第二章 嵌入式系統(tǒng)和嵌入式實時操作系統(tǒng)

第二章嵌入式系統(tǒng)

和嵌入式實時操作系統(tǒng)2.1嵌入式系統(tǒng)2.2實時操作系統(tǒng)2.3嵌入式實時操作系統(tǒng)2.1嵌入式系統(tǒng)為了區(qū)別于原有的通用計算機系統(tǒng)，人們把嵌入到對象體系中，為實現(xiàn)對象體系智能化控制的計算機系統(tǒng)，稱做嵌入式計算機系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng)在人們的日常生活中隨時都可看到嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用：自動駕駛儀或發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)洗衣機中提供不同的洗滌模式安裝到音像設(shè)備中可以獲得高保真的音響和影像等導(dǎo)航設(shè)備工業(yè)自動化儀表工業(yè)流水線控制嵌入式系統(tǒng)常用芯片嵌入式系統(tǒng)的特點：專用性強嵌入式系統(tǒng)通常是面向某個特定應(yīng)用的，所以它的硬件和軟件(尤其是軟件)，都是為特定用戶群來設(shè)計的，具有專用性的特點。實時性好目前的嵌入式系統(tǒng)或多或少都具備實時性。在硬件極少使用存取速度慢的磁盤等存儲器；在軟件上需精心設(shè)計，使系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)外部事件?？刹眉粜院脼榱耸骨度胧较到y(tǒng)產(chǎn)品在通用和專用之間達(dá)到某種平衡，把嵌入式系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)設(shè)計成可裁剪的，以便使嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員根據(jù)實際應(yīng)用需要來量體裁衣，去除冗余，從而使系統(tǒng)在滿足應(yīng)用要求的前提下達(dá)到最精簡的配置?？煽啃愿咔度胧较到y(tǒng)通常應(yīng)用在涉及產(chǎn)品質(zhì)量、人身設(shè)備安全、國家機密等重大場合，所以與普通系統(tǒng)相比較，對嵌入式系統(tǒng)可靠性的要求極高功耗低有很多嵌入式系統(tǒng)的宿主對象都是一些小型應(yīng)用系統(tǒng)，例如移動電話、MP3、數(shù)碼相機等，這些設(shè)備不可能配備容量較大的電源，因此低功耗一直是嵌入式系統(tǒng)追求的目標(biāo)。通常嵌入式系統(tǒng)中的軟件及數(shù)據(jù)一般不存儲于磁盤等載體中，而大多存儲在EPROM、EEPROM或閃存(FlashMemory)中2.2實時操作系統(tǒng)2.2.1實時系統(tǒng)及其特點1、什么是實時系統(tǒng)實例1在艦船的頭部通常裝有用來發(fā)現(xiàn)礁石的聲納，以避免發(fā)生觸礁事故?，F(xiàn)用一個計算機系統(tǒng)接收并處理聲納信號，處理結(jié)果用來控制舵機的動作若聲納發(fā)現(xiàn)礁石，此時艦船將在10min后與礁石相撞；而舵機完成合理的規(guī)避動作需要8min，則留給計算機系統(tǒng)用來計算和控制舵機做出合理動作所需的時間就不能超過2min，并且應(yīng)保證計算結(jié)果正確無誤必須在有限的時間內(nèi)獲得正確結(jié)果實時系統(tǒng)的定義：①能及時響應(yīng)外部事件的請求②能在一個規(guī)定的時間內(nèi)完成對事件的處理兩個基本要求：①實時系統(tǒng)必須產(chǎn)生正確的計算結(jié)果，稱為邏輯或功能正確（LogicalorFunctionalCorrectness）②實時系統(tǒng)的計算必須在預(yù)定的時間內(nèi)完成，稱為時間正確（TimingCorrectness）實時→及時→動作快→動作需快到什么程度？需要具體問題具體分析實例2用來生產(chǎn)鋼板的軋鋼機系統(tǒng)鋼板的厚度由軋輥之間的縫隙決定設(shè)被軋制的鋼板以20m/s的速度通過軋輥的輥縫，當(dāng)鋼板測厚儀發(fā)現(xiàn)鋼板不滿足厚度的質(zhì)量要求時，需要用100ms的時間來控制輥縫，那么這個控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度是否及時呢？如鋼板的總長度為100m，并要求廢品率不超過3%，則系統(tǒng)合格，是實時系統(tǒng)若要求廢品率不超過1%，則系統(tǒng)不合格2、實時系統(tǒng)的特點通常，把必須在有限時間內(nèi)完成的任務(wù)叫做實時任務(wù)，用來完成實時任務(wù)的系統(tǒng)就是實時系統(tǒng)實時任務(wù)具有確切的完成期限時間要求嚴(yán)格的稱為硬實時系統(tǒng)；要求不嚴(yán)格的稱為軟實時系統(tǒng)實時任務(wù)的活動是不可逆的實時任務(wù)大多由外部事件激活的用來完成實時任務(wù)的計算機系統(tǒng)叫做實時計算機系統(tǒng)

