第一次課嵌入式操作系統(tǒng)

第一次課嵌入式操作系統(tǒng)第一頁，共47頁。為什么要學(xué)習(xí)μC/OS-II

一.凡從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工作的人，必須對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)有足夠的了解。二.對(duì)于初學(xué)者，從μC/OS-II開始是個(gè)明智的選擇。

1.μC/OS-II麻雀雖小，卻五臟基本全（它是個(gè)微內(nèi)核）。

2.可以學(xué)習(xí)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一些編程技巧。

3.可以把在學(xué)校中學(xué)到的操作系統(tǒng)抽象概念具體化。

4.具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

5.學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的好例子。2第二頁，共47頁。C/OS簡介

美國人JeanJ.Labrosse1992年完成應(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-IIV2.90，2.91,2011年8月C/OS-III開源2000年，C/OS-II得到美國航空管理局（FAA）的認(rèn)證，可以用于飛行器中網(wǎng)站（)3第三頁，共47頁。第1章嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的基本概念目標(biāo):本章旨在介紹操作系統(tǒng)基本概念，通過本章的學(xué)習(xí)，應(yīng)該掌握如下知識(shí)：操作系統(tǒng)概述常用的操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)基本概念4第四頁，共47頁。操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）是一種為應(yīng)用程序提供服務(wù)的系統(tǒng)軟件，是一個(gè)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。5第五頁，共47頁。1.1計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

1.1.1什么是計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是一種為應(yīng)用程序提供服務(wù)的系統(tǒng)軟件，是一個(gè)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。從層次來看，操作系統(tǒng)位于計(jì)算機(jī)硬件之上，應(yīng)用軟件之下。所以也把它叫做應(yīng)用軟件的運(yùn)行平臺(tái)。

應(yīng)用軟件MicrosoftWord、Photoshop……ACDSee系統(tǒng)軟件編譯程序、匯編程序、編輯程序……數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)Windows、Linux……Solaris

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件計(jì)算機(jī)軟件6第六頁，共47頁。1.1.2操作系統(tǒng)的作用和功能

操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)與應(yīng)用程序之間的接口。它在計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間，屏蔽了計(jì)算機(jī)硬件工作的一些細(xì)節(jié)，并對(duì)系統(tǒng)中的資源進(jìn)行有效的管理。

7第七頁，共47頁。2．操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)其功能主要是對(duì)計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行管理，具體來說其主要功能如下：處理器的管理存儲(chǔ)的管理設(shè)備的管理文件的管理網(wǎng)絡(luò)和通信的管理提供用戶接口8第八頁，共47頁。1.2嵌入式系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)1.2.1嵌入式系統(tǒng)的基本概念1．什么是嵌入式系統(tǒng)為了區(qū)別于原有的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，人們把嵌入到對(duì)象體系中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系智能化控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，稱作嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng)。9第九頁，共47頁。嵌入式系統(tǒng)的定義：嵌入式系統(tǒng)是對(duì)對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)控制而使其具有智能化并可嵌入對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入性、專用性與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素。

10第十頁，共47頁。2.嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程（1）微型計(jì)算機(jī)（工控機(jī)）時(shí)代（2）單片機(jī)時(shí)代(Σ模式和創(chuàng)新模式)

MCU(MicroControllerUnit)階段

SoC(SystemonChip)階段

11第十一頁，共47頁。3.嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的軟件包括操作系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。操作系統(tǒng)一般應(yīng)該具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，并可以對(duì)多任務(wù)進(jìn)行管理，而應(yīng)用軟件都是一些專門性很強(qiáng)的應(yīng)用程序。

