【正文】 mp。 ? 嵌入式操作系統(tǒng)本身是可以剪裁的，嵌入式系統(tǒng)外設(shè)、相關(guān)應(yīng)用也可以配置，所開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件可以在不同的應(yīng)用環(huán)境、不同的處理器芯片之間移植，軟件構(gòu)件可復(fù)用，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展和移植。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 9 ? 2．有操作系統(tǒng)的嵌入式軟件 ? 從 20世紀(jì) 80年代開(kāi)始，操作系統(tǒng)出現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)上。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? （ 1）循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式 ? 循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式的基本設(shè)計(jì)思想是：把系統(tǒng)的功能分解為若干個(gè)不同的任務(wù)，放置在一個(gè)永不結(jié)束的循環(huán)語(yǔ)句當(dāng)中，按照時(shí)間順序逐一執(zhí)行。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 5 ? 1．系統(tǒng)軟件 ? 系統(tǒng)軟件控制和管理嵌入式系統(tǒng)資源，為嵌入式應(yīng)用提供支持的各種軟件，如設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式中間件等。嵌入式軟件一般都要涉及到底層軟件的開(kāi)發(fā)，應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)也是直接基于操作系統(tǒng)的，這就要求開(kāi)發(fā)人員具有扎實(shí)的軟、硬件基礎(chǔ)，能靈活運(yùn)用不同的開(kāi)發(fā)手段和工具，具有較豐富的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。除了具有通用軟件的一般特性，同時(shí)還具有一些與嵌入式系統(tǒng)密切相關(guān)的特點(diǎn)，如： ? （ l）規(guī)模較小 ? 在一般情況下，嵌入式系統(tǒng)的資源多是比較有限的，要求嵌入式軟件必須盡可能地精簡(jiǎn)，多數(shù)的嵌入式軟件都在幾 MB以?xún)?nèi)。 ? 在航天控制、核電站、工業(yè)機(jī)器人等實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)嵌入式軟件的可靠性要求是非常高的，一旦軟件出了問(wèn)題，其后果是非常嚴(yán)重的。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式的軟件系統(tǒng)只有一條執(zhí)行流程和一個(gè)地址空間，不需要任務(wù)之間的調(diào)度和切換，其程序的代碼都是固定的，函數(shù)之間的調(diào)用關(guān)系也是明確的，整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行過(guò)程是可預(yù)測(cè)的。一般情形下，后臺(tái)程序會(huì)檢查每個(gè)任務(wù)是否具備運(yùn)行條件，通過(guò)一定的調(diào)度算法來(lái)完成相應(yīng)的操作。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。在操作系統(tǒng)的上面是一些中間件軟件。在嵌入式系統(tǒng)中， BSP類(lèi)似于 PC系統(tǒng)中的 BIOS和驅(qū)動(dòng)程序。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 16 ? （ 1）片級(jí)初始化 ? 片級(jí)初始化是一個(gè) 純硬件的初始化過(guò)程 ，把微處理器從上電時(shí)的默認(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。 ? 不同功能的硬件設(shè)備，它們的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是不同的。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。其中： ? ● 任務(wù)管理：對(duì)嵌入式系統(tǒng)中的運(yùn)行軟件進(jìn)行描述和管理，并完成處理機(jī)資源的分配與調(diào)度； ? ● 存儲(chǔ)管理：用來(lái)提高內(nèi)存的利用率，方便用戶(hù)的使用，并提供足夠的存儲(chǔ)空間； ? ● I/O設(shè)備管理：方便設(shè)備的使用，提高 CPU和輸入／輸出設(shè)備的利用率； ? ● 文件管理：解決文件資源的存儲(chǔ)、共享、保密和保護(hù)等問(wèn)題。