嵌入式操作系統(tǒng)期末復(fù)習(xí)資料

什么是嵌入式系統(tǒng)顧名思義：包含<安裝）在電子裝置<應(yīng)用對象）內(nèi)部地計算機(jī)系統(tǒng)稱為嵌入式系統(tǒng).基本描述：專門用途地計算機(jī)系統(tǒng)常常用于控制廣泛存在包含硬件和軟件根據(jù)IEEE<國際電氣和電子工程師協(xié)會）地定義：嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行地裝置.”嵌入式系統(tǒng)地定義本課程使用地定義,也是國內(nèi)高校流行地定義：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)且軟硬件可裁剪適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求地專用計算機(jī)系統(tǒng)它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶地應(yīng)用程序等四個部分組成用于實(shí)現(xiàn)對其他設(shè)備地控制、監(jiān)視或管理等功能.嵌入式系統(tǒng)地發(fā)展簡史第一階段4到8位單片機(jī)為核心地可編程控制器系統(tǒng)第二階段以8到16位嵌入式處理器<CPU）為基礎(chǔ)第三階段32位RISC嵌入式中央處理器嵌入式操作系統(tǒng)第四階段基于Internet接入為標(biāo)志地嵌入式系統(tǒng)可從4個方面考察嵌入式系統(tǒng)地歷史硬件軟件代表產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)地特點(diǎn)專門用于特定任務(wù)嵌入式系統(tǒng)一般是專用系統(tǒng),而PC是通用計算平臺.技術(shù)融合集計算機(jī)、半導(dǎo)體、電子技術(shù)、通信技術(shù)于一體.有實(shí)時約束一般采用實(shí)時操作系統(tǒng)有功耗約束軟件沒有系統(tǒng)和應(yīng)用地區(qū)別,軟件固化.系統(tǒng)內(nèi)核小軟硬件可裁剪高可靠性資源比PC少得多嵌入式系統(tǒng)需要專用地開發(fā)工具非壟斷市場軟件硬件基本要素硬件嵌入式處理器各種類型存儲器模擬電路及電源接口控制器及接插件軟件應(yīng)用程序?qū)崟r操作系統(tǒng)協(xié)議棧設(shè)備驅(qū)動板級支持包發(fā)展：無所不在地計算時代遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CPU普適計算基本特征普適計算是指無所不在地、隨時隨地可以進(jìn)行計算地一種方式.它使計算機(jī)融入人地生活空間.普適計算不再局限于桌面,用戶可以通過手持設(shè)備、可穿戴設(shè)備或其他常規(guī)、非常規(guī)計算設(shè)備無障礙地享用計算能力和信息資源,使用戶能夠隨時隨地獲取各種信息,并做出回應(yīng).b5E2RGbCAP最小系統(tǒng)嵌入式微處理器芯片本身不能獨(dú)立工作,需要一些外圍元器件提供基本地工作條件.一個最小系統(tǒng)一般包括以下幾個部分p1EanqFDPw微處理器芯片：嵌入式最小系統(tǒng)地心臟電源電路、復(fù)位電路、晶振電路：為嵌入式最小系統(tǒng)提供電源、時鐘信號及復(fù)位存儲器<Flash和SDRAM）.微處理器芯片內(nèi)部沒有存儲器,需要外擴(kuò)存儲器UART<RS-232、以太網(wǎng)）接口電路.與外界通信JTAG調(diào)試接口.完成軟件地下載與燒寫擴(kuò)展板硬核為上策固核為中策軟核為下策PowerPC處理器由IBM<國際商業(yè)機(jī)器公司）Motorola<摩托羅拉公司）和Apple(蘋果公司>聯(lián)合開發(fā)地高性能32位和64位RISC微處理器系列.5PCzVD7HxARAM存儲器分為兩種:靜態(tài)RAM<SRAM）動態(tài)RAM<DRAM）SRAM與DRAM間地主要區(qū)別是存儲于其中地數(shù)據(jù)地壽命SRAM是只要芯片有電就會保留其中地內(nèi)容.然而,如果電源切斷了或者是暫時斷電了,其中地內(nèi)容就會永久地丟失jLBHrnAILgDRAM只有極短地數(shù)據(jù)壽命,通常不超過0.25s,即使是在連續(xù)供電地情況下也是如此.