嵌入式操作系統(tǒng)課件

嵌入式操作系統(tǒng)1本章內(nèi)容提要2嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)概述實時內(nèi)核及其實現(xiàn)實例簡介——

CLinux9.1

嵌入式系統(tǒng)概述3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)的，其軟、硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)和通用計算機系統(tǒng)的比較特

征嵌入式系統(tǒng)通用計算機系統(tǒng)外觀獨特，面向應(yīng)用，各不相同具有臺式機、筆記本等標(biāo)準(zhǔn)外觀結(jié)構(gòu)組成面向應(yīng)用的嵌入式微處理器，總線和外部接口多集成在處理器內(nèi)部。軟件與硬件緊密集成在一起通用處理器、標(biāo)準(zhǔn)總線和外設(shè)。軟件和硬件相對獨立安裝和卸載運行方式基于固定硬件，自動運行，不可修改用戶可以任意選擇運行或修改生成后再運行開發(fā)平臺采用交叉開發(fā)方式，開發(fā)平臺一般采用通用計算機開發(fā)平臺是通用計算機二次開發(fā)性一般不能再做編程開發(fā)應(yīng)用程序可重新編制應(yīng)用程序固定。應(yīng)用軟件與操作系統(tǒng)整合一體，在系統(tǒng)中運行多種多樣，與操作系統(tǒng)相互獨立9.2

嵌入式操作系統(tǒng)概述9.2.1

嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)示意圖49.2.2

嵌入式操作系統(tǒng)5基本功能與分類嵌入式內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)和必備部分，其他部分要根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的需要來確定。最大特點就是可定制性，即能夠提供對內(nèi)核的配置或裁剪功能，可以根據(jù)應(yīng)用需要有選擇地提供或不提供某些功能，以減少系統(tǒng)開銷。可以從不同角度對它進行分類2．發(fā)展歷史6無操作系統(tǒng)階段主要特點是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶接口。（2）簡單操作系統(tǒng)階段主要特點是：出現(xiàn)了大量高可靠、低功耗的嵌入式CPU（如Power

PC等），并得到迅速發(fā)展。（3）實時操作系統(tǒng)階段主要特點是：操作系統(tǒng)的實時性得到了很大改善，已經(jīng)能夠運行在各種不同類型的微處理器上，具有高度的模塊化和擴展性。（4）面向Internet階段主要特點是：與網(wǎng)絡(luò)密切結(jié)合，大大方便用戶使用，系統(tǒng)功能更強，提高安全保護措施。3．操作系統(tǒng)選擇硬件平臺的選擇中最重要的是處理器選擇，其主要因素包括：處理性能、技術(shù)指標(biāo)、功耗、軟件支持等。軟件平臺選擇的關(guān)鍵點是操作系統(tǒng)的選擇。需考慮的關(guān)鍵點有以下幾個：所提供的開發(fā)工具（如編譯器、調(diào)試器等）、可移植性、內(nèi)存要求、可裁剪性、是否提供硬件驅(qū)動程序、實時性能等。當(dāng)然，還要選擇合適的編程語言以及集成開發(fā)環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的過程嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程79.3

實時內(nèi)核及其實現(xiàn)89.3.1

任務(wù)管理與調(diào)度任務(wù)任務(wù)是一個獨立的執(zhí)行線程，可以與其他的并發(fā)任務(wù)競爭處理器時間。2．構(gòu)建任務(wù)模型在任務(wù)模型中，管理用戶程序時，是把整個應(yīng)用看成是一個進程；進行處理時，則將該應(yīng)用劃分為多個任務(wù)。3．任務(wù)的組成①代碼②數(shù)據(jù)③堆棧4．任務(wù)的屬性9與任務(wù)相關(guān)的參數(shù)是任務(wù)屬性包括任務(wù)優(yōu)先級（

Priority）、周期（

Period ）、計算時間（

ComputTime）、就緒時間（ReadyTime），截止時間（Deadline）等截止時間可分為硬截止時間（Deadline）5．任務(wù)管理Hard

Deadline ）和軟截止時間（可以通過創(chuàng)建、刪除、掛起、解掛、設(shè)置優(yōu)先級等操作對任務(wù)進行管理。任務(wù)是動態(tài)實體，可以處于以下合法狀態(tài)之一：睡眠、就緒、運行、等待。任務(wù)的調(diào)度算法多采用基于靜態(tài)優(yōu)先級的可搶占式調(diào)度9.3.2

中斷和時間管理10中斷在大多數(shù)嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)中都提供中斷機制2．時間管理模塊時間管理模塊用一個統(tǒng)一的方式來解決，提供定時中斷，實現(xiàn)延時和超時控制。中斷管理功能時間管理功能提供定時中斷，即時鐘節(jié)拍；提供日歷時間，負(fù)責(zé)與時間相關(guān)的任務(wù)管理工作；提供軟定時器的管理功能。9.3.3

