ReWorks培訓(xùn)-核心功能分析

1、ReWorks嵌入式應(yīng)用開發(fā)中國電子科技集團公司第三十二研究所自主可控計算研究院ReWorks實時操作系統(tǒng)核心功能分析第1頁，共48頁。4.ReWorks BSP示例分析2培訓(xùn)大綱5.ReWorks核心功能介紹2.ReDe開發(fā)環(huán)境介紹3.ReWorks BSP開發(fā)7.ReWorks擴展功能介紹9.ReWorks示例分析與實驗1.ReWorks實時操作系統(tǒng)概述6.ReWorks核心功能示例分析與實驗8.ReWorks設(shè)備驅(qū)動開發(fā)第2頁，共48頁。3培訓(xùn)大綱1.ReWorks實時操作系統(tǒng)概述2.ReWorks核心功能分析3.ReWorks擴展功能分析4.ReWorks圖形系統(tǒng)分析5.ReWorks

2、板級支持包開發(fā)8.ReWorks綜合實驗7.ReDe開發(fā)環(huán)境功能分析6.ReWorks設(shè)備驅(qū)動開發(fā)ReWorks上層應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)ReWorks底層驅(qū)動開發(fā)基礎(chǔ)第3頁，共48頁。42.ReWorks核心功能分析培訓(xùn)大綱1.ReWorks實時操作系統(tǒng)概述3.ReWorks擴展功能分析4.ReWorks圖形系統(tǒng)分析5.ReWorks板級支持包開發(fā)8.ReWorks綜合實驗7.ReDe開發(fā)環(huán)境功能分析6.ReWorks設(shè)備驅(qū)動開發(fā)ReWorks上層應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)ReWorks底層驅(qū)動開發(fā)基礎(chǔ)第4頁，共48頁。5培訓(xùn)大綱時鐘/定時器管理:闡述ReWorks的系統(tǒng)時鐘、時間、定時器等基本功能。中斷/異常管理

3、:描述ReWorks對于外部事件的中斷響應(yīng)方式，以及對于CPU異常的處理機制。多任務(wù)管理 :講述ReWorks中對于多任務(wù)的調(diào)度機制，以及任務(wù)間共享資源以及同步的手段。內(nèi)存管理： 敘述實時系統(tǒng)中對于內(nèi)存的管理方法，包括對于硬件MMU的支持。12345總結(jié)： 通過幾個上機分組實驗對培訓(xùn)內(nèi)容進行歸納總結(jié)。第5頁，共48頁。6培訓(xùn)大綱時鐘/定時器管理:闡述ReWorks的系統(tǒng)時鐘、時間、定時器等基本功能。中斷/異常管理:描述ReWorks對于外部事件的中斷響應(yīng)方式，以及對于CPU異常的處理機制。多任務(wù)管理 :講述ReWorks中對于多任務(wù)的調(diào)度機制，以及任務(wù)間共享資源以及同步的手段。內(nèi)存管理： 敘述

4、實時系統(tǒng)中對于內(nèi)存的管理方法，包括對于硬件MMU的支持。12345總結(jié)： 通過幾個上機分組實驗對培訓(xùn)內(nèi)容進行歸納總結(jié)。第6頁，共48頁。7系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)時鐘是特定的周期性中斷，該中斷可以看做系統(tǒng)心臟的脈動。系統(tǒng)時鐘提供計時功能，使內(nèi)核可以將任務(wù)延時若干個整數(shù)時鐘節(jié)拍，以及當(dāng)任務(wù)等待事件發(fā)生時，提供等待超時的依據(jù)。ReWorks中缺省的時鐘頻率為100 次/秒； 高精度時戳接口 sys_timestamp() 返回當(dāng)前的時戳數(shù)； sys_timestamp_freq() 返回時戳頻率。由于不同CPU時鐘頻率的差異，在調(diào)用thread_delay等系統(tǒng)延時函數(shù)時，函數(shù)的參數(shù)避免直接指定tick數(shù)，以

