操作系統(tǒng)原理與實(shí)踐教程(第四版)習(xí)題及答案 第10章

第10章嵌入式操作系統(tǒng)說明嵌入式系統(tǒng)的定義。答：關(guān)于嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有多種不同的定義：(1)從應(yīng)用的角度可定義為：嵌入式系統(tǒng)是控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置。(2)從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分類角度：可將除大型機(jī)和個人計(jì)算機(jī)以外的其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)稱為嵌入式系統(tǒng)。(3)從服務(wù)對象的角度：可將嵌入式系統(tǒng)定義為可多設(shè)備或系統(tǒng)聯(lián)合為一個用戶服務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。(4)從技術(shù)的角度：可認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)是一個以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)并融合了通信、微電子、機(jī)械和自動控制等技術(shù)，面向應(yīng)用需求對軟硬件進(jìn)行裁剪，以滿足其對功能、可靠性、實(shí)時性、成本、體積、功耗和運(yùn)行環(huán)境的特殊要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在許多應(yīng)用場景中，嵌入式系統(tǒng)還可能是一個大型系統(tǒng)或產(chǎn)品的重要組成部分。(2)比較嵌入式系統(tǒng)和個人計(jì)算機(jī)的異同。答：嵌入式系統(tǒng)在以下方面與個人計(jì)算機(jī)存在不同：(1)外形個人計(jì)算機(jī)通常由主機(jī)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等設(shè)備組成，其外形基本一致，且作為一個獨(dú)立的系統(tǒng)供用戶使用。而嵌入式系統(tǒng)則很少獨(dú)立出現(xiàn)，它會隱藏在各類產(chǎn)品或設(shè)備中，其外形也因產(chǎn)品或設(shè)備的功能不同而變化多端。(2)功能：個人計(jì)算機(jī)通常具有通用且復(fù)雜多樣的功能，是供個人使用的多用途計(jì)算機(jī)，滿足用戶的工作、娛樂、學(xué)習(xí)等多樣化的應(yīng)用需求。而嵌入式系統(tǒng)的功能則具有專用性，每個系統(tǒng)的具體功能與其所在的產(chǎn)品或設(shè)備的主體功能息息相關(guān)，通常為專有硬件平臺而定制。(3)資源：個人計(jì)算機(jī)擁有的資源更為豐富全面，可滿足用戶不斷變化的應(yīng)用要求。而嵌入式系統(tǒng)受限于所在產(chǎn)品和設(shè)備本身的資源組成，能夠管理的資源有限，甚至為了滿足低功耗要求，還要主動縮減和復(fù)用資源。(4)功耗：個人計(jì)算機(jī)當(dāng)前的功耗通常為幾十瓦。而嵌入式系統(tǒng)通常是小型甚至微型的應(yīng)用系統(tǒng)，如無人機(jī)、手機(jī)等，為保證其便攜性，通常無法配置大體積和大容量的電源，因此低功耗一直是嵌入式系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)之一。(5)價(jià)值：評價(jià)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的價(jià)值的指標(biāo)不盡相同。對于大型機(jī)和個人計(jì)算機(jī)，人們更關(guān)注其存儲能力和計(jì)算能力。而對于嵌入式系統(tǒng)，由于其功能的專用性和定制性，人們經(jīng)常用其所在的產(chǎn)品或設(shè)備的性能來評價(jià)其優(yōu)劣。說明嵌入式硬件系統(tǒng)的組成。答：嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺通常由嵌入式存儲器、嵌入式處理器、嵌入式I/O接口、嵌入式I/O設(shè)備組成。嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的硬件核心，嵌入式存儲器則負(fù)責(zé)儲存程序和數(shù)據(jù)，它們通過總線連接，并通過嵌入式I/O接口與各類I/O設(shè)備相聯(lián)系。說明嵌入式控制軟件的結(jié)構(gòu)？答：與通用操作系統(tǒng)的發(fā)展不同，有些功能較為簡單的嵌入式產(chǎn)品可以僅使用引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序完成用戶需求。引導(dǎo)程序在硬件系統(tǒng)上電后啟動，完成系統(tǒng)自檢、存儲映射、時鐘系統(tǒng)和I/O接口配置等一系列硬件初始化操作。應(yīng)用程序則是直接運(yùn)行于硬件之上，在引導(dǎo)程序之后運(yùn)行，用于實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的核心功能。這些運(yùn)行于嵌入式硬件平臺上的軟件被統(tǒng)稱為嵌入式控制軟件。