實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS培訓(xùn).ppt

1、深圳國(guó)微技術(shù)有限公司 2005-07-11,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)培訓(xùn),實(shí)時(shí)系統(tǒng),概念 實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指在確定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能，并能對(duì)外部異步事件作出正確響應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 實(shí)時(shí)系統(tǒng)分類 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng):結(jié)果遲到產(chǎn)生災(zāi)難性結(jié)果 FIRM 實(shí)時(shí)系統(tǒng):結(jié)果遲到會(huì)產(chǎn)生難以接受的質(zhì)量上的降低 軟實(shí)時(shí)系統(tǒng):結(jié)果遲到會(huì)引起質(zhì)量下降,系統(tǒng)可以自行恢復(fù) 衡量系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的3個(gè)指標(biāo)： 響應(yīng)時(shí)間（Response Time） 生存時(shí)間（Survival Time） 吞吐量（Throughput）,嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)通常都是實(shí)時(shí)系統(tǒng),其特征為 系統(tǒng)的正確性不但依賴于運(yùn)行邏輯結(jié)果的正確性,而且依賴于得到結(jié)果所花費(fèi)的時(shí)間

2、 系統(tǒng)對(duì)于各種外部輸入在預(yù)定時(shí)間內(nèi)能得到可以預(yù)測(cè)的結(jié)果 嵌入式系統(tǒng)通常使用RTOS,其特征為 在不同的系統(tǒng)負(fù)載下,行為可以預(yù)測(cè) 支持基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度 MEMORY模型對(duì)于RTOS的性能十分重要 通常都需要一個(gè)時(shí)鐘來(lái)處理任務(wù)的同步,S-STATIC D-DYNAMIC,比較,嵌入式系統(tǒng)（續(xù)）,硬件特性 體積小，集成效率高 面向特定應(yīng)用 低功耗，能在惡劣環(huán)境下工作 軟件特性 軟件的研發(fā)與硬件緊密相關(guān) 軟件代碼要求高效率和高可靠性 軟件一般固化在FLASH或ROM中 應(yīng)用 工業(yè)過(guò)程控制 軍事電子設(shè)備和現(xiàn)代武器 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備 消費(fèi)電子產(chǎn)品,嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件特征,實(shí)時(shí)性：反應(yīng)時(shí)間要快，按要求的間隔輸出

3、正確時(shí)間信號(hào)給實(shí)時(shí)的控制設(shè)備 多任務(wù)并發(fā)性：利用適當(dāng)?shù)牟呗钥刂贫嗳蝿?wù)的執(zhí)行，提高資源的利用效率 有處理異步事件的能力 快速啟動(dòng)，并有出錯(cuò)處理和自動(dòng)復(fù)位功能 嵌入式實(shí)時(shí)軟件是應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)兩種軟件的一體化程序 嵌入式實(shí)時(shí)軟件的開發(fā)需要獨(dú)立的開發(fā)平臺(tái)和交叉開發(fā)環(huán)境,主要的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),VxWorks 使用最廣、市場(chǎng)占有率最高的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，美國(guó)WindRiver公司產(chǎn)品 VRTX 老牌嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) pSOS ISI公司推出，現(xiàn)已被WindRiver公司收購(gòu) WinCE Microsoft公司推出，實(shí)時(shí)性不太好，主要用于掌上系統(tǒng) Palm OS 3Com公司推出，在PDA市場(chǎng)占

4、有很大份額 嵌入式Linux 源代碼免費(fèi)開放，eCOS是Redhat推出的一款嵌入式LINUX操作系統(tǒng),前后臺(tái)系統(tǒng),通常應(yīng)用于不復(fù)雜的小型系統(tǒng) 應(yīng)用程序是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，這部分可以看成后臺(tái)行為(background) 中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看成前臺(tái)行為（foreground） 后臺(tái)也可以叫做任務(wù)級(jí)，前臺(tái)也叫中斷級(jí),前后臺(tái)系統(tǒng)（續(xù)）,多任務(wù)系統(tǒng),CPU在許多任務(wù)之間轉(zhuǎn)換、調(diào)度，輪番服務(wù)于一系列任務(wù)中的某一個(gè) 優(yōu)點(diǎn)： 使CPU 的利用率得到最大的發(fā)揮 使應(yīng)用程序模塊化 可以將很復(fù)雜的應(yīng)用程序?qū)哟位?應(yīng)用程序 將更容易設(shè)計(jì)與維護(hù),RTOS組成,操作系統(tǒng)是硬件與用戶之間的一層系統(tǒng)軟件,