5、保證等待的時間一致。1.1系統(tǒng)時鐘第7頁，共48頁。8實時時鐘RTC時間的設(shè)置和獲取 實時時鐘是硬件提供的管理系統(tǒng)日歷時間的功能，ReWorks核心針對系統(tǒng)日歷時間的操作的標準接口有：rtc_read、rtc_write, 用戶可以在這些接口里實現(xiàn)具體的RTC功能，從而可以實現(xiàn)設(shè)置、獲取及維護系統(tǒng)的日歷時間。實時時鐘1.2第8頁，共48頁。9定時器通過定時器控制塊管理，通過系統(tǒng)時鐘的計時手段提供定時觸發(fā)功能。 定時器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下圖所示：1.3定時器定時器管理第9頁，共48頁。10輔助時鐘 為了提供更高精度的定時功能，硬件可以提供輔助時鐘。主要接口函數(shù)（1）創(chuàng)建定時器 int utimer_c

6、reate(u32 *id)；（2）刪除定時器 int utimer_delete(u32 id) ；（3）啟動定時器 int utimer_start ( u32 id, int ticks, void (*func)(void *), void *arg );（4）取消定時器 int utimer_cancel (u32 id );定時器（續(xù)）1.3定時器管理第10頁，共48頁。11培訓(xùn)大綱時鐘/定時器管理:闡述ReWorks的系統(tǒng)時鐘、時間、定時器等基本功能。中斷/異常管理:描述ReWorks對于外部事件的中斷響應(yīng)方式，以及對于CPU異常的處理機制。多任務(wù)管理 :講述ReWorks中對于

7、多任務(wù)的調(diào)度機制，以及任務(wù)間共享資源以及同步的手段。內(nèi)存管理： 敘述實時系統(tǒng)中對于內(nèi)存的管理方法，包括對于硬件MMU的支持。12345總結(jié)： 通過幾個上機分組實驗對培訓(xùn)內(nèi)容進行歸納總結(jié)。第11頁，共48頁。12中斷/異常管理異常是CPU所產(chǎn)生的非預(yù)料的事件，包括如：陷阱、中斷指令、被零除、浮點指針或整數(shù)溢出、錯誤指令或地址錯誤。中斷是一種硬件機制，用于通知CPU“有異步事件發(fā)生”。中斷機制使CPU在事件發(fā)生時進行處理，而不必連續(xù)查詢是否有事件發(fā)生。2.1中斷/異常概述第12頁，共48頁。13中斷/異常管理2.1異常號異常名稱異常號異常名稱0除零異常6無效指令異常4溢出異常7浮點異常5越界異常1

8、4非法地址異常x86常見異常號系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，CPU通常通過異常號來反映具體的異常信息。以x86為例，常見的異常號如下表所示：第13頁，共48頁。14中斷是一種硬件機制，用于通知CPU“有異步事件發(fā)生”。中斷機制使CPU在事件發(fā)生時進行處理，而不必連續(xù)查詢是否有事件發(fā)生。ReWorks采用中斷處理和任務(wù)的關(guān)聯(lián)機制，使主體的中斷處理任務(wù)可運行于用戶空間。2.1外部事件響應(yīng)中斷/異常管理第14頁，共48頁。15中斷/異常管理作為其I/O處理的一部分。ISR 通常直接與一個或多個任務(wù)通信，這種通信的性質(zhì)通常是驅(qū)使一個任務(wù)運行并處理中斷條件。這類似于任務(wù)與任務(wù)的通信或同步。但有兩點重要的差別。首先，中

9、斷的優(yōu)先級高于任務(wù)，即使ISR 發(fā)送一條消息和喚醒一個高優(yōu)先級的任務(wù)使其就緒，ReWorks內(nèi)核仍然必須先返回到ISR，讓ISR完成。其次, ISR 通常是通信/同步源，它往往需要返回一個信號量，或者向任務(wù)發(fā)送一個消息或一個事件。ISR 很少會是通信匯點，它不能等待消息或事件。2.1中斷/異常概述第15頁，共48頁。16中斷服務(wù)程序（ISR）注意事項（1）ISR代碼盡量短；（2）不能調(diào)用引起系統(tǒng)阻塞的函數(shù)，如semTake、malloc、printf等；（3）鎖中斷時間應(yīng)盡量短，否則會引起中斷丟失;（4）避免在中斷服務(wù)程序中使用浮點指針操作;（5）可通過logMsg()或者輪詢輸出函數(shù)prin

