嵌入式ADS第二周1課件

課題（章節(jié)名稱）嵌入式操作系統(tǒng)

2010年9/3日1,23，4節(jié)

10/35,6教學(xué)目的與要求

掌握嵌入式操作系統(tǒng)的分類和特點，明確實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核特點教學(xué)重點

嵌入式操作系統(tǒng)的分類和特點，實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核特點

教學(xué)難點

無教學(xué)方法

講授法教學(xué)時數(shù)

2課外作業(yè)

1.41.5主要內(nèi)容

1、嵌入式操作系統(tǒng)的分類2、嵌入式操作系統(tǒng)的特點3、實時操作系統(tǒng)4、目前市場上流行的嵌入式操作系統(tǒng)20303020課后小結(jié)

課時授課計劃

嵌入式系統(tǒng)軟件組成：驅(qū)動層程序?qū)崟r操作系統(tǒng)（RTOS）操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口（API）應(yīng)用程序四、嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺.嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn),解決了嵌入式軟件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的難題。嵌入式系統(tǒng)具有操作系統(tǒng)的最基本的功能：進(jìn)程調(diào)度內(nèi)存管理（沒有虛擬內(nèi)存的管理）設(shè)備管理文件管理操作系統(tǒng)接口(API調(diào)用)中斷管理嵌入式操作系統(tǒng)具有的特點:系統(tǒng)可裁減,可配置.系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)支持功能系統(tǒng)具有一定的實時性嵌入式系統(tǒng)的軟/硬件框架馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)CISC與RISCIP核流水線存儲器系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器存儲器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2CISC和RISCCISC：復(fù)雜指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和尋址方式；8/2原則：80%的程序只使用20%的指令；大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行。RISC：精簡指令集（ReducedInstructionSetComputer)在通道中只包含最有用的指令；確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令；使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更為簡單。

CISC與RISC的數(shù)據(jù)通道IFIDREGALUMEM開始退出IFIDALUMEMREG微操作通道開始退出單通數(shù)據(jù)通道CISC與RISC的對比類別CISCRISC指令系統(tǒng)指令數(shù)量很多較少，通常少于100執(zhí)行時間有些指令執(zhí)行時間很長，如整塊的存儲器內(nèi)容復(fù)制；或?qū)⒍鄠€寄存器的內(nèi)容復(fù)制到存貯器沒有較長執(zhí)行時間的指令編碼長度編碼長度可變，1-15字節(jié)編碼長度固定，通常為4個字節(jié)尋址方式尋址方式多樣簡單尋址操作可以對存儲器和寄存器進(jìn)行算術(shù)和邏輯操作只能對寄存器對行算術(shù)和邏輯操作，Load/Store體系結(jié)構(gòu)編譯難以用優(yōu)化編譯器生成高效的目標(biāo)代碼程序采用優(yōu)化編譯技術(shù)，生成高效的目標(biāo)代碼程序IP核的種類SoftCores(“code”)（軟核）HDL語言描述；靈活度高，可修改；與工藝獨立，可根據(jù)具體的加工工藝重新綜合；IP很難保護(hù)。Firmcores(“code+structure”)(固核）邏輯綜合后的描述；與工藝相關(guān)。Hardcores(“physical”)(硬核）物理綜合后的描述；準(zhǔn)備流片；包含工藝相關(guān)的布局和時序信息；IP很容易保護(hù)。多數(shù)的處理器和存儲器IP核的商業(yè)模型三種模式1.設(shè)計者提供設(shè)計和工具的許可證DSPGroup(PineandOakCores),3Soft,ARM。提供包括HDL在內(nèi)的模擬模型，工具或仿真器。使用者負(fù)責(zé)設(shè)計制造。2.核廠商設(shè)計并制造集成電路芯片TI,Motorola,Lucent。VLSI,SSI,Cirrus,Adaptec。3.核廠商賣核,負(fù)責(zé)為客戶設(shè)計并制造芯片LSIlogic,TI,Lucent。IP核的市場構(gòu)成74%為硬件設(shè)計廠商。26%將購買IP核。40%hard,68%soft,32%firm。流水線技術(shù)流水線技術(shù)：幾個指令可以并行執(zhí)行。提高了CPU的運(yùn)行效率。內(nèi)部信息流要求通暢流動。譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cmp時間AddSubCmp指令流水線—以ARM為例為增加處理器指令流的速度，ARM7系列使用3級流水線。允許多個操作同時處理，比逐條指令執(zhí)行要快。PC指向正被取指的指令，而非正在執(zhí)行的指令。FetchDecodeExecute從存儲器中讀取指令解碼指令寄存器讀（從寄存器Bank）移位及ALU操作寄存器寫（到寄存器Bank）PC PCPC-4 PC-2PC-8 PC-4ARM Thumb最佳流水線該例中用6個時鐘周期執(zhí)行了6條指令。所有的操作都在寄存器中（單周期執(zhí)行）。指令周期數(shù)(CPI)=1。