5、負(fù)責(zé)管理整個(gè)系統(tǒng),同時(shí)將硬件細(xì)節(jié)與用戶隔離開來(lái)為用戶提供一個(gè)更容易理解和進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的接口操作 系統(tǒng)的質(zhì)量以它的體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),確保系統(tǒng)的性能、可靠性、靈活性、可移植性、可擴(kuò)展性等，同時(shí)定義了硬件與軟件的界面，操作系統(tǒng)內(nèi)部各構(gòu)件的組織關(guān)系系統(tǒng)與用戶的接口 RTOS資源分配必須考慮到實(shí)時(shí)性要求 合理分配優(yōu)先級(jí) 支持優(yōu)先級(jí)搶占 提供任務(wù)同步和互斥 支持不同任務(wù)之間的數(shù)據(jù)共享 支持外部事件(中斷)響應(yīng) 系統(tǒng)可剪裁，由于資源限制，所采用的操作系統(tǒng)應(yīng)該有極強(qiáng)的針對(duì)性，因此操作系統(tǒng)功能夠用即可 易于擴(kuò)展，由于嵌入式設(shè)備的功能多樣化，要求嵌入式操作系統(tǒng)除提供基本的內(nèi)核支持外，還需提供越來(lái)越多的可擴(kuò)展功能模塊

6、(含用戶擴(kuò)展),如:針對(duì)特有應(yīng)用提供的協(xié)議支持、協(xié)議擴(kuò)展，功耗控制等等,RTOS組成(續(xù)),HAL,RTOS 基本內(nèi)核 線程線程管理 時(shí)鐘管理 中斷設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理 通信管理 存儲(chǔ)管理,RTOS擴(kuò)展內(nèi)核 接口協(xié)議管理 其它,API,RTOS組成(續(xù)),基本內(nèi)核：嵌入式RTOS 中最核心最基礎(chǔ)的部分 任務(wù)（線程/線程）管理：負(fù)責(zé)系統(tǒng)中任務(wù)狀態(tài)的變遷 中斷（包括時(shí)鐘中斷）管理：開關(guān)中斷，完成現(xiàn)場(chǎng)切換和保持 任務(wù)（線程/線程）通信管理：信號(hào)量、事件、消息隊(duì)列等 存儲(chǔ)管理：分配存儲(chǔ)器空間 擴(kuò)展內(nèi)核：為方便用戶使用而對(duì)RTOS 進(jìn)行的擴(kuò)展 根據(jù)具體應(yīng)用不同所做的擴(kuò)展不同 CAM應(yīng)用中表現(xiàn)為對(duì)CI接口協(xié)議進(jìn)行

7、管理 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口：RTOS 內(nèi)核與外部硬件之間的一個(gè)硬件抽象層 定義軟件與硬件的界限，方便RTOS 的移植升級(jí) 應(yīng)用編程接口：建立在RTOS 編程接口之上的面向應(yīng)用領(lǐng)域的編程接口 方便用戶編寫特定領(lǐng)域的嵌入式應(yīng)用程序,RTS的響應(yīng)時(shí)間,及時(shí)性是實(shí)時(shí)系統(tǒng)最為重要的特性 設(shè)計(jì)者應(yīng)該能預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的行為 同步任務(wù)由時(shí)鐘來(lái)同步 異步事件通常由中斷驅(qū)動(dòng),一個(gè)多任務(wù)RTOS的事例,Resource allocation P(s2); P(s1) ; 從緩沖區(qū)取產(chǎn)品; 送產(chǎn)品到緩沖區(qū); V(s1); V(s2); 消費(fèi)產(chǎn)品; ; ;,S1初值為1，S2初值為0,多個(gè)緩沖區(qū)的生產(chǎn)者和消費(fèi)者,P：i =

8、0;while (true) 生產(chǎn)產(chǎn)品; P(S1); 往Buffer i放產(chǎn)品; V(S2); i = (i+1) % n; ;,Q： j = 0; while (true) P(S2); 從Bufferj取產(chǎn)品; V(S1); 消費(fèi)產(chǎn)品; j = (j+1) % n; ;,S1初值為n，S2初值為0,Q： j = 0; while (true) P(S2); P(mutex2); 從Bufferj取產(chǎn)品; V(mutex2); V(S1); 消費(fèi)產(chǎn)品; j = (j+1) % n; ;,n個(gè)緩沖區(qū)、m個(gè)生產(chǎn)者和k個(gè)消費(fèi)者,P：i = 0;while (true) 生產(chǎn)產(chǎn)品; P(S1);