10、tk打印調(diào)試信息;（6）不同中斷不要使用相同的優(yōu)先級。2.1外部事件響應(yīng)（續(xù)）中斷/異常管理第16頁，共48頁。17培訓(xùn)大綱時鐘/定時器管理:闡述ReWorks的系統(tǒng)時鐘、時間、定時器等基本功能。中斷/異常管理:描述ReWorks對于外部事件的中斷響應(yīng)方式，以及對于CPU異常的處理機制。多任務(wù)管理 :講述ReWorks中對于多任務(wù)的調(diào)度機制，以及任務(wù)間共享資源以及同步的手段。內(nèi)存管理： 敘述實時系統(tǒng)中對于內(nèi)存的管理方法，包括對于硬件MMU的支持。12345總結(jié)： 通過幾個上機分組實驗對培訓(xùn)內(nèi)容進行歸納總結(jié)。第17頁，共48頁。18任務(wù)管理單任務(wù)系統(tǒng)vs多任務(wù)系統(tǒng) 以一款具有播放歌曲、閱讀電子書

11、功能的多媒體電子設(shè)備為例，單任務(wù)系統(tǒng)中，兩種功能只能順序執(zhí)行，不能同時進行；而多任務(wù)系統(tǒng)中，閱讀電子書的同時可以播放歌曲，兩個任務(wù)可以同時進行。3.1 單任務(wù)系統(tǒng) 多任務(wù)系統(tǒng)概述第18頁，共48頁。19任務(wù)管理實時操作系統(tǒng)中多任務(wù)的劃分原則：（1）I/O原則：不同的外設(shè)執(zhí)行不同任務(wù)，CPU的操作快于I/O操作，如果將I/O操作串行將會浪費CPU資源；（2）優(yōu)先級原則：不同優(yōu)先級處理不同的任務(wù)，對于突發(fā)事件的優(yōu)先級等價于事件的時間耗盡線，不同優(yōu)先級處理不同任務(wù)；（3）大量運算：歸為一個任務(wù)； （4）功能耦合：歸為一個任務(wù)；（5）偶然耦合：歸為一個任務(wù)，舉例：f1()，f2()，f3()。早晨起床

12、以后，刷牙、洗臉、吃早飯之間并沒有必然的先后順序，但由于習(xí)慣一直是按這個順序做的；（6）頻率組合：對于周期時間，不同任務(wù)處理不同的頻率。 任務(wù)劃分原則3.1第19頁，共48頁。20任務(wù)管理任務(wù)的組成 一個堆棧，用于程序執(zhí)行時的局部變量存儲和程序調(diào)用傳送給程序的參數(shù) 一個TCB，用于操作系統(tǒng)控制，包括一個相關(guān)的名字、惟一的ID、優(yōu)先級、信號掩碼、堆棧、任務(wù)私有數(shù)據(jù)和相應(yīng)的任務(wù)例程，這些信息都記錄在由系統(tǒng)分配與維護的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)任務(wù)控制塊中。 多個任務(wù)可以執(zhí)行相同的應(yīng)用執(zhí)行代碼提供任務(wù)創(chuàng)建、關(guān)閉、掛起、恢復(fù)以及獲取任務(wù)信息等操作接口；任務(wù)狀態(tài) 就緒、阻塞、運行、掛起、僵死ReWorks任務(wù)的優(yōu)先級

13、：0255，0 最高，255最低。系統(tǒng)缺省的調(diào)度方法：基于優(yōu)先級調(diào)度，關(guān)閉輪轉(zhuǎn)調(diào)度。3.1任務(wù)基本概念第20頁，共48頁。213.1ReWorks系統(tǒng)任務(wù)ReWorks中的系統(tǒng)任務(wù) 任務(wù)名任務(wù)描述優(yōu)先級任務(wù)名任務(wù)描述優(yōu)先級wdg看門狗31ntwk網(wǎng)絡(luò)70recycle任務(wù)回收32shellshell80log日志65ftpdftp95exc異常66init初始化100telnettelnet75idle空閑255任務(wù)管理第21頁，共48頁。223.1ReWorks中的任務(wù)類型中斷任務(wù)ReWorks任務(wù)POSIX任務(wù)VxWorks任務(wù)優(yōu)先級031322556425464254接口ithread_

