嵌入式實時操作系統(tǒng).doc

1、嵌入式系統(tǒng)的定義和三要素：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，應(yīng)用系統(tǒng)對功能，可靠性，成本，體積和功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。(1) 系統(tǒng)級，(2) 板級， (3) 芯片級。2、實時操作系統(tǒng)的定義，硬實時與軟實時的區(qū)分，各自的特點是？1) 實時系統(tǒng)的定義：一般地說，實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)在限定的時間內(nèi)能夠提供所需要的服務(wù)水平的系統(tǒng)。實時系統(tǒng)根據(jù)對于實時性要求的不同，可以分為軟實時和硬實時兩種類型。軟實時系統(tǒng)要求各個任務(wù)運行得越快越好，但并不苛求任務(wù)運行的時限。如果系統(tǒng)特定的時序得不到滿足，只會引起性能的嚴重下降，并不產(chǎn)生嚴重后果。硬實時系統(tǒng)不僅要求各個任務(wù)執(zhí)行無誤，而且要求執(zhí)行準時，如果特定的時序得不到滿足，將會引起災(zāi)難性的后果。3、嵌入式操作系統(tǒng)伴隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了四個比較明顯的階段。第一階段：無操作系統(tǒng)的嵌入算法階段，通過匯編語言編程對系統(tǒng)進行直接控制，運行結(jié)束后清除內(nèi)存。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶接口，比較適合于各類專用領(lǐng)域。第二階段：以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。CPU 種類繁多，通用性比較差；系統(tǒng)開銷小，效率高；一般配備系統(tǒng)仿真器，操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)，用戶界面不夠友好；操作系統(tǒng)主要用來控制系統(tǒng)負載以及監(jiān)控應(yīng)用程序運行。第三階段：通用的嵌入式實時操作系統(tǒng)階段。以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)能運行于各種類型的微處理器上，兼容性好；內(nèi)核精小、效率高，具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應(yīng)用程序接口；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。第四階段：以Internet為標志的嵌入式實時操作系統(tǒng)開始向網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)方向發(fā)展，這是一個正在迅速發(fā)展的階段。4、通用操作系統(tǒng)與實時操作系統(tǒng)區(qū)別。 (1)設(shè)計目標不同。(2) 調(diào)度原則不同。(3) 內(nèi)存管理機制不同。(4) 穩(wěn)定性及交互性不同。(5) 實時性不同。5、嵌入式操作系統(tǒng)主要構(gòu)成部分，核心是，其定義、功能通常嵌入式操作系統(tǒng)由內(nèi)核(Kernel)、文件系統(tǒng)、存儲器管理系統(tǒng)、I/O管理系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和標準化瀏覽器等部分組成，。內(nèi)核是多任務(wù)系統(tǒng)中的核心部分，提供多任務(wù)，為多任務(wù)分配CPU時間，提供任務(wù)管理與調(diào)度、時間管理、任務(wù)間通信和同步、內(nèi)存管理等重要服務(wù)，并作為系統(tǒng)調(diào)用提供給任務(wù)的使用者。內(nèi)核的基本任務(wù)是任務(wù)調(diào)度和任務(wù)間通信。