在實時計算機系統(tǒng)中配備的能滿足實時任務(wù)需要的操作系統(tǒng)叫做實時操作系統(tǒng)2.2.2計算機實時操作系統(tǒng)1、實時操作系統(tǒng)目前用來保證系統(tǒng)實時性的主要是軟件，特別是操作系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)盡量滿足5個條件：①實時操作系統(tǒng)必須是多任務(wù)系統(tǒng)多任務(wù)系統(tǒng)把一個大的應(yīng)用程序分成相對獨立的多個任務(wù)來完成，給應(yīng)用程序的設(shè)計和維護(hù)提供了極大的方便。同時，這種組織方式特別適合用外部事件來激活②實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核應(yīng)該是可剝奪型的調(diào)度器能以強硬的方式獲得處理器使用權(quán)并分配給另外的進(jìn)程。系統(tǒng)中的每個進(jìn)程都有一個表示其緊急程度的優(yōu)先級別，調(diào)度器根據(jù)優(yōu)先級別來決定是否要剝奪當(dāng)前進(jìn)程的處理器使用權(quán)。③進(jìn)程調(diào)度的延時可預(yù)測并盡可能小該延時指的是調(diào)度器進(jìn)行任務(wù)切換時所需要的時間。該時間必須是可預(yù)知的，即調(diào)度器所用的時間不能受其他因素（例如任務(wù)數(shù)目）的影響。調(diào)度時間是否可預(yù)測主要取決于調(diào)度算法。④系統(tǒng)提供的服務(wù)時間可預(yù)知實時操作系統(tǒng)提供的所有服務(wù)的運行時間必須是可預(yù)知的，至少要有一個最壞界限⑤中斷延時盡可能小首先處理器不是隨時都可以響應(yīng)中斷申請的。處理器關(guān)閉中斷時不能響應(yīng)中斷申請；處理器在正在執(zhí)行一條指令時也不能響應(yīng)中斷申請。