14、createithread_closeuthread_create,uthread_closeuthread_lock,uthread_unlockuthread_pri_setuthread_pri_getuthread_suspenduthread_resumeuthread_is_suspendeduthread_selfuthread_id_verifyuthread_options_setuthread_options_getthread_name_to_idthread_name pthread_createpthread_selfpthread_once,pthread_exit

15、pthread_join,pthread_killpthread_detachpthread_equalpthread_cancelpthread_testcancelpthread_setcancelstatepthread_setcanceltypepthread_setschedparampthread_getschedparampthread_cleanup_pushpthread_cleanup_poptaskSpawn，sptaskTcb,taskActivatetaskDelete,taskDeleteForcetaskLock,taskUnlocktaskPrioritySet

16、,taskPriorityGettaskSuspend, taskResumetaskSafe,taskUnsafetaskDelayPeriod，repeattaskRestart,taskIsReadytaskIsSuspendedtaskIdSelf,taskIdVerifytaskNameToId,taskName任務(wù)管理第22頁，共48頁。23任務(wù)管理ReWorks內(nèi)核缺省采用基于優(yōu)先級的搶占調(diào)度算法可選擇時間片輪轉(zhuǎn)法以及先進先出算法調(diào)度相同優(yōu)先級的任務(wù)；基于優(yōu)先級的搶占調(diào)度算法指任何時刻都嚴格按照高優(yōu)先級任務(wù)在處理器上運行的原則進行任務(wù)的調(diào)度；3.1基于優(yōu)先級的搶占調(diào)度 基于優(yōu)先級

17、的搶占調(diào)度第23頁，共48頁。24任務(wù)管理時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度：當(dāng)2個或2個以上任務(wù)有同樣的優(yōu)先級時，內(nèi)核允許一個任務(wù)運行一段確定的時間后，切換到另外一個就緒態(tài)的任務(wù)。缺省系統(tǒng)關(guān)閉時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。時間片輪轉(zhuǎn)任務(wù)調(diào)度 時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度3.1第24頁，共48頁。25任務(wù)管理任務(wù)在執(zhí)行過程中發(fā)生同步上下文切換任務(wù)自身發(fā)生阻塞、延時、掛起等狀態(tài)變化當(dāng)啟動一個高優(yōu)先級任務(wù)時減低當(dāng)前任務(wù)的優(yōu)先級任務(wù)自行運行完畢，退出執(zhí)行當(dāng)有中斷發(fā)生時發(fā)生異步上下文切換使得一個高優(yōu)先級任務(wù)準備運行掛起當(dāng)前的任務(wù)或減低其優(yōu)先級任務(wù)切換點3.1第25頁，共48頁。26任務(wù)管理代碼重入是指同一段代碼可以被多個任務(wù)同時調(diào)用訪問重入代碼內(nèi)應(yīng)

18、該無全局變量以及靜態(tài)變量ReWorks使用以下的機制來實現(xiàn)重入動態(tài)堆棧變量，即局部變量，每個任務(wù)在自己的堆棧中進行操作資源共享機制，可以實現(xiàn)對于全局變量以及靜態(tài)變量的共享訪問，主要包括鎖中斷、鎖任務(wù)、互斥信號量等任務(wù)變量，保存在任務(wù)的上下文中，每次上下文切換時保存變量值代碼重入3.1第26頁，共48頁。27任務(wù)管理每個任務(wù)使用一個全局整數(shù)來保存錯誤標識號程序發(fā)生錯誤，可以設(shè)置相應(yīng)錯誤號每個錯誤號有定義的詳細錯誤信息可以通過查詢錯誤號可以進行錯誤的定位和診斷相關(guān)函數(shù)：設(shè)置錯誤號errno_Set()、獲取錯誤號errno_Get()、獲取錯誤描述信息strerror用戶自定義錯誤編碼任務(wù)錯誤號3