C/OS和各類(lèi)嵌入式 Linux系統(tǒng)等，具有免費(fèi)、開(kāi)源、性能優(yōu)良、資源豐富、技術(shù)支持強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)發(fā)展迅速的一類(lèi)操作系統(tǒng) 。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 26 ? 采用分層結(jié)構(gòu)（ layered）的操作系統(tǒng)內(nèi)部分為若干個(gè)層次（ 0～N），各個(gè)層次之間的調(diào)用關(guān)系是單向的，即 某一層次上的代碼只能調(diào)用比它低層的代碼 。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 29 ? 在 VxWorks操作系統(tǒng)中，主要包含有實(shí)時(shí)微內(nèi)核 Wind、 I/O處理系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)處理模塊、虛擬內(nèi)存模塊 VxVMI、板級(jí)支持包 BSP等功能模塊。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 30 ? 2．嵌入式 Linux ? 嵌入式 Linux（ Embedded Linux）是指對(duì)標(biāo)準(zhǔn) Linux進(jìn)行小型化剪裁處理之后，可固化在存儲(chǔ)器或單片機(jī)中，適合于特定嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合的專(zhuān)用 Linux操作系統(tǒng)。 ? ● μC linux主要針對(duì)沒(méi)有 MMU的微處理器； RTLinux是最早實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)支持的 Linux版本； Embedix采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，方便系統(tǒng)剪裁； Hard Hat Linux是一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，可以針對(duì)硬件環(huán)境進(jìn)行配置，以獲得最佳的性能和最小的容量。圖形窗口和事件子系統(tǒng)模塊控制圖形顯示，并提供 Windows GUI圖形界面。 ? ?C/OSII內(nèi)核在 2KB ～ 10KB數(shù)量級(jí)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，主要面向中小型嵌入式系統(tǒng)。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 34 嵌入式系統(tǒng)的任務(wù)管理 ? 單道程序設(shè)計(jì)和多道程序設(shè)計(jì) ? 嵌入式操作系統(tǒng)可以分為單道程序設(shè)計(jì)和多道程序設(shè)計(jì)（ muftiprogramming）兩種類(lèi)型。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 35 ? 2. 多道程序設(shè)計(jì)類(lèi)型 ? 采用多道程序設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)允許多個(gè)程序同時(shí)存在并運(yùn)行，采用多道程序技術(shù)可以有效提高系統(tǒng)資源的利用率。但是在 t5時(shí)刻，甲已經(jīng)使用完了 I/O設(shè)備，而乙仍然在使用 CPU，所以甲只能處于等待狀態(tài)，等到 t6時(shí)刻再交換資源。而進(jìn)程是正在執(zhí)行的程序，它是由程序和該程序的運(yùn)行上下文兩部分內(nèi)容組成。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 38 ? CPU上下文：程序在運(yùn)行時(shí)， CPU中含有 PC（ Program Counter，程序計(jì)數(shù)器）、 PSW（ Program Status Word, 程序狀態(tài)字）、通用寄存器、段寄存器、棧指針寄存器等各種寄存器的當(dāng)前值內(nèi)容，例如：在 PC中記錄的將要取出的指令的地址，在PSW中用于記錄處理器的運(yùn)行狀態(tài)信息，通用寄存器存放的數(shù)據(jù)或地址；段寄存器存放的程序中各個(gè)段的地址；棧指針寄存器記錄的棧頂?shù)漠?dāng)前位置。所謂的線程，就是進(jìn)程當(dāng)中的一條執(zhí)行流程。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 40 圖 線程與進(jìn)程的資源關(guān)系 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。在一些具有交互功能的嵌入式系統(tǒng)中，用戶(hù)可以通過(guò)輸入命令或單擊圖標(biāo)的方式，讓系統(tǒng)啟動(dòng)一個(gè)新的任務(wù)。對(duì)于新創(chuàng)建的子任務(wù)來(lái)說(shuō)，它可以從父任務(wù)那里繼承代碼、數(shù)據(jù)等各種屬性。 ? 3．任務(wù)的狀態(tài) ? 