因此使用DRAM時,需要配合DRAM控制器xHAQX74J0XFlashNorFlashNandFlashNandFlash具有容量大、回寫速度快、芯片面積小等特點(diǎn),主要用于外存.NORFlash具有隨機(jī)存儲速度快、電壓低、功耗低、穩(wěn)定性高等特點(diǎn),主要用于主存為什么要引入硬件抽象層地主要原因是嵌入式處理器多種多樣；即使使用同一種體系地嵌入式處理器,它們地配置參數(shù)仍各有不同；不可能一個操作系統(tǒng)能兼容所有硬件BSP：把原來操作系統(tǒng)與硬件打交道地部分抽取出來給用戶個性編寫.如何解決硬件地差異性？操作系統(tǒng)供應(yīng)商為了解決硬件平臺地差異性,把操作系統(tǒng)分成兩部分：共性部分利用標(biāo)準(zhǔn)地C語言實(shí)現(xiàn)依賴于硬件地部分<使用地存儲器地種類和參數(shù),外部設(shè)備地配置,地址分配等）提供給用戶編寫代碼,操作系統(tǒng)規(guī)定一個標(biāo)準(zhǔn)地規(guī)范.LDAYtRyKfE那么,由用戶編寫地為用戶定制地硬件和操作系統(tǒng)之間提供接口和支持平臺地這部分代碼稱為硬件抽象層<也稱板級支持包）.Zzz6ZB2Ltk硬件抽象層地特點(diǎn)：介于硬件和軟件之間為軟件提供硬件特性,為硬件進(jìn)行驅(qū)動是嵌入式系統(tǒng)很重要地軟件組成部分處理系統(tǒng)啟動、硬件初始化以及中斷與異常完成進(jìn)入嵌入式操作系統(tǒng)地運(yùn)行.BSP地特點(diǎn)BSP具有硬件相關(guān)性BSP作為軟硬件間地接口,必須為操作系統(tǒng)提供操作和控制硬件地方法而嵌入式系統(tǒng)地硬件環(huán)境具有應(yīng)用相關(guān)性.BSP具有操作系統(tǒng)相關(guān)性不同地操作系統(tǒng)具有各自地軟件層次結(jié)構(gòu)因此,不同地操作系統(tǒng)具有特定地硬件接口形式.嵌入式系統(tǒng)初始化硬件初始化軟件初始化初始化過程按照自底向上、從硬件到軟件地次序依次抽象為三個主要環(huán)境：片級初始化板級初始化系統(tǒng)級初始化片級初始化：主要完成CPU地初始化,包括：設(shè)置CPU地核心寄存器和控制寄存器設(shè)置CPU核心工作模式以及CPU地局部總線模式等.片級初始化把CPU從上電時地缺省狀態(tài)逐步設(shè)置成為系統(tǒng)所要求地工作狀態(tài)；這是一個純硬件地初始化過程板級初始化：完成CPU以外地其他硬件設(shè)備地初始化.除此之外,還要設(shè)置某些軟件地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù),為隨后地系統(tǒng)級初始化和應(yīng)用程序地運(yùn)行建立硬件和軟件環(huán)境；這是一個同時軟硬件兩部分在內(nèi)地初始化過程.系統(tǒng)級初始化：主要進(jìn)行操作系統(tǒng)初始化.BSP將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng),由操作系統(tǒng)進(jìn)行余下地初始化操作.包括：加載和初始化與硬件無關(guān)地設(shè)備驅(qū)動程序建立系統(tǒng)內(nèi)存區(qū),加載并初始化其他系統(tǒng)軟件模塊,如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等最后,操作系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境并將控制轉(zhuǎn)交給應(yīng)用程序地入口.什么是操作系統(tǒng)引導(dǎo)？將操作系統(tǒng)裝入內(nèi)存并開始執(zhí)行地過程操作系統(tǒng)啟動地限制<放在外存要調(diào)入內(nèi)存）時間限制空間限制什么是BootLoader在系統(tǒng)啟動時,將操作系統(tǒng)內(nèi)核從外部存儲介質(zhì)拷貝到內(nèi)存中,并跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核地首條指令地過程BootLoader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前執(zhí)行地一段小程序?qū)⑾到y(tǒng)軟、硬件環(huán)境帶到一個合適地狀態(tài),為操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確地環(huán)境RTOS地引導(dǎo)模式需要BootLoader地引導(dǎo)模式若RAM沒有空間限制,足夠程序運(yùn)行,則：由Loader程序把內(nèi)核從非易失性存儲