(jí)的。任務(wù)的執(zhí)行頻率越高，其優(yōu)先級(jí)越高；反之，優(yōu)先級(jí)越低。1.4.