9、P(mutex1); 往Buffer i放產(chǎn)品; V(mutex1); V(S2); i = (i+1) % n; ;,錯(cuò)誤,S1初值為n，S2初值為0,線程數(shù)為m,線程數(shù)為k,Q： j = 0; while (true) P(S2); P(mutex2); 從Bufferj取產(chǎn)品; j = (j+1) % n; V(mutex2); V(S1); 消費(fèi)產(chǎn)品; ;,n個(gè)緩沖區(qū)、m個(gè)生產(chǎn)者和k個(gè)消費(fèi)者,P：i = 0;while (true) 生產(chǎn)產(chǎn)品; P(S1); P(mutex1); 往Buffer i放產(chǎn)品; i = (i+1) % n; V(mutex1); V(S2); ;,正確,S

10、1初值為n，S2初值為0,線程數(shù)為m,線程數(shù)為k,1) 信號(hào)量的物理含義： S0表示有S個(gè)資源可用 S=0表示無(wú)資源可用 S0則| S |表示S等待隊(duì)列中的線程個(gè)數(shù) P(S)：表示申請(qǐng)一個(gè)資源 V(S)：表示釋放一個(gè)資源。信號(hào)量的初值應(yīng)該大于等于0,信號(hào)量及P、V操作討論,2) P.V操作必須成對(duì)出現(xiàn)，有一個(gè)P操作就一定有一個(gè)V操作 當(dāng)為互斥操作時(shí)，它們同處于同一線程 當(dāng)為同步操作時(shí)，則不在同一線程中出現(xiàn) 如果P(S1)和P(S2)兩個(gè)操作在一起，那么P操作的順序至關(guān)重要,一個(gè)同步P操作與一個(gè)互斥P操作在一起時(shí)同步P操作在互斥P操作前 而兩個(gè)V操作無(wú)關(guān)緊要,信號(hào)量及P、V操作討論（續(xù)1）,3）

11、P.V操作的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)單，而且表達(dá)能力強(qiáng)（用P.V操作可解決任何同步互斥問題） 缺點(diǎn)： 不夠安全；P.V操作使用不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)死鎖；遇到復(fù)雜同步互斥問題時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,信號(hào)量及P、V操作討論（續(xù)2）,【思考題】,1.用P.V操作解決下圖之同步問題:,get,copy,put,f,s,t,g,用P.V操作解決司機(jī)與售票員的問題,信號(hào)量管理,創(chuàng)建信號(hào)量（SemCreate） 釋放信號(hào)量（SemPost） 等待信號(hào)量（SemPend） 信號(hào)量為0時(shí)任務(wù)掛起，永久或有限等待 無(wú)等待取信號(hào)量（SemAccept） 信號(hào)量為0時(shí)任務(wù)不會(huì)掛起，返回0,eCos的信號(hào)量管理(sidsa API),sm_cre

12、ate ULONG sm_create(char name4, ULONG count, ULONG flags, ULONG *smid) sm_delete ULONG sm_delete(ULONG smid) sm_p ULONG sm_p(ULONG smid, ULONG flags, ULONG timeout) sm_v ULONG sm_v(ULONG smid),eCos的信號(hào)量管理(kernel API),cyg_semaphore_init cyg_semaphore_destroy cyg_semaphore_wait cyg_semaphore_timed_wait

13、 cyg_semaphore_trywait cyg_semaphore_post cyg_semaphore_peek,互斥量（Mutex）,一個(gè)互斥量就是一個(gè)同步對(duì)象，用于多任務(wù)串行訪問共享數(shù)據(jù) 只有一個(gè)任務(wù)可以獲得和擁有一個(gè)互斥量，也只有這個(gè)任務(wù)隨后才能釋放這個(gè)互斥量 互斥量是取值為0-1的二元信號(hào)量,互斥量管理,創(chuàng)建互斥量（MutexCreate） 刪除互斥量（MutexDelete） 等待互斥量（MutexPend） 釋放互斥量（MutexPost） 無(wú)等待獲取互斥量（MutexAccept）,互斥量管理(sidsa API),NA,互斥量管理(kernel API),cyg_mut

14、ex_init cyg_mutex_destroy cyg_mutex_lock cyg_mutex_trylock cyg_mutex_unlock cyg_mutex_release cyg_mutex_set_ceiling cyg_mutex_set_protocol,事件標(biāo)志(Event Flags),事件標(biāo)志用于任務(wù)與多個(gè)事件的同步 獨(dú)立型同步(即邏輯或關(guān)系)：任務(wù)需要與任何事件之一發(fā)生同步 關(guān)聯(lián)型同步(邏輯與關(guān)系)：任務(wù)需要與若干事件都發(fā)生了同步 事件標(biāo)志通常為32位變量，每個(gè)事件占一位(bit)，當(dāng)一個(gè)標(biāo)志處于設(shè)置狀態(tài)（1）時(shí)，表示相關(guān)事件已經(jīng)發(fā)生,事件標(biāo)志組管理,創(chuàng)建事件標(biāo)志