操作周期 1 2 3 4 56ADDSUBMOVANDORREORCMPRSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetch分支流水線舉例流水線被阻斷。注意:內(nèi)核運(yùn)行在ARM狀態(tài)。周期

12345

0x8000BL0x8004X0x8008XX0x8FECADD0x8FF0SUB0x8FF4MOV地址

操作FetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetchDecodeExecuteLinkretAdjustFetchDecodeFetch存儲器系統(tǒng)RAM：隨機(jī)存取存儲器，SRAM：靜態(tài)隨機(jī)存儲器，DRAM：動態(tài)隨機(jī)存儲器。

SRAM比DRAM快。

SRAM比DRAM耗電多。

DRAM存儲密度比SRAM高得多。

DRM需要周期性刷新。ROM：只讀存儲器。FLASH：閃存。輸入輸出接口I/OA/D、D/A鍵盤LCD存儲器接口設(shè)備接口操作系統(tǒng)的分類（1）順序執(zhí)行系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)只含有一個程序，獨占CPU的運(yùn)行時間，按語句順序執(zhí)行該程序，直至執(zhí)行完畢，另一程序才能啟動運(yùn)行。如DOS操作系統(tǒng)。（2）分時操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)同時可以有多個程序運(yùn)行，把CPU的時間按順序分成若干片，每個時間片內(nèi)執(zhí)行不同的程序，如UNIX。（3）實時操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)有多個程序運(yùn)行，每個程序有不同的優(yōu)先級，只有最高優(yōu)先級的任務(wù)才能占有CPU的控制權(quán)。按實時性分類強(qiáng)實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時間在毫秒或微秒級（數(shù)控機(jī)床）。一般實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時間在毫秒到幾秒的數(shù)量級上，其實時性的要求比強(qiáng)實時系統(tǒng)要差一些（媒體播放）。弱實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時間約為數(shù)十秒或更長。前后臺系統(tǒng)（后臺循環(huán)、前臺中斷）ISRISR后臺前臺ISR時間代碼的臨界區(qū)也稱為臨界區(qū)，指處理時不可分割的代碼。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打斷。在進(jìn)入臨界區(qū)之前要關(guān)中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完以后要立即開中斷（在任務(wù)切換時，地址、指令、數(shù)據(jù)等寄存器堆棧保護(hù)）。代碼的臨界區(qū)多任務(wù)（任務(wù)、進(jìn)程和線程）CPU寄存器任務(wù)控制塊1任務(wù)控制塊2任務(wù)控制塊n休眠、就緒、運(yùn)行、掛起、被中斷任務(wù)1任務(wù)2任務(wù)n……CPU寄存器一個任務(wù)，也稱作一個線程，是一個簡單的運(yùn)行程序。每個任務(wù)都是整個應(yīng)用的某一部分，每個任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級，有它自己的一套CPU寄存器和自己的?？臻g。多任務(wù)運(yùn)行的實現(xiàn)實際上是靠CPU（中央處理單元）在許多任務(wù)之間轉(zhuǎn)換、調(diào)度。CPU只有一個，輪番服務(wù)于一系列任務(wù)中的某一個。多任務(wù)運(yùn)行使CPU的利用率得到最大的發(fā)揮，并使應(yīng)用程序模塊化。在實際應(yīng)用中，多任務(wù)的最大特點是，開發(fā)人員可以將很復(fù)雜的應(yīng)用程序?qū)哟位?，如綜合實驗（時鐘、位圖、USB、KEY）。任務(wù)的狀態(tài)系統(tǒng)內(nèi)核（Kernel)與調(diào)度（Scheduler)多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個任務(wù)，或者說為每個任務(wù)分配CPU時間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。內(nèi)核（Kernel)：提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。內(nèi)核本身也增加了應(yīng)用程序的額外負(fù)荷，代碼空間增加ROM用量，內(nèi)核本身數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了RAM的用量。內(nèi)核本身對CPU的占用時間一般在2到5個百分點之間。調(diào)度（Scheduler）：是內(nèi)核的主要職責(zé)之一，就是要決定該輪到哪個任務(wù)運(yùn)行了。多數(shù)實時內(nèi)核是基于優(yōu)先級調(diào)度法的。每個任務(wù)根據(jù)其重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級?；趦?yōu)先級的調(diào)度法則，CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)先運(yùn)行。