嵌入式控制軟件通常采用前后臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這個結(jié)構(gòu)由一個無限循環(huán)和若干終端服務(wù)程序組成：應(yīng)用程序是一個無限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成特定操作（后臺），中斷服務(wù)程序用于處理系統(tǒng)的異步事件（前臺）。因此前臺也被稱為終端級，后臺是任務(wù)級。說明具備操作系統(tǒng)的嵌入式軟件的架構(gòu)。答：具備操作系統(tǒng)的嵌入式軟件通常由設(shè)備管理層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用程序?qū)咏M成。（1）設(shè)備管理層：設(shè)備管理層由引導(dǎo)加載程序和設(shè)備驅(qū)動程序兩部分組成。①引導(dǎo)加載程序：除與嵌入式控制軟件的引導(dǎo)程序同樣具備硬件初始化功能外，引導(dǎo)加載程序還要加載和啟動嵌入式操作系統(tǒng)。②設(shè)備驅(qū)動程序：是一組設(shè)備管理相關(guān)的庫函數(shù)，用來對硬件進(jìn)行初始化和管理，并為上層軟件提供透明的設(shè)備操作接口。設(shè)備驅(qū)動程序主要包括硬件配置、中斷響應(yīng)、數(shù)據(jù)I/O等基本功能函數(shù)和錯誤處理函數(shù)。（2）操作系統(tǒng)層近年來，嵌入式操作系統(tǒng)組成從僅內(nèi)核發(fā)展到除內(nèi)核外還具備嵌入式文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、圖形界面等功能模塊，具有可裁剪、可移植和資源有限等特點(diǎn)。內(nèi)核是嵌入式操作系統(tǒng)的核心，用于完成任務(wù)調(diào)度、管理和通信，存儲管理和時間管理等嵌入式操作系統(tǒng)的基本功能。嵌入式文件系統(tǒng)是嵌入式操作系統(tǒng)中用于管理文件的軟件模塊。嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議則是為支持嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能配備，通常由網(wǎng)絡(luò)通信控制器硬件和協(xié)議棧軟件共同組成。而隨著智能手機(jī)等智能移動終端的不斷發(fā)展和應(yīng)用，嵌入式圖形用戶界面（GUI）也為上層應(yīng)用程序提供了大量功能調(diào)用，用以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。根據(jù)用戶的應(yīng)用需求的不同，嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)人員可以在內(nèi)核基礎(chǔ)上添加相關(guān)功能模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能定制和裁剪。(3)應(yīng)用程序?qū)討?yīng)用程序?qū)邮腔诓僮飨到y(tǒng)層的多個獨(dú)立程序組成的軟件集合。每個程序完成特定的任務(wù)。由于當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核功能豐富全面，因此許多嵌入式系統(tǒng)開發(fā)都采用在特定嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核上進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)的形式，開發(fā)人員的主要工作任務(wù)是在應(yīng)用程序?qū)油瓿扇蝿?wù)劃分、任務(wù)設(shè)計(jì)、任務(wù)同步和通信。說明嵌入式操作系統(tǒng)的特征。答：嵌入式操作系統(tǒng)面向的是專用硬件平臺、實(shí)現(xiàn)特定用戶的任務(wù)需求，因此具有如下特征。專用性：嵌入式操作系統(tǒng)通常運(yùn)行于專有硬件平臺、按照特定應(yīng)用需求設(shè)計(jì)、完成指定功能，并不具備通用性?？刹眉粜裕菏芏喾矫嬉蛩赜绊懀度胧较到y(tǒng)有時不能使用通用系統(tǒng)的全部功能。因此在設(shè)計(jì)時可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求對通用系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，使得系統(tǒng)以最小代碼量、最優(yōu)配置滿足用戶需求。實(shí)時性：嵌入式系統(tǒng)通常對實(shí)時性要求比較高，不同的嵌入式操作系統(tǒng)使用了各不相同的手段，以確保任務(wù)滿足截止時間要求。大部分的嵌入式系統(tǒng)都屬于硬實(shí)時系統(tǒng)，即必須在截止時間內(nèi)完成任務(wù)需求。微型化：由于受到體積限制和實(shí)時性要求，許多嵌入式系統(tǒng)不可能提供如微型機(jī)那樣大的內(nèi)外存空間，因此其體量必然不能像大型機(jī)甚至微型機(jī)系統(tǒng)那樣龐大。高可靠性：嵌入式系統(tǒng)對可靠性的要求比通常的個人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要高。高可移植性：嵌入式系統(tǒng)通常會在一系列功能相似的嵌入式硬件上運(yùn)行。為滿足不同硬件或不同應(yīng)用場合的特殊需求，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)該能在簡單修改后就可以在不同的環(huán)境中正確有效地運(yùn)行，即嵌入式系統(tǒng)應(yīng)具有可移植性，不依賴于特定硬件。工具和環(huán)境依賴性：嵌入式操作系統(tǒng)對于硬件