外部事件（發(fā)出中斷申請）處理器（系統(tǒng)內(nèi)核接受該請求并做出中斷響應(yīng)）從請求發(fā)出到中斷被響應(yīng)所經(jīng)歷的時間稱為中斷延時有哪些因素影響中斷延時的大??？當(dāng)具有高優(yōu)先級別的中斷請求（通常對應(yīng)于更緊急的實時任務(wù)）出現(xiàn)時，若處理器正處于關(guān)閉中斷狀態(tài)，則該中斷不會被響應(yīng)。這對于緊急任務(wù)來說就是一個延時，低級中斷服務(wù)程序關(guān)閉中斷時間越長，這段延時也就越長，對緊急任務(wù)的及時處理就越不利。如何解決：例Linux系統(tǒng)把中斷服務(wù)程序分為前后兩部分，把必須在關(guān)中斷狀態(tài)進(jìn)行的任務(wù)放在前半部分并使其盡可能短，而把大多數(shù)工作放在了中斷開放的后半部分調(diào)度器引起的調(diào)度延時會反映到中斷延時中，從而影響中斷延時的大小，因為中斷的服務(wù)有時是用一個進(jìn)程來完成的。調(diào)度延時由兩部分組成：一部分是調(diào)度器在調(diào)度工作時所必須耗費的時間(可明確大小)；一部分是調(diào)度器等待調(diào)度所需要的時間(不可明確大小)。在操作系統(tǒng)中，在中斷過程中是不允許進(jìn)程調(diào)度的，中斷的優(yōu)先權(quán)是大于所有進(jìn)程的。即調(diào)度器只能等待所有中斷服務(wù)都結(jié)束之后才能進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度。如果中斷嵌套層次很多，這個延時的長度就很可觀了！這種延時的可預(yù)測性極差，是設(shè)計實時系統(tǒng)的難點之一造成中斷延時的因素還有DMA(直接內(nèi)存訪問DirectMemoryAccess，是一種不經(jīng)過CPU而直接從內(nèi)存存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式，可減輕CPU占有率，節(jié)省系統(tǒng)資源)DMA也是一種中斷，只不過它向處理器請求的是總線的控制權(quán)，而不是處理器。所以，在DMA控制期間，由于處理器要把總線控制權(quán)讓給DMA而失去總線控制權(quán)，盡管處理器還可以做一些不使用總線的工作，但不能馬上響應(yīng)來自總線的外部中斷請求，因此也會造成較大的中斷延時。在實時系統(tǒng)中是否以及如何使用DMA技術(shù)，在設(shè)計系統(tǒng)時要慎重考慮。一般在實時性要求較高的硬實時系統(tǒng)中不使用DMA技術(shù)實時計算機系統(tǒng)最好采用RISC指令系統(tǒng)。兩個原因：一是RISC指令系統(tǒng)的指令執(zhí)行時間比CISC系統(tǒng)指令短得多，所以指令執(zhí)行時間所引起的中斷延時也會小得多；二是在CISC指令系統(tǒng)中，指令的執(zhí)行時間極不均勻，短的指令只需要幾個時鐘脈沖，長的指令需要幾十個脈沖才能完成，這就給程序模塊執(zhí)行時間的預(yù)測帶來了困難，使之難于滿足實時系統(tǒng)執(zhí)行時間可預(yù)測的要求。CISC復(fù)雜指令系統(tǒng)：指令種類多、指令格式不規(guī)范、尋址方式多RISC精簡指令系統(tǒng)：從復(fù)雜指令集中精簡出來的，只包含處理器經(jīng)常使用的指令，具有簡單高效的特點。對不常用的處理器功能，常通過組合指令來完成2、實時調(diào)度為了使內(nèi)核是可剝奪型的，實時操作系統(tǒng)的調(diào)度器必須采用基于優(yōu)先級的調(diào)度算法。代表性的實時調(diào)度算法介紹：①單調(diào)速率RM(Rate-Monotonic)算法是一種典型的靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法，主要用來處理周期性實時進(jìn)程。凡是執(zhí)行周期越短、執(zhí)行頻度越高的進(jìn)程，其緊急程度越高，優(yōu)先級別越高；反之其緊急程度越低，優(yōu)先級別越低令進(jìn)程的優(yōu)先級別為prio（取整數(shù)）（其中k為比例系數(shù)；T為進(jìn)程的周期）設(shè)進(jìn)程延時表示為τ，則進(jìn)程延時的嚴(yán)重程度為：τ/T（嚴(yán)重程度越高，優(yōu)先級別越高）例題：一個事件發(fā)生的周期T＝200ms，一般需要運行50ms才完畢，按單調(diào)速率算法確定該進(jìn)程的優(yōu)先級別答：如果取k＝1，則prio＝k/T＝5工業(yè)鍋爐壓力和溫度數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)壓力的波動比較頻繁溫度的變化相對較為緩慢為了能及時反映這兩個參數(shù)的變化壓力參數(shù)的檢測周期比溫度參數(shù)的檢測周期小得多※負(fù)責(zé)處理壓力參數(shù)的實時進(jìn)程的優(yōu)先度級別高※負(fù)責(zé)處理溫度參數(shù)的實時進(jìn)程的優(yōu)先度級別低②截止期限最早優(yōu)先算法算法思想，進(jìn)程截止期限（由系統(tǒng)設(shè)計者根據(jù)系統(tǒng)的實時要求給出的進(jìn)程完成的最晚時間值）越近，則這個進(jìn)程緊急程度越高，優(yōu)先級別越高，具體實施時按優(yōu)先級別來排隊例題：在系統(tǒng)中，某個事件在t=0時刻激活了三個實時進(jìn)程：進(jìn)程A、B和C，已知這三個進(jìn)程的截止期限分別為DA、DB和DC，三個進(jìn)程的運行情況如所示進(jìn)程運行時間進(jìn)程截止時間若事件在t=t1時刻激活這三個進(jìn)程可以想象：進(jìn)程A和進(jìn)程B均不能在截止期限完成，即出現(xiàn)時間不正確?。。、劭蛇_(dá)截止期限最早優(yōu)先算法該算法是對期限最早優(yōu)先算法的改進(jìn)，其主要思想是：在調(diào)度時，先觀察所有被激活的進(jìn)程里是否有進(jìn)程在該進(jìn)程的截止期限內(nèi)干不完事情的。如果有（反正干完也沒有用），該進(jìn)程就不被運行，而去運行那些能把工作做完的進(jìn)程。具體做法為：對就緒隊列中的所有進(jìn)程，仍按截止期限來確定優(yōu)先級別；然后在激活進(jìn)程的事件到來時和調(diào)度時，根據(jù)下式判斷是否會有進(jìn)程按照原來確定的優(yōu)先級超出該進(jìn)程的截止期限，如果有則取消該進(jìn)程，其他進(jìn)程的優(yōu)先級別不變。d：進(jìn)程的截止裕度D：進(jìn)程的截止期限t1：系統(tǒng)當(dāng)前時間E：估算的進(jìn)程運行時間d>0：意味著該進(jìn)程在截止期限到來之前可以運行完畢，即其計算結(jié)果時間正確，這種進(jìn)程叫做截止期限可達(dá)的進(jìn)程