特點(diǎn)：專用性強(qiáng)可裁減性好實(shí)時(shí)性與可靠性好功耗低

12第十二頁，共47頁。1.2.2嵌入式操作系統(tǒng)定義：運(yùn)行在嵌入式硬件平臺(tái)上，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及其所操作的部件、裝置等資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、指揮和控制的系統(tǒng)軟件就叫做嵌入式操作系統(tǒng)。與普通的操作系統(tǒng)不同，其主要特點(diǎn)如下：微型化可裁減性實(shí)時(shí)性高可靠性易移植性13第十三頁，共47頁。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的概念：如果操作系統(tǒng)能使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求，并能及時(shí)控制所有實(shí)時(shí)設(shè)備與實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)運(yùn)行，且能在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)完成對(duì)事件的處理，那么這種操作系統(tǒng)就是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RealTimeOperationSystem,RTOS）。

對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)有兩個(gè)基本要求：第一，實(shí)時(shí)系統(tǒng)的計(jì)算必須產(chǎn)生正確的結(jié)果，稱為邏輯或功能正確；第二，實(shí)施系統(tǒng)的計(jì)算必須在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)完成，稱為時(shí)間正確。14第十四頁，共47頁。1.2.3實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要滿足的條件

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)滿足以下三個(gè)條件：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須是多任務(wù)系統(tǒng)。任務(wù)的概念任務(wù)的切換時(shí)間應(yīng)與系統(tǒng)中的任務(wù)數(shù)無關(guān)。內(nèi)核及內(nèi)核類型任務(wù)切換時(shí)間中斷延遲的時(shí)間可預(yù)知并盡可能短。中斷延遲15第十五頁，共47頁。1.2.4實(shí)時(shí)系統(tǒng)的分類從實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)來看實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以分為兩種：一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)時(shí)處理的上位機(jī)和實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)等實(shí)時(shí)性較弱的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，并提供了開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行一直的環(huán)境。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求高的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，而且應(yīng)用程序的開發(fā)時(shí)通過交叉開發(fā)來完成的，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有規(guī)模?。ㄒ话阍趲譑~幾十K），可固化、實(shí)時(shí)性強(qiáng)（在毫秒或微秒量級(jí)上）的特點(diǎn)即：開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境不一致16第十六頁，共47頁。按外部過程的要求劃分，分為軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)和硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)：對(duì)于軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)來說，未能實(shí)時(shí)完成處理的結(jié)果，僅僅是帶來了額外的代價(jià)，且通常這種代價(jià)能夠被接受。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)：對(duì)于硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)來說，未能實(shí)時(shí)完成處理是堅(jiān)決不允許的，它往往導(dǎo)致致命危害。如剎車系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)。17第十七頁，共47頁。按系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間劃分，分為強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)、一般實(shí)時(shí)系統(tǒng)、弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

18第十八頁，共47頁。1.2.5使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的必要性

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得愈來愈重要。在嵌入式應(yīng)用中，只有把CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時(shí)又把操作系統(tǒng)嵌入進(jìn)去，才是真正的計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用。使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)因素：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了CPU的多任務(wù)潛力。19第十九頁，共47頁。1.2.6實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序使程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動(dòng)就可以增加新的功能。通過將應(yīng)用程序分割成若干獨(dú)立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為簡化；而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過有效的系統(tǒng)服務(wù)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用。缺點(diǎn)：但是，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)還需要額外的ROM/RAM開銷，2~5%的CPU額外負(fù)荷，以及內(nèi)核的費(fèi)用。

20第二十頁，共47頁。1.2.7嵌入式系統(tǒng)的任務(wù)及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)1．嵌入式系統(tǒng)的任務(wù)一個(gè)用C語言編寫的任務(wù)代碼。voidmytask(void*pdata){ for(;;) {

用戶編寫的代碼；

} }21第二十一頁，共47頁。嵌入式系統(tǒng)任務(wù)的典型結(jié)構(gòu)如圖1-5所示：圖1-5嵌入式系統(tǒng)任務(wù)的典型結(jié)構(gòu)22第二十二頁，共47頁。2.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)主要提供三項(xiàng)服務(wù)來輔助應(yīng)用程序設(shè)計(jì)人員：

●內(nèi)存管理

●多任務(wù)管理●外圍資源管理23第二十三頁，共47頁。1.3常見的嵌入式操作系統(tǒng)●嵌入式LINUXuClinux是一個(gè)完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼。uClinux從Linux2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對(duì)沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元(MMU)的處理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。它保留了Linux的大部分優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對(duì)各種文件系統(tǒng)的支持、以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API等。