19、.1第27頁，共48頁。28任務(wù)管理創(chuàng)建一個任務(wù)，ReWorks必須分配堆棧和TCB存儲空間初始化堆棧和TCB初始化上下文，將任務(wù)放到就緒隊列中uthread_create接口 u32uthread_create(char*name, void(*entry)(void*), void*argu, intstacksize, u32options, intpri);任務(wù)創(chuàng)建3.1第28頁，共48頁。2929任務(wù)管理任務(wù)創(chuàng)建3.1RE_FP_TASK指任務(wù)支持浮點運算，RE_NO_STACK_FILL指創(chuàng)建任務(wù)堆棧時，任務(wù)堆棧不需要填寫0XEE，RE_NO_TIMESLICE指任務(wù)不支持時間片調(diào)

20、度。第29頁，共48頁。30實例描述：生產(chǎn)者-消費者問題一群生產(chǎn)者任務(wù)在生產(chǎn)消息，并將此消息提供給消費者任務(wù)去消費。為使生產(chǎn)者和消費者能并發(fā)執(zhí)行，在它們之間設(shè)置一個具有N個緩沖區(qū)的緩沖池，生產(chǎn)者將生產(chǎn)的消息放入一個緩沖區(qū)，消費者從一個緩沖區(qū)取得一個消息消費。所有的生產(chǎn)者和消費者任務(wù)都是以異步方式運行，但它們之間必須保持同步。問題的提出3.2任務(wù)通信第30頁，共48頁。31 當(dāng)生產(chǎn)者任務(wù)將生產(chǎn)的消息放到緩沖區(qū)后，要及時通知消費者任務(wù)消費消息，使得兩個任務(wù)同步，實現(xiàn)同步的機制主要有：信號量：生產(chǎn)者通過獲取和釋放二進制信號量通知消費者任務(wù)消費消息。在多個任務(wù)需要同步情況下，可以通過計數(shù)信號量實現(xiàn)。事

21、件：生產(chǎn)者任務(wù)將消息放入緩沖區(qū)后，發(fā)送特定事件，消費者任務(wù)接收到該事件后開始運行。消息隊列：生產(chǎn)者任務(wù)將生產(chǎn)的消息放到指定消息隊列中，消費者任務(wù)接收消息，實現(xiàn)任務(wù)同步。 同時，生產(chǎn)者任務(wù)和消費者任務(wù)都會訪問存放消息的緩沖區(qū)，為了保護緩沖區(qū)內(nèi)容，只能讓一個任務(wù)獨占該資源，可以通過以下機制實現(xiàn)：互斥信號量：特殊的二進制信號量，它支持所有權(quán)、遞歸訪問、任務(wù)刪除安全和一個或多個協(xié)議，以避免互斥固有的問題。解決方法3.2任務(wù)通信第31頁，共48頁。32任務(wù)通信信號量是任務(wù)同步的最主要手段，在一定程度上亦可提供互斥功能。ReWorks下信號量被優(yōu)化，是能夠提供最快的任務(wù)間通信服務(wù)的機制。信號量分類二進制信

22、號量：最快和常用的信號量，提供阻塞方式，用于實現(xiàn)同步或互斥；計數(shù)信號量：類似于二進制信號量，記錄信號量被釋放的次數(shù)。適合于一個資源的多個實例需要保護的情況；互斥信號量：互斥量是保護臨界區(qū)資源、實現(xiàn)任務(wù)間互斥通信的主要手段。保護臨界區(qū)資源的主要措施鎖中斷鎖任務(wù)，禁止任務(wù)調(diào)度互斥信號量信號量3.2第32頁，共48頁。33任務(wù)通信消息隊列是應(yīng)用動態(tài)創(chuàng)建的具有可變長度的緩沖區(qū)。消息的長度和存儲在其中的內(nèi)容都是用戶定義的，可以是實際的數(shù)據(jù)、指針或空。通過它，任務(wù)和ISR發(fā)送和接收消息，實現(xiàn)帶數(shù)據(jù)的通信和同步。消息隊列是系統(tǒng)管理的機構(gòu)。隊列允許任務(wù)傳遞可變長的消息?？墒褂藐犃羞M行幾個同種資源的互斥訪問。隊