d<0：截止期限不可達(dá)的進(jìn)程×④最小裕度算法使用進(jìn)程的截止裕度d來確定進(jìn)程的優(yōu)先級別：截止裕度d小的進(jìn)程，優(yōu)先級別高截止裕度d大的進(jìn)程，優(yōu)先級別低4、實時進(jìn)程的可調(diào)度性所謂實時進(jìn)程的可調(diào)度性，指多個實時進(jìn)程是否可經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)度使它們都能正確地完成工作。①對于使用單調(diào)速率算法的周期性進(jìn)程集，若滿足下列條件：則這個進(jìn)程集被稱為是可調(diào)度的例題：有三個同時發(fā)生的周期型進(jìn)程，進(jìn)程1、進(jìn)程2和進(jìn)程3，這三個進(jìn)程的周期分別為P1＝70ms、P2＝80ms和P3＝30ms，它們完成任務(wù)所需的時間分別為C1＝20ms、C2＝15ms和C3＝10ms。試判斷該進(jìn)程集是否為可調(diào)度的？答：

不滿足要求，所以題目中的三個進(jìn)程是不可調(diào)度的②對于使用截止期優(yōu)先算法或最小裕度算法的周期性進(jìn)程集，若滿足下列條件：則這個進(jìn)程集被稱為是可調(diào)度的例題：有三個同時發(fā)生的周期型進(jìn)程，進(jìn)程1、進(jìn)程2和進(jìn)程3，這三個進(jìn)程的周期分別為P1＝70ms、P2＝80ms和P3＝30ms，它們完成任務(wù)所需的時間分別為C1＝20ms、C2＝15ms和C3＝10ms。試判斷該進(jìn)程集是否為可調(diào)度的？答：

滿足要求，所以題目中的三個進(jìn)程是可調(diào)度的5、實時系統(tǒng)的時鐘實時時鐘是實時操作系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)，沒有實時時鐘，就沒有實時系統(tǒng)的一切活動實際應(yīng)用中，實時時鐘是通過硬件時鐘中斷實現(xiàn)的實時時鐘是一種計時器，就像一只正常行走的鐘表實時時鐘的縮寫是RTC(Real_TimeClock)RTC是集成電路，通常稱為時鐘芯片類比時鐘的重要性6、實時系統(tǒng)的存儲管理工作速度高是實時系統(tǒng)的追求目標(biāo)。所以在數(shù)據(jù)的存儲上，實時系統(tǒng)一般不采用速度較慢的磁盤。通常是將操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序以及必要的數(shù)據(jù)這些必須永久存儲的信息存放在具有“只讀”特性且讀/寫速度比較快的半導(dǎo)體存儲器中。在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，比較理想的半導(dǎo)體存儲介質(zhì)是閃存（FlashMemory）在正常工作電壓下就可以擦除和重寫7、實時系統(tǒng)與普通系統(tǒng)的比較2.3嵌入式實時操作系統(tǒng)2.3.1什么是嵌入式實時操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的特點：微型化嵌入式系統(tǒng)芯片內(nèi)部存儲器的容量通常很小(1MB以內(nèi));一般也不配置外存，電源的容量較小(常常用電池甚至微型電池供電);外部設(shè)備多樣化，因而不允許嵌入式操作系統(tǒng)占用較多的資源，所以在保證應(yīng)用功能的前提下，嵌入式操作系統(tǒng)的規(guī)模越小越好實時性

要求系統(tǒng)能快速響應(yīng)事件，具有較強的實時性，所以嵌入式實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核都是可剝奪型的