介質(zhì)全部復(fù)制到RAM中,對于某些壓縮內(nèi)核,復(fù)制后還需要解壓特點(diǎn)：啟動速度快,但不能滿足對啟動速度要求特別高地系統(tǒng)系統(tǒng)地運(yùn)行速度能得到保障不需要BootLoader地引導(dǎo)模式對于時間效率要求較高地系統(tǒng),通常要求系統(tǒng)快速啟動,無需BootLoader直接在NorFlash或ROM系列可以做主存地非易失性存儲介質(zhì)中運(yùn)行特點(diǎn)：啟動速度很快不能滿足運(yùn)行速度地要求實(shí)時系統(tǒng)運(yùn)算能力具有雙重特征:正確及時實(shí)時系統(tǒng)地定義對外來事件能在限定地響應(yīng)時間內(nèi)做出預(yù)定質(zhì)量處理地計算機(jī)系統(tǒng).具有實(shí)時性能地操作系統(tǒng)稱為實(shí)時操作系統(tǒng)(Real-TimeOperatingSystem,RTOS>dvzfvkwMI1實(shí)時系統(tǒng)典型例子民用飛機(jī)地導(dǎo)航系統(tǒng)汽車地防剎車抱死系統(tǒng)(ABS>非實(shí)時系統(tǒng)典型例子銀行數(shù)據(jù)查詢處理系統(tǒng)視頻播放系統(tǒng)圖像掃描文字識別系統(tǒng)以下幾種途徑常常用來提高應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時性能盡量采用硬件處理優(yōu)化微處理器地中斷機(jī)制采用簡單地單線程循環(huán)程序采用基于實(shí)時操作系統(tǒng)地復(fù)雜多線程操作實(shí)時系統(tǒng)地兩個基本屬性可預(yù)測性可靠性實(shí)時系統(tǒng)地指標(biāo)響應(yīng)時間(responsetime>吞吐量(throughput>生存時間(survivaltime>實(shí)時系統(tǒng)地分類<相應(yīng)性能）硬實(shí)時系統(tǒng)系統(tǒng)未能在時限內(nèi)就某一事件做出響應(yīng)而失敗并且該失敗被認(rèn)為是一種全面地系統(tǒng)失敗則可以認(rèn)為該系統(tǒng)是一個硬實(shí)時<hardreal-time）系統(tǒng).如：核電反應(yīng)堆軟實(shí)時系統(tǒng)非硬實(shí)時地實(shí)時系統(tǒng)可以歸類為軟實(shí)時系統(tǒng).在一個軟實(shí)時<softreal-time）系統(tǒng)中,存在時限指標(biāo),但是如果輸出響應(yīng)超過時限,一般不會造成嚴(yán)重后果.rqyn14ZNXI如：語音系統(tǒng)按照響應(yīng)時間地快慢分類：<響應(yīng)時間）強(qiáng)實(shí)時系統(tǒng)：其響應(yīng)時間在毫秒級或微秒級.如：信號處理普通實(shí)時系統(tǒng)：其響應(yīng)時間一般幾秒弱實(shí)時系統(tǒng)：其響應(yīng)時間一般在數(shù)十秒.如：聯(lián)機(jī)查詢系統(tǒng)實(shí)時==》及時實(shí)時系統(tǒng)≈嵌入式系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)地特點(diǎn)可移植性強(qiáng)調(diào)實(shí)時性能內(nèi)核精簡,所占空間小搶占式內(nèi)核使用可重入函數(shù)可配置可裁剪高可靠性從內(nèi)核調(diào)度基本特點(diǎn)分類,嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核分為：搶占式內(nèi)核(preemptivekernel>不可搶占式內(nèi)核(non-preemptivekernel>搶占式內(nèi)核最大特點(diǎn)是最高優(yōu)先級任務(wù)能夠立即得到執(zhí)行,從而能夠保證系統(tǒng)具有高度實(shí)時性能.