23、列的長度相當(dāng)于資源的數(shù)目，它決定了有多少個任務(wù)能夠同時使用該資源。消息隊列ReWorks的消息隊列3.2第33頁，共48頁。34任務(wù)通信reworks內(nèi)核提供一個特殊的寄存器作為每個任務(wù)控制塊的一部分，即事件（event）寄存器。它是一個屬于任務(wù)的對象，并由一組跟蹤指定 事件值的二進制值事件標志組成。事件寄存器的長度為32bit，寄存器中每一位作為二進制標志（事件標志），并可以被設(shè)置或 刪除。事件沒有等待隊列，每個事件只針對特定任務(wù)；事件接口：（1）發(fā)送事件 u32 event_send(u32 id, u32 event_in);（2）接收事件 u32 event_recv( u32 eve

24、nt_in,u32 option_set,u32 ticks,u32 *event_out)；事件3.2第34頁，共48頁。35任務(wù)通信編程實例事件（續(xù)）事件（續(xù)）void task1() /*發(fā)送事件給指定任務(wù)*/event_send(task_id,OS_EVENT1);void task2()/*接收事件任務(wù)*/ /*接收指定事件*/event_recv(OS_EVENT1,OS_ANY_EVENT,NO_TIMEOUT,&events);/*如果接收到指定事件時，任務(wù)進入就緒狀態(tài)，否則，繼續(xù)等待*/3.2第35頁，共48頁。36任務(wù)通信信號是所謂的軟件中斷，在系統(tǒng)里經(jīng)由一些軟件的執(zhí)行而

25、產(chǎn)生。例如，在shell中執(zhí)行ctrl-c操作可以終止shell里某個操作的執(zhí)行。信號3.2第36頁，共48頁。37371、當(dāng)任務(wù)處于阻塞狀態(tài)時收到信號；2、任務(wù)離開阻塞隊列，進入就緒隊列，準備運行；3、當(dāng)任務(wù)成為就緒隊列中的最高優(yōu)先級任務(wù)時，執(zhí)行信號處理程序；4、信號處理程序執(zhí)行完后，任務(wù)返回阻塞狀態(tài)，保持原始超時信息不變。信號處理流程阻塞隊列就緒隊列運行事件處理程序任務(wù)通信3.2第37頁，共48頁。38任務(wù)通信3.238信號不適合于實現(xiàn)普通的任務(wù)間通信信號處理程序的優(yōu)先級太高，會阻塞其他任務(wù)的執(zhí)行打斷了任務(wù)的正常執(zhí)行順序。最好創(chuàng)建兩個任務(wù)，而不是在一個任務(wù)中通過信號控制可能導(dǎo)致任務(wù)的重入問

26、題：例如，運行信號服務(wù)程序的任務(wù)和運行正常代碼的相同任務(wù)可以用于告訴一個任務(wù)將其自身關(guān)閉信號使用注意事項第38頁，共48頁。39培訓(xùn)大綱時鐘/定時器管理:闡述ReWorks的系統(tǒng)時鐘、時間、定時器等基本功能。中斷/異常管理:描述ReWorks對于外部事件的中斷響應(yīng)方式，以及對于CPU異常的處理機制。多任務(wù)管理 :講述ReWorks中對于多任務(wù)的調(diào)度機制，以及任務(wù)間共享資源以及同步的手段。內(nèi)存管理： 敘述實時系統(tǒng)中對于內(nèi)存的管理方法，包括對于硬件MMU的支持。12345總結(jié)： 通過幾個上機分組實驗對培訓(xùn)內(nèi)容進行歸納總結(jié)。第39頁，共48頁。40ReWorks內(nèi)存地址分布結(jié)構(gòu)(x86)4.1內(nèi)存管理第40頁，共48頁。41MMU內(nèi)存管理 MMU功能