可裁剪性嵌入式操作系統(tǒng)運行的硬件平臺多種多樣，所以要求嵌入式操作系統(tǒng)中提供的各個功能模塊可以讓用戶根據(jù)需要選擇使用，即要求它具有良好的可裁剪性高可靠性嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于重要的生產(chǎn)設(shè)備領(lǐng)域，所以要求嵌入式操作系統(tǒng)必須有極高的可靠性，對關(guān)鍵、要害的應(yīng)用還要提供必要的容錯和防錯措施，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性易移植性嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)可在不做大量修改的情況下能穩(wěn)定地運行于不同的平臺由于嵌入式系統(tǒng)存儲器的容量較小，因此嵌入式系統(tǒng)的軟件一般只有操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩個層次2.3.2微內(nèi)核1、微內(nèi)核的客戶／服務(wù)器結(jié)構(gòu)微內(nèi)核：把內(nèi)核中應(yīng)提供的部分服務(wù)功能模塊移動到內(nèi)核外來實現(xiàn)類比去飯店下館子有可能服務(wù)員端上來的菜是其他飯店做的菜。如果一個飯店的大部分菜肴都可以這樣來提供，那么這個飯店所占用的土地面積一定會小得多微內(nèi)核的處理思想：把內(nèi)核的某些服務(wù)模塊作為一個進(jìn)程放在內(nèi)核以外當(dāng)要求服務(wù)的進(jìn)程有服務(wù)要求時，通過系統(tǒng)調(diào)用接口向內(nèi)核提出服務(wù)申請系統(tǒng)調(diào)用接口接收到該申請后，則立即通過向內(nèi)核外的服務(wù)進(jìn)程發(fā)送一個消息來啟動這個服務(wù)進(jìn)程此時要求服務(wù)的進(jìn)程和提供服務(wù)的進(jìn)程都處在操作系統(tǒng)的用戶區(qū)層，內(nèi)核就變小了通常把要求服務(wù)的進(jìn)程叫做“客戶”，把提供服務(wù)的進(jìn)程叫做“服務(wù)器”

這種微內(nèi)核結(jié)構(gòu)叫做“客戶／服務(wù)器”結(jié)構(gòu)與進(jìn)程控制塊相關(guān)的進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程創(chuàng)建、進(jìn)程刪除服務(wù)必須保留在內(nèi)核中！進(jìn)程通信的管理必須保留在內(nèi)核中！中斷的管理必須保留在內(nèi)核中！注意！2、一類特殊的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)在一些小型嵌入式實時操作系統(tǒng)中，不區(qū)分系統(tǒng)空間和用戶空間，因此這種操作系統(tǒng)的內(nèi)核沒有比較清晰的邊界，并且用戶進(jìn)程與操作系統(tǒng)的關(guān)系極為緊密。這樣的操作系統(tǒng)大多只提供進(jìn)程管理、進(jìn)程通信管理及簡單的存儲管理，從邏輯上看這三個部分就是屬于內(nèi)核部分了。本課將要介紹的μC／OS就屬于這樣一種操作系統(tǒng)。2.3.3嵌入式實時操作系統(tǒng)的可裁剪性及其實現(xiàn)所謂操作系統(tǒng)的可裁剪性，就是一個規(guī)模大且功能齊全的操作系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上保證了用戶可在其中有選擇地保留某些模塊，而刪減掉一些模塊的性能操作系統(tǒng)的可裁剪性也常被叫做操作系統(tǒng)的可配置性配置方法有兩種：

在系統(tǒng)進(jìn)行編譯連接時進(jìn)行配置

在系統(tǒng)運行時進(jìn)行配置在系統(tǒng)進(jìn)行編譯連接時進(jìn)行配置在操作系統(tǒng)中都有一個配置文件

在這個文件中系統(tǒng)的設(shè)計者可通過對一些配置常數(shù)的設(shè)置來選擇使用或不使用的模塊在對系統(tǒng)編譯連接時，編譯系統(tǒng)會按配置常數(shù)的設(shè)置值對與之對應(yīng)的模塊進(jìn)行編譯或不編譯，可大大減小系統(tǒng)所占的內(nèi)存條件編譯是實現(xiàn)系統(tǒng)裁剪的有效手段前提條件：用戶要獲得待裁剪的操作系統(tǒng)的源代碼

在系統(tǒng)運行時進(jìn)行配置依靠系統(tǒng)在初始化運行階段執(zhí)行一些條件轉(zhuǎn)移語句來實現(xiàn)這些條件語句是根據(jù)事先由目標(biāo)系統(tǒng)開發(fā)人員編寫的配置文件中的一些參數(shù)來跳轉(zhuǎn)的實現(xiàn)了系統(tǒng)功能上的裁剪，但不是物理上的裁剪，即被裁剪的