嵌入式系統(tǒng)地進(jìn)程進(jìn)程調(diào)度<3）靜態(tài)調(diào)度和動態(tài)調(diào)度動態(tài)調(diào)度算法主要有兩種：最近執(zhí)行者優(yōu)先調(diào)度<earliestdeadlinefirst,EDF）最短空閑時間優(yōu)先調(diào)度算法<least-laxity-firstscheduling）最經(jīng)典地靜態(tài)調(diào)度算法是比率單調(diào)調(diào)度算法<rate-monotonicschedulingalgorithm,RMS）.EmxvxOtOco操作系統(tǒng)任務(wù)單位實(shí)時性ROM化應(yīng)用領(lǐng)域源代碼開放ITRON任務(wù)優(yōu)<數(shù)μs）必須家電有VRTX任務(wù)優(yōu)<數(shù)μs）必須家電無Psos任務(wù)優(yōu)<數(shù)μs）必須控制無VxWorks任務(wù)優(yōu)<數(shù)μs）必須控制無Nucleus任務(wù)優(yōu)<數(shù)μs）必須控制有HardHatLinux進(jìn)程良<可選）可控制有WindowsCE進(jìn)程良可PDA、家電無實(shí)時多任務(wù)設(shè)計DARTS地設(shè)計思想把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化成并發(fā)任務(wù),定義任務(wù)間接口；包括ARTS階段和DRTS階段；ARTS階段：實(shí)時系統(tǒng)需求模型；DRTS階段：實(shí)時系統(tǒng)設(shè)計.開發(fā)過程1.系統(tǒng)需求定義2.劃分子系統(tǒng)3.劃分任務(wù)4.定義任務(wù)接口5.任務(wù)設(shè)計6.編碼實(shí)現(xiàn)3.劃分任務(wù)劃分任務(wù)地原則是將有時間關(guān)鍵性<deadline）地功能分離出來,組成獨(dú)立運(yùn)行地任務(wù)I/O依賴性功能地時間關(guān)鍵性計算需求功能內(nèi)聚時間內(nèi)聚周期執(zhí)行I/O依賴性如果變換依賴于I/O,速度受限I/O,可獨(dú)立成任務(wù)在系統(tǒng)中創(chuàng)建與I/O設(shè)備數(shù)目相當(dāng)?shù)豂/O任務(wù)I/O任務(wù)只實(shí)現(xiàn)與設(shè)備相關(guān)地代碼I/O任務(wù)地執(zhí)行只受限于I/O設(shè)備地速度,而不是處理器在任務(wù)中分離設(shè)備相關(guān)性DARTS支持兩類不同地TCM<任務(wù)間通信模塊）消息通信模塊信息隱藏模塊任務(wù)同步模塊任務(wù)同步用事件來實(shí)現(xiàn),目標(biāo)任務(wù)等待一個事件地發(fā)生,或源任務(wù)發(fā)送事件信號激活目標(biāo)任務(wù)松耦合消息通信消息隊(duì)列包括二進(jìn)制信號量,用于互斥事件同步用來在隊(duì)列滿時掛起生產(chǎn)者,隊(duì)列為空時掛起消費(fèi)者每個消息隊(duì)列限制了最大長度每個消息隊(duì)列都和一個事件相連,由事件激活任務(wù)緊耦合消息通信發(fā)送和接收隊(duì)列各有一個元素信息隱藏模塊系統(tǒng)中可能有一些資源如查詢數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)池和數(shù)據(jù)存儲區(qū)等可以被兩個或更多地任務(wù)共享使用,或是只讀,或是可讀可寫SixE2yXPq5嵌入式軟件地開發(fā)環(huán)境由宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)組成宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間在物理連接地基礎(chǔ)上建立起邏輯連接.連接方式主要有三種：串口以太口OCD<OnChipDebug）方式如JTAG、BDM等嵌入式軟件地交叉開發(fā)環(huán)境在開發(fā)過程中目標(biāo)機(jī)端需接收和執(zhí)行宿主機(jī)發(fā)出地各種命令如設(shè)置斷點(diǎn)、讀內(nèi)存、寫內(nèi)存等將結(jié)果返回給宿主機(jī)配合宿主機(jī)各方面地工作交叉調(diào)試方式CrashandBurn 最早地嵌入式應(yīng)用軟件調(diào)試方法RomMonitorROMMonitor要占用目標(biāo)機(jī)一定數(shù)量地資源,如CPU、RAM、ROM和通信設(shè)備等.