實時內(nèi)核主要有可剝奪型內(nèi)核和不可剝奪型內(nèi)核兩種。內(nèi)核允許將系統(tǒng)分成多個獨立的任務(wù)，每個任務(wù)處理程序的一部分，從而簡化系統(tǒng)的設(shè)計過程。一個好的實時內(nèi)核需要具備以下功能和特點： 任務(wù)管理； 任務(wù)間可以進行同步和通信； 實時時鐘服務(wù)； 中斷管理服務(wù)； 操作系統(tǒng)的行為是可知的和可預測的。1、什么是前后臺系統(tǒng)前后臺系統(tǒng)一般由前臺(Foreground)和后臺(Background)兩部分程序組成。后臺是一個無限循環(huán)的應(yīng)用程序，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)函數(shù)完成相應(yīng)的操作，各個任務(wù)依次運行，沒有調(diào)度，運行的次序不能改變。前臺是中斷服務(wù)程序，處理異步事件。后臺一般也叫任務(wù)級，前臺也叫中斷級。2、基本的調(diào)度算法和什么是臨界區(qū)先來先服務(wù)，最短周期優(yōu)先，優(yōu)先級法，輪轉(zhuǎn)法。用于訪問臨界資源的代碼段稱為臨界區(qū)。3、什么是任務(wù)切換？定義？任務(wù)有幾個狀態(tài)？所謂任務(wù)切換(Context Switch或者Task Switch)，實際上是模擬一次中斷過程，從而實現(xiàn)CPU使用權(quán)的轉(zhuǎn)移。每個任務(wù)都有自己獨立的堆棧，稱之為任務(wù)棧，用于保存任務(wù)的當前狀態(tài)和所有寄存器內(nèi)容。當內(nèi)核決定運行另一個任務(wù)時，首先入棧，將當前任務(wù)用到的所有寄存器內(nèi)容以及當前狀態(tài)保存到自己的任務(wù)棧中去，然后像中斷返回一樣，將下一個將要運行的任務(wù)的所有寄存器內(nèi)容和狀態(tài)從該任務(wù)的任務(wù)棧中彈出，重新裝入CPU的寄存器，任務(wù)即恢復到掛起前的狀態(tài)，并開始執(zhí)行。這個過程就是任務(wù)切換。休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài))和被中斷態(tài)五種狀態(tài)。4、什么是死鎖？產(chǎn)生的根本原因？產(chǎn)生死鎖的4個必要條件？預防的基本思想？死鎖又稱抱死，是指兩個或者更多的任務(wù)相互等待對方占有的資源而無限期地僵持下去的局面。產(chǎn)生死鎖的根本原因在于：系統(tǒng)資源不足，任務(wù)運行推進的順序不合理，資源分配不恰當?shù)取Ｋ梨i產(chǎn)生有四個必要的條件： 互斥條件，系統(tǒng)中某些資源只能獨占使用； 非搶占條件，系統(tǒng)中某些資源僅能被它的占有者所釋放，而不能被別的任務(wù)強行搶占； 占有并等待條件，系統(tǒng)中的某些任務(wù)已占有了分給它的資源，但仍然等待其它資源； 循環(huán)等待條件，系統(tǒng)中由若干任務(wù)形成的環(huán)形請求鏈，每個任務(wù)均占有若干種資源中的某一種，同時還要求(鏈上)下一個任務(wù)所占有的資源。必要的條件具備后，當任務(wù)推進順序不合理時，死鎖就發(fā)生了。死鎖預防的基本思想：打破產(chǎn)生死鎖的四個必要條件中的一個或幾個。預防死鎖的策略：資源預先分配策略、資源有序分配策略。 (1) 資源預先分配策略： (2) 資源有序分配策略：5、內(nèi)核的定義和基本任務(wù)和分類？內(nèi)核是多任務(wù)系統(tǒng)中的核心部分，提供多任務(wù)分配cpu時間，提供任務(wù)管理與調(diào)度，時間管理通信與同步，內(nèi)存管理等重要服務(wù)，并作為系統(tǒng)供給任務(wù)的使用者。內(nèi)核的基本任務(wù)是任務(wù)調(diào)度與任務(wù)間的通信。不可剝奪型內(nèi)核(Non-Preemptive Kernel)的特點是運行的任務(wù)占有CPU的絕對使用權(quán)，若不自我放棄，準備就緒的高優(yōu)先級任務(wù)不能搶占CPU的使用權(quán)。使用可剝奪型內(nèi)核，準備就緒的最高優(yōu)先級任務(wù)總能得到CPU的使用權(quán)。