24第二十四頁，共47頁。●嵌入式操作系統(tǒng)——WINCEWindowsCE是微軟開發(fā)的一個(gè)開放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作，它是精簡的Windows95。WindowsCE的圖形用戶界面相當(dāng)出色。WinCE具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于Win32應(yīng)用程序接口以及與處理器無關(guān)等特點(diǎn)。WinCE不僅繼承了傳統(tǒng)的Windows圖形界面，并且在WinCE平臺(tái)上可以使用Windows95/98上的編程工具（如VisualBasic、VisualC++等）、使絕大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡單的修改和移植就可以在WindowsCE平臺(tái)上繼續(xù)使用。25第二十五頁，共47頁?！袂度胧讲僮飨到y(tǒng)——VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國WINDRIVER公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等，甚至在1997年4月登陸火星表面的火星探測器上也使用到了VxWorks。26第二十六頁，共47頁?！袂度胧讲僮飨到y(tǒng)——NucleusNucleusPLUS是為實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一個(gè)搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，其95％的代碼是用ANSIC寫成的，因此非常便于移植并能夠支持大多數(shù)類型的處理器。NucleusPLUS采用了軟件組件的方法。每個(gè)組件具有單一而明確的目的，通常由幾個(gè)C及匯編語言模塊構(gòu)成，提供清晰的外部接口，對(duì)組件的引用就是通過這些接口完成的。由于采用了軟件組件的方法，使NucleusPLUS的各個(gè)組件非常易于替換和復(fù)用。27第二十七頁，共47頁。●嵌入式操作系統(tǒng)——eCoseCos是RedHat公司開發(fā)的源代碼開放的嵌入式RTOS產(chǎn)品，是一個(gè)可配置、可移植的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的運(yùn)行環(huán)境為RedHat的GNUPro和GNU開發(fā)環(huán)境。eCOS的所有部分都開放源代碼，可以按照需要自由修改和添加。eCOS的關(guān)鍵技術(shù)是操作系統(tǒng)可配置性，允許用戶組和自己的實(shí)時(shí)組件和函數(shù)以及實(shí)現(xiàn)方式，特別允許eCOS的開發(fā)則定制自己的面向應(yīng)用的操作系統(tǒng)，使eCos能有更廣泛的應(yīng)用范圍。28第二十八頁，共47頁?！袂度胧讲僮飨到y(tǒng)——μC/OS-IIμC/OS-II是一個(gè)源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼是用ANSIC寫的，使其可以方便的移植并支持大多數(shù)類型的處理器。μC/OS-II通過了聯(lián)邦航空局（FAA）商用航行器認(rèn)證。自1992年問世以來，μC/OS-II已經(jīng)被應(yīng)用到數(shù)以百計(jì)的產(chǎn)品中。μC/OS-II占用很少的系統(tǒng)資源，并且在高校教學(xué)使用是不需要申請(qǐng)?jiān)S可證。29第二十九頁，共47頁?！袂度胧讲僮飨到y(tǒng)——uITRONTRON是指“實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核（TheReal-timeOperatingsystemNucleux）”,它是在1984年由東京大學(xué)的Sakamura博士提出的，目的是為了建立一個(gè)理想的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。通過工業(yè)界和大學(xué)院校的合作，TRON方案正被逐步用到全新概念的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中。uITRON是TRON的一個(gè)子方案，它具有標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，適用于任何小規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)，日本國內(nèi)現(xiàn)有很多基于該內(nèi)核的產(chǎn)品，其中消費(fèi)電器較多。目前已成為日本事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

30第三十頁，共47頁。操作系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-數(shù)組1.4操作系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

31第三十一頁，共47頁。操作系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)–位圖32第三十二頁，共47頁。操作系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)–結(jié)構(gòu)33第三十三頁，共47頁。操作系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)–鏈表34第三十四頁，共4