任務(wù)的同步和通信11嵌入式系統(tǒng)中使用任務(wù)原語實現(xiàn)任務(wù)的同步和通信。信號量在實時操作系統(tǒng)中，信號量可以是一個二值信號量或一個計數(shù)信號量事件在嵌入式實時內(nèi)核中，事件是一種表明預(yù)先定義的系統(tǒng)狀況已經(jīng)發(fā)生的機制。一個或多個事件構(gòu)成一個事件集。一個事件標(biāo)志組一般由兩部分組成：標(biāo)志位，任務(wù)列表消息任務(wù)間的通信方式可分為直接通信和間接通信直接通信方式是指在通信過程中，雙方必須明確地知道彼此的存在。間接通信方式是指在通信過程中，通信雙方不需要指出消息的來源或去向，而通過中間機制進行發(fā)送和接收?！]箱和消息隊列4．管道12嵌入式系統(tǒng)的管道提供一個簡單數(shù)據(jù)流，當(dāng)管道空時，阻塞讀的任務(wù)；當(dāng)管道為滿時，阻塞寫的任務(wù)。異步信號異步信號機制也稱軟中斷機制，異步信號又稱軟中斷信號。需要處理異步信號的任務(wù)由兩部分組成：一個是與異步信號無關(guān)的任務(wù)主體，另一個是ASR（異步信號服務(wù)例程）。一個ASR對應(yīng)于一個任務(wù)。對異步信號的主要操作包括：▲安裝異步信號處理例程▲發(fā)送異步信號到任務(wù)6．共享內(nèi)存13實現(xiàn)任務(wù)間通信最常用的方法是使用共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，尤其是當(dāng)所有任務(wù)都在同一地址空間的條件下。7．任務(wù)間的耦合度在嵌入式多任務(wù)系統(tǒng)中，任務(wù)間的耦合程度是不一樣的。任務(wù)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)高優(yōu)先級任務(wù)需要等待低優(yōu)先級任務(wù)釋放資源的現(xiàn)象，稱作優(yōu)先級反轉(zhuǎn)（PriorityInversion）。9.3.4

內(nèi)存管理14嵌入式系統(tǒng)對內(nèi)存管理的普遍要求是最小的碎片、最小的管理負(fù)載和確定的分配時間。通常不采用虛擬存儲管理，而采用靜態(tài)內(nèi)存分配和動態(tài)內(nèi)存分配。需考慮因素內(nèi)存管理方式應(yīng)簡捷一般不使用虛擬存儲技術(shù)內(nèi)存保護可以有兩種方式。一種是平面內(nèi)存模式，另一種是內(nèi)存保護方式：①防止地址越界②防止操作越權(quán)2．內(nèi)存管理模式①靜態(tài)分配模式②動態(tài)分配模式3．存儲區(qū)管理15常用的嵌入式內(nèi)存管理方式有定長存儲區(qū)和可變長存儲區(qū)兩種對分區(qū)的操作：創(chuàng)建/刪除分區(qū)、獲得/釋放內(nèi)存塊、獲取分區(qū)ID、獲取當(dāng)前創(chuàng)建的分區(qū)數(shù)、獲取當(dāng)前所有分區(qū)的ID、獲取分區(qū)信息。內(nèi)存保護一般嵌入式系統(tǒng)采用內(nèi)存管理單元MMU提供的內(nèi)存保護功能。其保護方式是：如果一個MMU處在嵌入式系統(tǒng)中，則物理地址按頁尋址；每個內(nèi)存頁有一組相關(guān)的屬性，包括：該頁是否含有代碼或數(shù)據(jù)；該頁是否可讀、可寫、可執(zhí)行；該頁的CPU訪問模式是特權(quán)指令模式，還是非特權(quán)指令模式。9.3.5 I/O管理16通常，設(shè)計一個嵌入式系統(tǒng)的目的就是專門用來控制某些設(shè)備，并適應(yīng)該設(shè)備的特殊需求。嵌入式I/O系統(tǒng)主要由I/O設(shè)備、相關(guān)設(shè)備驅(qū)動程序、I/O子系統(tǒng)組成。I/O設(shè)備分為字符設(shè)備和塊設(shè)備每個I/O設(shè)備都有一個負(fù)責(zé)完成簡單讀/寫操作的驅(qū)動程序，并為用戶程序提供一個有關(guān)自身屬性的I/O應(yīng)用編程接口。I/O子系統(tǒng)定義一組標(biāo)準(zhǔn)的I/O操作函數(shù)，所有I/O設(shè)備驅(qū)動程序都支持這個函數(shù)集合。9.4 實例簡介——

CLinux

CLinux表示Micro-Control-Linux，意指“針對微控制領(lǐng)域而設(shè)計的

Linux系統(tǒng)”。1．

CLinux系統(tǒng)架構(gòu)

CLinux系統(tǒng)架構(gòu)17

CLinux操作系統(tǒng)主要由三個基本部分組成：引導(dǎo)程序、

CLinux內(nèi)核（由內(nèi)存管理、進程管理和中斷處理等構(gòu)成）和文件系統(tǒng)。2．內(nèi)存管理18它無法使用虛擬存儲管理技術(shù)及其相應(yīng)的內(nèi)存保護技術(shù)。實際上，

CLinux采用實存管理策略。

CLinux仍然采用分頁存儲管理技術(shù)。因為系統(tǒng)不含MMU，所以無法使用磁盤交換空間。文件系統(tǒng)

CLinux系統(tǒng)多采用Romfs文件系統(tǒng)，它是一種相對簡單、占用空間較少的文件系統(tǒng)。Romfs是只讀的文件系統(tǒng)，禁止寫操作。多進程