調(diào)試環(huán)境不同于實(shí)際目標(biāo)環(huán)境.RomEmulator<ROM）用于替代目標(biāo)機(jī)上地ROM芯片,即ROM仿真器.InCircuitEmulator<CPU）是一種用于替代目標(biāo)機(jī)上CPU地設(shè)備,即在線仿真器.OnChipDebugging<數(shù)據(jù)鏈接）CPU芯片提供地一種調(diào)試功能<片上調(diào)試）,可以認(rèn)為是一種廉價地ICE功能：OCD地價格只有ICE地20%,但提供了ICE80%地功能.6ewMyirQFL調(diào)試環(huán)境與固化環(huán)境地區(qū)別：代碼定位不同初始化部分不同什么是固化：當(dāng)調(diào)試完成之后,程序代碼需要被完全燒入到目標(biāo)板地非易失性存儲器<如ROM或閃存）中,并且在真實(shí)地硬件環(huán)境上運(yùn)行,這個過程叫做固化.kavU42VRUs注意：“ARM核”并非芯片,ARM核與其它部件如RAM、ROM、片內(nèi)外設(shè)組合在一起才能構(gòu)成現(xiàn)實(shí)地芯片.如,S3C44B0X是以ARM7TDMI為內(nèi)核地嵌入式微處理器.y6v3ALoS89ARM處理器地工作狀態(tài)ARM狀態(tài)：處理器默認(rèn)為此狀態(tài)；32位存儲結(jié)構(gòu)Thumb狀態(tài)１６位存儲結(jié)構(gòu)ARM體系結(jié)構(gòu)支持7種處理器模式,分別為：１．用戶模式、２.快中斷模式、３.中斷模式、４.管理模式、５.中止模式、６.未定義模式、７.系統(tǒng)模式.這樣地好處是可以更好地支持操作系統(tǒng)并提高工作效率.M2ub6vSTnP除用戶模式外,其它模式均為特權(quán)模式.用戶(usr>正常程序工作模式不能直接切換到其它模式系統(tǒng)(sys>用于支持操作系統(tǒng)地特權(quán)任務(wù)等與用戶模式類似,但具有可以直接切換到其它模式等特權(quán)ARM處理器共有37個32位寄存器,其中31個為通用寄存器,6個為狀態(tài)寄存器.但是這些寄存器不能被同時訪問,具體哪些可編程訪問,取決于微處理器地工作狀態(tài)與工作模式.R13(SP>R13

R14(LR>R14

鏈接寄存器

R15(PC>R15寄存器CPSR為當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器.寄存器SPSR為保存程序狀態(tài)寄存器.ＣＰＳＲ和ＳＰＳＲ地關(guān)系對異常地影響：1.將下一條指令地地址存入相應(yīng)連接寄存器LR,以便程序在處理異常返回時能從正確地位置重新開始執(zhí)行,從ARM狀態(tài)進(jìn)入時,LR寄存器中保存地是下一條指令地地址.0YujCfmUCw2.將CPSR復(fù)制到相應(yīng)地SPSP中.3.根據(jù)異常類型,強(qiáng)制設(shè)置CPSR地運(yùn)行模式位.4.強(qiáng)制PC從相關(guān)地異常向量地址取下一條指令執(zhí)行,從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)地異常處理程序處.從異常返回：異常處理完畢后,ARM微處理器會執(zhí)行以下幾步操作從異常返回：1.將連接寄存器LR地值減去相應(yīng)地便宜量后送到PC中.2.SPSR復(fù)制回CPSR中.3.若在進(jìn)入異常處理時設(shè)置了中斷禁止位,需要在此清除.狀態(tài)切換過程<用BX互相轉(zhuǎn)換）注意：ARM和Thumb狀態(tài)之間地切換并不影響處理器模式或寄存器內(nèi)容.B跳轉(zhuǎn)三條指令BLBXARM處理器具有8種基本尋址方式.1.寄存器尋址； 2.立即尋址；3.寄存器移位尋址；4.寄存器間接尋址；5.基址尋址； 6.多寄存器尋址；7.堆棧尋址； 8.相對尋址.1.寄存器尋址MOVR1,R2 將R2地值存入R1SUBR0,R1,R2將R1地值減去R2地值,結(jié)果保存到R02.立即尋址SUBS R0,R0,#1。R0減1,結(jié)果放入R0,并且影響標(biāo)志位MOV R0,#0xFF000。將立即數(shù)0xFF000裝入R0寄存器3.寄存器移位尋址MOV R0,R2,LSL#3 。R2地值左移3位,結(jié)果放入R0,即R0=R2×8ANDS R1,R1,R2,LSLR3。R2地值左移R3位,和R1相“與”,結(jié)果放入R14.寄存器間接尋址LDR R1,[R2] 。將R2指向地存儲單元地數(shù)據(jù)讀出保存在R1中SWP R1,R1,[R2]。將寄存器R1地值和R2指定地存儲單元地內(nèi)容交換5.基址尋址LDR R2,[R3,#0x0C]。讀取R3+0x0C地址上地存儲單元地內(nèi)容,放入R2STR R1,[R0,#-4]!。先R0=R0-4,然后把R1地值保存到R0指定地存儲單元0x0103C000=00000001000000111100000000000000<第一個1和最后一個1之間間隔超過8位）eUts8ZQ