【正文】 用戶的程序經(jīng)過匯編或編譯后形成目標(biāo)代碼，而這些目標(biāo)代碼通常采用的就是相對地址的形式，其首地址為 0，其余指令中的地址都是相對于這個首地址來編址的。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 71 ? 在內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)會維護(hù)一個分區(qū)鏈表，來跟蹤記錄每一個內(nèi)存分區(qū)的情況，包括該分區(qū)的狀態(tài)（已分配或空閑）、起始地址、長度等信息。為了滿足不同程序的存儲需要，各個分區(qū)的大小可以是相等的，也可以是不相等的。其中： .text：（代碼段）用來存放操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的 所有代碼 。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。在可搶占方式中，當(dāng)一個任務(wù)正在運(yùn)行的時候，如果這時來了一個新的任務(wù)，其優(yōu)先級更高，則立即搶占 CPU去運(yùn)行這個新任務(wù)。這種方法也稱為 SRTF（ Shortest Remaining Time First，最短剩余時間優(yōu)先算法） 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。另外，要防止饑餓（ starvation）情況出現(xiàn)，即某一個任務(wù)始終得不到處理器去運(yùn)行。 ? 一般來說，在一個新的任務(wù)被創(chuàng)建時、在一個任務(wù)運(yùn)行結(jié)束時、在一個任務(wù)由于 I/O操作、信號量或其他原因被阻塞時、在一個I/O中斷發(fā)生時、在一個時鐘中斷發(fā)生時這五種調(diào)度時機(jī)都可能會發(fā)生任務(wù)的調(diào)度。 ? 任務(wù)切換通常包含有以下幾個基本步驟： ? （ 1）將處理器的運(yùn)行上下文保存在當(dāng)前任務(wù)的 TCB中； ? （ 2）更新當(dāng)前任務(wù)的狀態(tài)，從運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)或阻塞狀態(tài)。 ? 如圖 ，在一定條件下，任務(wù)會在不同的狀態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，存在運(yùn)行 → 阻塞、運(yùn)行 → 就緒、就緒 → 運(yùn)行、阻塞 → 就緒四種轉(zhuǎn)換關(guān)系。而 spawn模型在創(chuàng)建新任務(wù)的時，直接為它分配一個全新的地址空間，然后將新任務(wù)的代碼裝入并運(yùn)行。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 42 ? 1．任務(wù)的層次結(jié)構(gòu) ? 任務(wù)的層次結(jié)構(gòu)如圖 。 ? 從資源組合的角度來看，進(jìn)程把一組相關(guān)的資源組合起來，構(gòu)成了一個資源平臺（資源環(huán)境），其中包括運(yùn)行上下文、內(nèi)存地址空間、打開的文件等，在圖 。程序是靜態(tài)的，而進(jìn)程是一個動態(tài)的，變化的。 ? 在多道程序設(shè)計的環(huán)境下，允許多個程序同時運(yùn)行，當(dāng)一個程序在訪問 I/O設(shè)備時，會主動把 CPU交出來，讓另一個程序去運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)資源的使用效率。 μC/OSII內(nèi)核提供最基本的系統(tǒng)服務(wù)，例如信號量、郵箱、消息隊列、內(nèi)存管理、中斷管理等。 ? 3． Windows CE ? Windows CE是一個基于優(yōu)先級的多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，提供了256個優(yōu)先級別，基本內(nèi)核需要至少 200KB的 ROM，支持Win32API子集、支持多種用戶界面硬件、支持多種串行和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。其中： ? 實時微內(nèi)核 Wind包括 基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間的通信、同步和互斥、中斷處理、定時器和內(nèi)存管理機(jī)制等功能 。分層結(jié)構(gòu)要求在每個層次上都要提供一組 API接口函數(shù)，增加了系統(tǒng)的額外開銷，但系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)較為簡單。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 20 ? ? 在嵌入式系統(tǒng)中工作的操作系統(tǒng)稱為 EOS（ Embedded Operating System，嵌入式操作系統(tǒng)）， EOS的基本功能主要體現(xiàn)在以下兩個方面： ? 1． 構(gòu)成一個易于編程的虛擬機(jī)平臺 ? EOS構(gòu)成一個虛擬機(jī)平臺， EOS把底層的硬件細(xì)節(jié)封裝起來，為運(yùn)行在它上面的軟件（如中間件軟件和各種應(yīng)用軟件）提供了一個抽象的編程接口。