6、什么是互斥？本質(zhì)？滿足互斥最一般的方法有？任務(wù)間通信的最簡單方法就是使用共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者共享變量，為了防止任務(wù)在使用共享資源時破壞數(shù)據(jù)，資源必須獨占使用。這種獨占使用資源的方法稱為互斥，互斥的本質(zhì)是為了有序地利用資源。滿足互斥最一般的方法有：禁止中斷、禁止搶占、利用信號量和測試并置位等。7、通信？常用的通信方法？同步？同步的方式？常用的同步方法？任務(wù)與任務(wù)之間或者任務(wù)與中斷服務(wù)之間的信息傳遞稱為任務(wù)間的通信。任務(wù)間的通信機制是多任務(wù)之間相互同步和協(xié)調(diào)各活動的主要手段。任務(wù)間信息的傳遞有兩個途徑：通過全程變量或發(fā)消息給另一個任務(wù)。常用的通信方法主要有全局變量、信號量、消息郵箱、消息隊列、事件標志組和內(nèi)存塊。在實時系統(tǒng)中，一個工作的完成往往需要多個任務(wù)或者多個任務(wù)與多個任務(wù)中斷共同完成，它們之間必須互相配合，協(xié)調(diào)動作，甚至交換信息，就要用到同步技術(shù)。同步可以是任務(wù)與任務(wù)之間的同步，也可以是任務(wù)與中斷之間的同步。同步的方式有單向同步和雙向同步。同步的方法有信號量，事件標志組，消息郵箱，消息隊列。1、什么是任務(wù)控制塊？有何功能？任務(wù)控制塊(Task Control Blocks，OS_TCB)是一個用來保存任務(wù)各種狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它可以實現(xiàn)如下功能： 一旦任務(wù)建立，任務(wù)控制塊OS_TCB就會被賦值； 當任務(wù)的CPU使用權(quán)被剝奪時，任務(wù)控制塊用來保存該任務(wù)的狀態(tài)； 當任務(wù)重新得到CPU使用權(quán)時，任務(wù)控制塊能確保任務(wù)從當時被中斷的那一點絲毫不差地繼續(xù)執(zhí)行。OS_ TCB全部駐留在RAM中。2、任務(wù)調(diào)度的功能有哪些方式？任務(wù)的調(diào)度機制是內(nèi)核的核心。C/OS-的調(diào)度器主要有兩個功能：一是確定進入就緒態(tài)的任務(wù)中哪個優(yōu)先級最高；二是進行任務(wù)切換。調(diào)度有兩種方式：任務(wù)級的調(diào)度是由OSSched()函數(shù)完成的；中斷級的調(diào)度是由OSIntExt()函數(shù)完成的。1、中斷定義，異步事件？中斷詳細處理過程？中斷定義為CPU對系統(tǒng)內(nèi)外發(fā)生的異步事件的響應(yīng)。異步事件是指沒有一定時序關(guān)系的、隨機發(fā)生的事件。當中斷產(chǎn)生時，由硬件向CPU 發(fā)送一個異步事件請求，CPU接收到請求后，中止當前工作，保存當前運行環(huán)境，轉(zhuǎn)去處理相應(yīng)的異步事件任務(wù)，這個過程稱為中斷。事件處理完畢后，在前后臺系統(tǒng)中，程序回到后臺程序；在不可剝奪型內(nèi)核中，程序回到被中斷了的任務(wù)；在可剝奪型內(nèi)核中，讓進入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)開始運行，若沒有高優(yōu)先級任務(wù)準備就緒，則回到被中斷了的任務(wù)。2、中斷延遲在前后臺系統(tǒng)中： 在不可剝奪型和可剝奪內(nèi)核中：3、中斷響應(yīng)在前后臺系統(tǒng)和不可剝奪型內(nèi)核中，保存寄存器以后立即執(zhí)行用戶代碼，中斷響應(yīng)由下式給出：中斷響應(yīng)=中斷延遲+保存CPU內(nèi)部寄存器的時間在可剝奪型內(nèi)核中，則要先調(diào)用一個特定的函數(shù)，通知內(nèi)核即將進行中斷服務(wù)，使得內(nèi)核可以跟蹤中斷的嵌套。對C/OS-說來，這個函數(shù)是OSIntEnter()，可剝奪型內(nèi)核的中斷響應(yīng)由下式給出：中斷響應(yīng)=中斷延遲+保存CPU內(nèi)部寄存器的時間+內(nèi)核進入中斷服務(wù)函數(shù)的執(zhí)行時間4、延時函數(shù)？