15、組（FLagCreate） 置位事件標(biāo)志（FlagPost） 等待事件標(biāo)志位（FlagPend） 無(wú)等待獲取事件標(biāo)志位（FlagAccept） 清除事件標(biāo)志位（FlagClear） 在再次發(fā)送事件標(biāo)志前，應(yīng)先清除該標(biāo)志,事件標(biāo)志組管理(sidsa API),ev_send ULONG ev_send(ULONG tid, ULONG events) ev_receive ULONG ev_receive(ULONG events, ULONG flags, ULONG timeout, ULONG *events_r),事件標(biāo)志組管理(kernel API),cyg_flag_init cyg

16、_flag_destroy cyg_flag_setbits cyg_flag_maskbits cyg_flag_wait cyg_flag_timed_wait cyg_flag_poll cyg_flag_peek cyg_flag_waiting,消息郵箱（Message Box）,消息郵箱也稱作交換消息，是用一個(gè)指針型變量放到郵箱，該指針指向的內(nèi)容就是那則消息 消息郵箱用于一個(gè)線程向另一個(gè)線程發(fā)送消息，實(shí)現(xiàn)線程間通信 用一個(gè)I 字表示郵箱符號(hào),消息郵箱管理,創(chuàng)建郵箱（MboxCreate） 發(fā)送消息（MboxPost） 消息放入郵箱后，或者是把消息傳給等待消息的任務(wù)表中優(yōu)先級(jí)最高的那

17、個(gè)任務(wù)(基于優(yōu)先級(jí))，或者是將消息傳給最先開始等待消息的任務(wù)(基于先進(jìn)先出) 郵箱只能保存一個(gè)消息，試圖向已存有消息的郵箱發(fā)送消息會(huì)導(dǎo)致“郵箱滿”錯(cuò)誤 等待消息（MboxPend） 等待消息的任務(wù)會(huì)因?yàn)猷]箱是空的而被掛起，且被記錄到等待消息的任務(wù)表中，直到收到消息 無(wú)等待取消息（MboxAccept） 如果郵箱是空的任務(wù)也不會(huì)掛起，此時(shí)返回值為NULL表示無(wú)消息,消息郵箱管理(sidsa API),NA,消息郵箱管理(kernel API),cyg_mbox_create cyg_mbox_delete cyg_mbox_get cyg_mbox_timed_get cyg_mbox_tryg

18、et cyg_mbox_peek cyg_mbox_peek_item cyg_mbox_put cyg_mbox_timed_put cyg_mbox_tryput cyg_mbox_waiting_to_get cyg_mbox_waiting_to_put,消息隊(duì)列（Message Queue）,消息隊(duì)列實(shí)際上是郵箱陣列 任務(wù)先得到的是最先進(jìn)入消息隊(duì)列的消息，即先進(jìn)先出原則(FIFO) 用2個(gè)I 字表示郵箱隊(duì)列符號(hào),消息隊(duì)列管理,創(chuàng)建消息隊(duì)列（QCreate） 發(fā)送消息（QPost） 消息放入消息隊(duì)列后，或者是把消息傳給等待消息的任務(wù)表中優(yōu)先級(jí)最高的那個(gè)任務(wù)(基于優(yōu)先級(jí))，或者是將消息傳

19、給最先開始等待消息的任務(wù)(基于先進(jìn)先出) 如果消息隊(duì)列內(nèi)的消息已滿，會(huì)導(dǎo)致“消息滿”錯(cuò)誤 等待消息（QPend） 等待消息的任務(wù)會(huì)因?yàn)橄㈥?duì)列是空的而被掛起，直到收到消息 無(wú)等待取消息（QAccept） 如果郵箱是空的任務(wù)也不會(huì)掛起，此時(shí)返回值為NULL表示無(wú)消息,消息隊(duì)列管理(sidsa API),q_create ULONG q_create(char name4, ULONG count, ULONG flags, ULONG *qid) q_delete ULONG q_delete(ULONG qid) q_send ULONG q_send(ULONG qid, ULONG msg