在多道程序系統(tǒng)中，任務(wù)是獨(dú)立運(yùn)行的實(shí)體，需要競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)資源，而任務(wù)所擁有的資源是在不斷變化中的，使得任務(wù)的狀態(tài)也在不斷的變化。此時(shí)，即使 CPU已經(jīng)空閑下來(lái)了，該任務(wù)也還是不能運(yùn)行。對(duì)任務(wù)的組織和管理可以通過(guò)對(duì)它們的 TCB的組織和管理來(lái)實(shí)現(xiàn)。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 50 ? 5．任務(wù)切換 ? 任務(wù)切換（ context switching）是指一個(gè)任務(wù)正在 CPU上運(yùn)行，由于某種原因，系統(tǒng)需要調(diào)度另一個(gè)任務(wù)去運(yùn)行，那么這時(shí)就需要進(jìn)行把當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)行上下文保存起來(lái)，并設(shè)置新任務(wù)的上下文，這一過(guò)程稱(chēng)為任務(wù)切換。 ? 操作系統(tǒng)用一組隊(duì)列來(lái)表示系統(tǒng)當(dāng)中所有任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)。調(diào)度器在決策過(guò)程中所采用的算法稱(chēng)為調(diào)度算法。當(dāng)出現(xiàn)新任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)運(yùn)行結(jié)束及任務(wù)被阻塞的調(diào)度時(shí)機(jī)時(shí)，有可能會(huì)發(fā)生調(diào)度。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 54 ? ● 公平性（ fairness ）是指大致相當(dāng)?shù)膬蓚€(gè)任務(wù)所得到的 CPU時(shí)間也應(yīng)該是大致相同的。 FCFS也叫做 FIFO（ First In First Out，先進(jìn)先出算法）。而在可搶占方式，當(dāng)前任務(wù)正在運(yùn)行的時(shí)候，來(lái)了一個(gè)比它執(zhí)行時(shí)間更短的任務(wù)，而且它的運(yùn)行時(shí)間要小于當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)的剩余時(shí)間，那么這個(gè)新任務(wù)就會(huì)搶占 CPU去運(yùn)行。 ? 采用 RR算法，各個(gè)就緒任務(wù)平均地分配 CPU的使用時(shí)間，例如有 n個(gè)就緒任務(wù)，那么每個(gè)任務(wù)將得到 1/n的 CPU時(shí)間。 ? 優(yōu)先級(jí)算法可以分為可搶占和不可搶占兩種方式。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。啟動(dòng)時(shí)間 t（ i）是指第 i個(gè)任務(wù)的第 i次執(zhí)行的開(kāi)始時(shí)間。 ? 在任務(wù)比較多的情況下， RMS可調(diào)度的 CPU使用率上限 為 ln2＝， CPU使用率如此低，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不可接受的。對(duì)于給定的一組任務(wù)，只要它們的CPU使用率小于或等于 1， EDF就能找到合適的調(diào)度順序 ，使得每個(gè)任務(wù)都能在自己的時(shí)間期限內(nèi)完成。內(nèi)存保護(hù)用來(lái)防止地址越界和防止操作越權(quán)。 ? 在實(shí)模式存儲(chǔ)管理方式中，系統(tǒng)的內(nèi)存地址空間一般可以分為 text、 data、bss、堆、棧五個(gè)部分 。其缺點(diǎn)是沒(méi)有存儲(chǔ)保護(hù)、安全性差，在應(yīng)用程序中出現(xiàn)的任何一個(gè)小錯(cuò)誤或蓄意攻擊都有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。 ? 1．固定分區(qū)存儲(chǔ)管理 ? 采用固定分區(qū)存儲(chǔ)管理方法時(shí)，各個(gè)用戶(hù)分區(qū)的個(gè)數(shù)、位置和大小一旦確定后，就固定不變，不能再修改了。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)內(nèi)存的分配和回收，將一個(gè)完整的空閑區(qū)劃分成若干個(gè)占用區(qū)和空閑區(qū)。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 73 ? （ 2）邏輯地址（ logical address） ? 邏輯地址也叫相對(duì)地址或虛地址 。地址映射主要有靜態(tài)地址映射和動(dòng)態(tài)地址映射兩種方式。顯然，邏輯地址和物理地址是完全不同的，不能用邏輯地址來(lái)直接訪問(wèn)內(nèi)存單元。 ? （ 1）物理地址（ physical address） ? 物理地址也叫內(nèi)存地址、絕對(duì)地址或?qū)嵉刂?。 ? 在內(nèi)存的分配算法上，當(dāng)一個(gè)新任務(wù)來(lái)到時(shí)，需要為它尋找一個(gè)空閑分區(qū)，其大小必須大于或等于該任務(wù)的要求。