程序清單4.6 OSTimeDly()函數(shù)的源代碼void OSTimeDly (INT16U ticks) if (ticks 0) /*如果加入指定一個0值，則表示不想對任務(wù)延時，函數(shù)立即返回調(diào)用者*/OS_ENTER_CRITICAL()； /*關(guān)中斷*/if (OSRdyTblOSTCBCur-OSTCBY &= OSTCBCur-OSTCBBitX) = 0) /*從就緒表中移出當前任務(wù)*/OSRdyGrp &= OSTCBCur-OSTCBBitY；OSTCBCur-OSTCBDly = ticks；/*保存節(jié)拍數(shù)，每隔一個時鐘節(jié)拍，這個成員變量數(shù)減1*/OS_EXIT_CRITICAL()； /*關(guān)中斷*/OSSched()；/*當前任務(wù)已經(jīng)掛起，任務(wù)調(diào)度程序執(zhí)行下一個優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)*/5、中斷程序流程圖1、移植的概念這里所謂的移植，就是使一個實時內(nèi)核能運行在另一種微處理器或者微控制器上。2、移植對開發(fā)工具的要求，微處理器的要求（了解）1. 移植對微處理器的要求要使C/OS-能夠正常運行，處理器和編譯器必須滿足以下五項要求：(1) 處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼；(2) 用C語言就可以實現(xiàn)開關(guān)中斷；(3) 處理器至少能支持定時中斷，中斷頻率一般在10100 Hz之間；(4) 處理器能夠支持硬件堆棧，容量可達幾KB；(5) 處理器有堆棧指針和讀/寫CPU其它寄存器、堆棧內(nèi)容或內(nèi)存的指令。2. 對移植開發(fā)工具的要求移植C/OS-，需要一個針對用戶用的CPU的C編譯器，它必須滿足如下要求：(1) C編譯器必須支持匯編語言程序。(2) C編譯器必須能支持可重入代碼，因為C/OS-是一個可剝奪型內(nèi)核。(3) C編譯器必須包括匯編器、連接器和定位器。連接器用來將經(jīng)編譯和匯編后產(chǎn)生的不同的模塊連接成目標文件。定位器用于將代碼和數(shù)據(jù)放置在目標處理器的指定內(nèi)存映射空間中。(4) C編譯器必須支持從C中打開和關(guān)閉中斷。(5) C編譯器最好支持用戶在C語言程序中嵌入?yún)R編語言，這有利于用匯編語言來直接開關(guān)中斷。3、移植的主要工作(1) 聲明11個數(shù)據(jù)類型(OS_CPU.H)；(2) 用#define聲明4個宏(OS_CPU.H)；(3) 用C語言編寫10個簡單的函數(shù)(OS_CPU_C.C)；(4) 編寫4個匯編語言函數(shù)(OS_CPU_A.ASM)。4、移植代碼的測試。目的？如何進行？方法？測試的主要順序？在代碼修改移植結(jié)束后，緊接著要進行的工作就是測試。測試的目的就是驗證所移植的代碼是否能正常地工作，這也可能是移植過程中最復雜的工作，但必不可少。測試的主要方法如下：(1) 在沒有應(yīng)用程序的情況下進行，讓內(nèi)核自己測試自己，以確保自身運行狀況沒有錯誤。這樣做有兩個好處：第一，避免使本來就復雜的事情變得更加復雜；第二，如果出現(xiàn)問題，可以知道問題出在內(nèi)核代碼上而不是應(yīng)用程序。(2) 簡單的測試代碼如程序清單10.7所示。當多任務(wù)調(diào)度運行成功后，再逐步添加應(yīng)用程序。#include includes.hvoid main()OSInit();OSStart()測試的主要順序如下：(1) 確保C編譯器、匯編編譯器及連接器正常工作；(2) 驗證OSTaskStkInit()和OSStartHighRdy()函數(shù)；(3) 驗證OSCtxSw()函數(shù)；(4) 驗證OSIntCtxSw()函數(shù)。這些測試可以用少量的任務(wù)和中斷來實現(xiàn)。