非占先式與占先式非占先式（non-preemptive）調(diào)度法也稱作合作型多任務(wù)（cooperativemultitasking），各個任務(wù)彼此合作共享一個CPU。中斷服務(wù)可以使一個高優(yōu)先級的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷服務(wù)以后控制權(quán)還是回到原來被中斷了的那個任務(wù)，直到該任務(wù)主動放棄CPU的使用權(quán)時，那個高優(yōu)先級的任務(wù)才能獲得CPU的使用權(quán)。非占先式內(nèi)核的一個特點是幾乎不需要使用信號量保護(hù)共享數(shù)據(jù)。運(yùn)行著的任務(wù)占有CPU，而不必?fù)?dān)心被別的任務(wù)搶占。非占先式內(nèi)核的最大缺陷在于其響應(yīng)高優(yōu)先級的任務(wù)慢，任務(wù)已經(jīng)進(jìn)入就緒態(tài)，但還不能運(yùn)行，也許要等很長時間，直到當(dāng)前運(yùn)行著的任務(wù)釋放CPU。內(nèi)核的任務(wù)級響應(yīng)時間是不確定的，不知道什么時候最高優(yōu)先級的任務(wù)才能拿到CPU的控制權(quán)，完全取決于應(yīng)用程序什么時候釋放CPU。非占先式(Non-Preemptive)低優(yōu)先級任務(wù)ISR高優(yōu)先級任務(wù)（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）中斷服務(wù)程序使高優(yōu)先級任務(wù)就緒低優(yōu)先級任務(wù)釋放CPU使用權(quán)TIME當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時間很重要時，要使用占先式（preemptive）內(nèi)核。最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的控制權(quán)。當(dāng)一個運(yùn)行著的任務(wù)使一個比它優(yōu)先級高的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了，或者說被掛起了，那個高優(yōu)先級的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。使用占先式內(nèi)核時，應(yīng)用程序不應(yīng)直接使用不可重入型函數(shù)。如果調(diào)入可重入型函數(shù)時，低優(yōu)先級的任務(wù)CPU的使用權(quán)被高優(yōu)先級任務(wù)剝奪，不可重入型函數(shù)中的數(shù)據(jù)有可能被破壞。占先式（preemptive）占先式(Preemptive)低優(yōu)先級任務(wù)ISR高優(yōu)先級任務(wù)（1）（2）（3）（4）（5）（6）中斷服務(wù)程序使高優(yōu)先級任務(wù)就緒高優(yōu)先級任務(wù)得到CPU使用權(quán)TIME可以被一個以上的任務(wù)調(diào)用，而不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)的破壞?？芍厝胄秃瘮?shù)任何時候都可以被中斷，一段時間以后又可以運(yùn)行，而相應(yīng)數(shù)據(jù)不會丟失?？芍厝胄秃瘮?shù)或者只使用局部變量，即變量保存在CPU寄存器中或堆棧中。一個不可重入型函數(shù)的例子intTemp;Voidswap(int*x,int*y){Temp=*x;*X=*Y;*y=Temp;}可重入型函數(shù)一個可重入型函數(shù)的例子Voidswap(int*x,int*y){intTemp;Temp=*x;*X=*Y;*y=Temp;}任務(wù)優(yōu)先級靜態(tài)優(yōu)先級應(yīng)用程序執(zhí)行過程中諸任務(wù)優(yōu)先級不變，則稱之為靜態(tài)優(yōu)先級。在靜態(tài)優(yōu)先級系統(tǒng)中，諸任務(wù)以及它們的時間約束在程序編譯時是已知的。動態(tài)優(yōu)先級應(yīng)用程序執(zhí)行過程中，任務(wù)的優(yōu)先級是可變的，則稱之為動態(tài)優(yōu)先級。實時內(nèi)核應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。優(yōu)先級反轉(zhuǎn)

實時系統(tǒng)的定義：能夠?qū)ν獠渴录龀黾皶r響應(yīng)的系統(tǒng)。響應(yīng)時間要有保證。對外部事件的響應(yīng)包括：事件發(fā)生時要識別出來在給定時間約束內(nèi)必須輸出結(jié)果實時操作系統(tǒng)必須有以下特征：多任務(wù)有線程優(yōu)先級多種中斷級別硬實時系統(tǒng)：系統(tǒng)對系統(tǒng)響應(yīng)時間有嚴(yán)格的要求如果系統(tǒng)響應(yīng)時間不能滿足就會引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯誤。軟實時系統(tǒng)：統(tǒng)對系統(tǒng)響應(yīng)時間有要求，但是如果系統(tǒng)響應(yīng)時間不能滿足，它并不會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯誤或崩潰。幾種主流的嵌入式操作系統(tǒng)：μC/OS-II：免費(fèi)、面向中小型嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。Vxworks：美國WindR