每個(gè)分區(qū)都是按需分配的，分區(qū)的大小正好等于任務(wù)的大小。 ? 固定分區(qū)存儲(chǔ)管理方法的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)比較小，空閑空間的管理、內(nèi)存的分配和回收算法都非常簡(jiǎn)單。 ? 在保護(hù)模式存儲(chǔ)管理方式中，系統(tǒng)內(nèi)核和用戶(hù)程序有各自獨(dú)立的地址空間，操作系統(tǒng)和 MMU共同完成邏輯地址到物理地址的映射；每個(gè)應(yīng)用程序只能訪問(wèn)自己的地址空間，對(duì)于共享的內(nèi)存區(qū)域，也必須按照規(guī)定的權(quán)限規(guī)則來(lái)訪問(wèn)，具有存儲(chǔ)保護(hù)功能。 .data：（數(shù)據(jù)段）用來(lái)存放操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序當(dāng)中所有 帶有初始值的全局變量 。 ? 操作系統(tǒng)通常 利用 MMU來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)核與應(yīng)用程序的隔離，以及應(yīng)用程序與應(yīng)用程序之間的隔離。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 65 嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理 ? ? 嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理方式與系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域及硬件環(huán)境密切相關(guān)，不同的嵌入式系統(tǒng)采用不同的存儲(chǔ)管理方式，需要 考慮硬件條件、實(shí)時(shí)性要求、系統(tǒng)規(guī)模、可靠性要求等因素 。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 62 圖 RTOS任務(wù)模型 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 RTOS調(diào)度器多采用基于優(yōu)先級(jí)的可搶占調(diào)度算法。而不可搶占方式則是需要等當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行完后再?zèng)Q定。 q太大，每個(gè)任務(wù)都在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)完成，這就失去了 RR算法的意義。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 57 ? 不可搶占的 SJF算法如圖 ，由于任務(wù) T3的執(zhí)行時(shí)間最短，所以首先被調(diào)度運(yùn)行，其次是 T1和 T2。缺點(diǎn)是一批任務(wù)的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間取決于各個(gè)任務(wù)到達(dá)的順序，如果短任務(wù)位于長(zhǎng)任務(wù)之后，那么將增大平均周轉(zhuǎn)時(shí)間。 ? ● 均衡性（ balance）是指要盡可能使整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分（ CPU， I/O）都忙起來(lái)，提高系統(tǒng)資源的使用效率。 ? 在嵌入式操作系統(tǒng)中，存在著許多的調(diào)度算法，每一種算法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 ? 任務(wù)調(diào)度存在可搶占調(diào)度（ preemptive）和不可搶占調(diào)度（ nonpreemptive）兩種調(diào)度方式。不同的狀態(tài)用不同的隊(duì)列來(lái)表示。 ? （ 3）按照一定的策略，從所有處于就緒狀態(tài)的任務(wù)中選擇一個(gè)去運(yùn)行。 ? （ 1）任務(wù)的管理信息 ? 任務(wù)的管理信息包括任務(wù)的標(biāo)識(shí) ID、任務(wù)的狀態(tài)、任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、任務(wù)的調(diào)度信息、任務(wù)的時(shí)間統(tǒng)計(jì)信息、各種隊(duì)列指針等。 圖 任務(wù)間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? 任務(wù)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)占有 CPU并在 CPU上運(yùn)行，在任何一個(gè)時(shí)刻，處于運(yùn)行狀態(tài)的任務(wù)個(gè)數(shù)必須小于或等于 CPU的數(shù)目。 ? （ 2）任務(wù)的終止 ? 任務(wù)的終止可能有多種原因，正常退出、錯(cuò)誤退出、被其他任務(wù)踢出等情況可以使任務(wù)終止。 ? 在嵌入式操作系統(tǒng)當(dāng)中，任務(wù)的創(chuàng)建主要采用