5、MC51移植程序（不知道考什么）程序清單10.8 OS_CPU.H頭文件在MCS-51單片機上的移植代碼/*與編譯器有關(guān)的數(shù)據(jù)類型*/typedef unsigned char BOOLEAN; /*不能使用bit定義，因為在結(jié)構(gòu)體里無法使用*/typedef unsigned char INT8U; /*無符號8位數(shù)*/typedef signed char INT8S; /*有符號8位數(shù)*/typedef unsigned int INT16U; /*無符號16位數(shù)*/typedef signed int INT16S; /*有符號16位數(shù)*/typedef unsigned long INT32U; /*無符號32位數(shù)*/typedef signed long INT32S; /*有符號32位數(shù)*/typedef float FP32; /*單精度浮點數(shù)*/typedef double FP64; /*雙精度浮點數(shù)*/typedef unsigned char OS_STK; /*定義堆棧入口寬度為8位*/typedef unsigned char OS_CPU_SR; /*定義CPU狀態(tài)字的寬度為8位*/*與處理器有關(guān)的代碼*/#if OS_CRITICAL_METHOD = 1#define OS_ENTER_CRITICAL() EA=0 /*直接禁止中斷*/#define OS_EXIT_CRITICAL() EA=1 /*直接允許中斷*/#endif#if OS_CRITICAL_METHOD = 2#define OS_ENTER_CRITICAL() /*未用*/#define OS_EXIT_CRITICAL() /*未用*/#endif#if OS_CRITICAL_METHOD = 3#define OS_ENTER_CRITICAL() cpu_sr = IE & 0x80;IE &= 0x7F /*禁止中斷*/#define OS_EXIT_CRITICAL() IE |= cpu_sr /*允許中斷*/#endif#define OS_STK_GROWTH 0 /*MCU-51堆棧從下往上增長 1=向下，0=向上*/#define OS_TASK_SW() OSCtxSw()6、MC51移植代碼重要函數(shù)OSTaskStkInit()函數(shù)功能程序清單10.9 MCS-51的OSTaskStkInit()函數(shù)移植實例void *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *ppdata, void *ptos, INT16U opt) reentrant OS_STK *stk; ppdata = ppdata; opt = opt; /*opt沒被用到，保留此語句防止告警產(chǎn)生*/ stk = (OS_STK *)ptos; /*任務(wù)堆棧最低有效地址*/*stk+ = 15; /*任務(wù)堆棧長度*/ *stk+ = (INT16U)task & 0xFF; /*任務(wù)代碼地址低8位*/ *stk+ = (INT16U)task 8; /*任務(wù)代碼地址高8位*/ *stk+ = 0x00; /*PSW*/ *stk+ = 0x0A; /*ACC*/*stk+ = 0x0B; /*B*/ *stk+ = 0x00; /*DPL*/ *stk+ = 0x00; /*DPH*/ *stk+ = 0x00; /*R0*/ *stk+ = 0x01; /*R1*/*stk+ = 0x02; /*R2*/ *stk+ = 0x03; /*R3*/ *stk+ = 0x04; /*R4*/ *stk+ = 0x05; /*R5*/ *stk+ = 0x06; /*R6*/*stk+ = 0x07; /*R7*/ /*不用保存SP，任務(wù)切換時根據(jù)用戶堆棧長度計算得出*/ *stk+ = (INT16U) (ptos+MaxStkSize) 8;/*?C_XBP仿真堆棧指針高8位(見程序清單10.10) */ *stk+ = (INT16U) (ptos+MaxStkSize) & 0xFF;/*?C_XBP 仿真