20、_buf4) q_receive ULONG q_receive(ULONG qid, ULONG flags, ULONG timeout, ULONG msg_buf4),消息隊(duì)列管理(kernel API),NA,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序概述,1、I/O的特點(diǎn) （1）I/O性能經(jīng)常成為系統(tǒng)性能的瓶頸 CPU性能不等于系統(tǒng)性能,響應(yīng)時(shí)間也是一個(gè)重要因素 CPU性能越高，與I/O差距越大 彌補(bǔ)：更多的線程 線程切換多，系統(tǒng)開銷大 （2）操作系統(tǒng)龐大復(fù)雜的原因之一是：資源多、雜，并發(fā)，均來(lái)自I/O 外設(shè)種類繁多，結(jié)構(gòu)各異 輸入輸出數(shù)據(jù)信號(hào)類型不同 速度差異很大 （3）理解I/O的工作過(guò)程與結(jié)構(gòu)是理解操作系

21、統(tǒng)的工作過(guò)程與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵,（1）按照用戶的請(qǐng)求，控制設(shè)備的各種操作，完成I/O設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換（包括設(shè)備分配與回收；設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；設(shè)備中斷處理；緩沖區(qū)管理），最終完成用戶的I/O請(qǐng)求 設(shè)備分配與回收 記錄設(shè)備的狀態(tài) 根據(jù)用戶的請(qǐng)求和設(shè)備的類型，采用一定的分配算法，選擇一條數(shù)據(jù)通路 建立統(tǒng)一的獨(dú)立于設(shè)備的接口 完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)真正的I/O操作 處理外部設(shè)備的中斷處理 管理I/O緩沖區(qū),設(shè)備管理的目標(biāo)和任務(wù),（2）向用戶提供使用外部設(shè)備的方便接口，使用戶擺脫繁瑣的編程負(fù)擔(dān) 方便性 友好界面 透明性 屏蔽硬件細(xì)節(jié)（設(shè)備的物理細(xì)節(jié)，錯(cuò)誤處理，不同I/O的差異性） （3）充分利用各種技術(shù)（

22、通道，中斷，緩沖等）提高CPU與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的并行工作能力，充分利用資源，提高資源利用率 并行性 均衡性（使設(shè)備充分忙碌）,設(shè)備管理的目標(biāo)和任務(wù)(續(xù)),（4）保證多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)使用設(shè)備時(shí)，按一定策略分配和管理各種設(shè)備，使系統(tǒng)能有條不紊的工作 （5）保護(hù) 設(shè)備傳送或管理的數(shù)據(jù)應(yīng)該是安全的、不被破壞的、保密的 （6）與設(shè)備無(wú)關(guān)性（設(shè)備獨(dú)立性） 用戶在編制程序時(shí)，使用邏輯設(shè)備名，由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備到物理設(shè)備（實(shí)際設(shè)備）的轉(zhuǎn)換,用戶能獨(dú)立于具體物理設(shè)備而方便的使用設(shè)備,設(shè)備管理的目標(biāo)和任務(wù)(續(xù)),用戶申請(qǐng)使用設(shè)備時(shí)，只需要指定設(shè)備類型，而無(wú)須指定具體物理設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的請(qǐng)求，及設(shè)備分配的情況

23、，在相同類別設(shè)備中，選擇一個(gè)空閑設(shè)備，并將其分配給一個(gè)申請(qǐng)線程 統(tǒng)一性： 對(duì)不同的設(shè)備采取統(tǒng)一的操作方式，在用戶程序中使用的是邏輯設(shè)備 優(yōu)點(diǎn)： 設(shè)備忙碌或設(shè)備故障時(shí)，用戶不必修改程序 改善了系統(tǒng)的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性,設(shè)備管理的目標(biāo)和任務(wù)(續(xù)),設(shè)備獨(dú)立的軟件,雖然IO軟件中一部分是設(shè)備專用的，但大部分軟件是與設(shè)備無(wú)關(guān)的。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備獨(dú)立軟件之間的確切界限是依賴于具體系統(tǒng)的,1.獨(dú)立于設(shè)備的軟件的基本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備都需要的功能，并且向用戶級(jí)軟件提供一個(gè)統(tǒng)一的接口 2.如何給文件和設(shè)備這樣的對(duì)象命名是操作系統(tǒng)中的一個(gè)主要課題。獨(dú)立于設(shè)備的軟件負(fù)責(zé)把設(shè)備的符號(hào)名映射到正確的設(shè)備驅(qū)動(dòng)上 3.設(shè)備保護(hù) 系統(tǒng)如何防止無(wú)權(quán)存取設(shè)備的用戶存取設(shè)備呢？ 4.緩沖技術(shù) 5.設(shè)備分配 6.出錯(cuò)處理,設(shè)備獨(dú)立的軟件(續(xù)),（1）緩沖技術(shù)的引入