但大多數(shù)的設(shè)備驅(qū)動程序都具有硬件啟動（初始化）、硬件關(guān)閉（關(guān)機(jī)）、硬件停用（暫停）、硬件啟用（重新啟用）、讀操作（讀取數(shù)據(jù)）、寫操作（寫入數(shù)據(jù)）等基本功能。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 15 ? 2． BootLoader ? BootLoader（引導(dǎo)加載程序）是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一小段程序。最上層是網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、MP3播放器、文本編輯器、電子郵件客戶端、電子游戲等各種應(yīng)用軟件，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的功能。而一些對實時性有要求的操作通常由中斷服務(wù)程序來完成， 大多數(shù)的中斷服務(wù)程序只做一些最基本的操作 ，如標(biāo)記中斷事件的發(fā)生等，其余的事情會延遲到后臺程序去完成。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 6 嵌入式軟件的體系結(jié)構(gòu) ? 1．無操作系統(tǒng)的嵌入式軟件 ? 早期在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍主要集中在控制領(lǐng)域，硬件的配置比較低，嵌入式軟件的設(shè)計主要是以應(yīng)用為核心，應(yīng)用軟件直接建立在硬件上，沒有專門的操作系統(tǒng)，軟件的規(guī)模也很小。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。缺乏硬件上的 時間控制機(jī)制 ，無法實現(xiàn)定時功能。利用商業(yè)軟件提供的多任務(wù)調(diào)試環(huán)境，可大大提高系統(tǒng)軟件的開發(fā)效率，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? （ 2）板級初始化 ? 板級初始化是一個同時包含有 軟件和硬件在內(nèi)的初始化過程 ，通過正確地設(shè)置各種寄存器的內(nèi)容來完成微處理器以外的其他硬件設(shè)備的初始化。近年來，中間件技術(shù)也被引入到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中，并與實時多任務(wù)操作系統(tǒng)緊密結(jié)合。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? （ 1）單體結(jié)構(gòu) ? 單體結(jié)構(gòu)是一種常見的組織結(jié)構(gòu)，嵌入式 Linux操作系統(tǒng)、 Jbed RTOS、 181。 圖 微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? ● 具有完善的網(wǎng)絡(luò)通信和文件管理機(jī)制，支持所有標(biāo)準(zhǔn)的Inter網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持 ext2， ? fat16, fat32, romfs等文件系統(tǒng)。 ? Windows CE操作系統(tǒng)集成了大量的 Windows XP Professional的特性，能提供與 PC機(jī)類似的桌面、任務(wù)欄、窗口、圖標(biāo)、控件等圖形界面和各種應(yīng)用程序。 ? 例如：有兩個程序甲和乙，它們在運(yùn)行過程中都要用到 CPU和 I/O設(shè)備。 ? 從圖 ，由于 CPU和 I/O設(shè)備的使用是并行進(jìn)行的，在總的執(zhí)行時間上要明顯少于單道程序系統(tǒng)。 ? 總而言之，進(jìn)程包含了正在運(yùn)行的一個程序的所有狀態(tài)信息。任務(wù)到底是進(jìn)程還是線程，在研究一個具體的嵌入式操作系統(tǒng)的時候，要注意加以區(qū)分。 ? 在嵌入式操作系統(tǒng)當(dāng)中，任務(wù)的創(chuàng)建主要采用 fork/exec和 spawn兩種模型。 ? 任務(wù)在運(yùn)行狀態(tài)時占有 CPU并在 CPU上運(yùn)行，在任何一個時刻，處于運(yùn)行狀態(tài)的任務(wù)個數(shù)必須小于或等于 CPU的數(shù)目。 ? （ 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 ID、任務(wù)的狀態(tài)、任務(wù)的優(yōu)先級、任務(wù)的調(diào)度信息、任務(wù)的時間統(tǒng)計信息、各種隊列指針等。不同的狀態(tài)用不同的隊列來表示。 ? 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)。缺點(diǎn)是一批任務(wù)的平均周轉(zhuǎn)時間取決于各個任務(wù)到達(dá)的順序，如果短任務(wù)位于長任務(wù)之后，那么將增大平均周轉(zhuǎn)時間。 q太大，每個任務(wù)都在一個時間片內(nèi)完成，這就失去了 RR算法的意義。 RTOS調(diào)度器多采用基于優(yōu)先級的可搶占調(diào)度算法。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? 操作系統(tǒng)通常 利用 MMU來實現(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。 ? 在保護(hù)模式存儲管理方式中，系統(tǒng)內(nèi)核和用戶程序有各自獨(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；每個應(yīng)用程序只能訪問自己的地址空間，對于共享的內(nèi)存區(qū)域，也必須按照規(guī)定的權(quán)限規(guī)則來訪問，具有存儲保護(hù)功能。每個分區(qū)都是按需分配的，分區(qū)的大小正好等于任務(wù)的大小。 ? （ 1）物理地址（ physical address） ? 物理地址也叫內(nèi)存地址、絕對地址或?qū)嵉刂?。地址映射主要有靜態(tài)地址映射和動態(tài)地址映射兩種方式。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。系統(tǒng)通過對內(nèi)存的分配和回收，將一個完整的空閑區(qū)劃分成若干個占用區(qū)和空閑區(qū)。其缺點(diǎn)是沒有存儲保護(hù)、安全性差，在應(yīng)用程序中出現(xiàn)的任何一個小錯誤或蓄意攻擊都有可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰。內(nèi)存保護(hù)用來防止地址越界和防止操作越權(quán)。 ? 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，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說是不可接受的。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? 采用 RR算法，各個就緒任務(wù)平均地分配 CPU的使用時間，例如有 n個就緒任務(wù)，那么每個任務(wù)將得到 1/n的 CPU時間。 FCFS也叫做 FIFO（ First In First Out，先進(jìn)先出算法）。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)度時機(jī)時，有可能會發(fā)生調(diào)度。 ? 操作系統(tǒng)用一組隊列來表示系統(tǒng)當(dāng)中所有任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)。對任務(wù)的組織和管理可以通過對它們的 TCB的組織和管理來實現(xiàn)。 ? 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)行的實體，需要競爭系統(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。在一些具有交互功能的嵌入式系統(tǒng)中，用戶可以通過輸入命令或單擊圖標(biāo)的方式，讓系統(tǒng)啟動一個新的任務(wù)。 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。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 38 ? CPU上下文：程序在運(yùn)行時， CPU中含有 PC（ Program Counter，程序計數(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段的地址；棧指針寄存器記錄的棧頂?shù)漠?dāng)前位置。但是在 t5時刻，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時刻再交換資源。 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)計和多道程序設(shè)計 ? 嵌入式操作系統(tǒng)可以分為單道程序設(shè)計和多道程序設(shè)計（ muftiprogramming）兩種類型。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。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 30 ? 2．嵌入式 Linux ? 嵌入式 Linux（ Embedded Linux）是指對標(biāo)準(zhǔn) Linux進(jìn)行小型化剪裁處理之后，可固化在存儲器或單片機(jī)中，適合于特定嵌入式應(yīng)用場合的專用 Linux操作系統(tǒng)。 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； ? ● 存儲管理：用來提高內(nèi)存的利用率，方便用戶的使用，并提供足夠的存儲空間； ? ● 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、共享、保密和保護(hù)等問題。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 16 ? （ 1）片級初始化 ? 片級初始化是一個 純硬件的初始化過程 ，把微處理器從上電時的默認(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。在嵌入式系統(tǒng)中， BSP類似于 PC系統(tǒng)中的 BIOS和驅(qū)動程序。 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，整個系統(tǒng)的執(zhí)行過程是可預(yù)測的。 ? 在航天控制、核電站、工業(yè)機(jī)器人等實時系統(tǒng)對嵌入式軟件的可靠性要求是非常高的，一旦軟件出了問題，其后果是非常嚴(yán)重的。嵌入式軟件一般都要涉及到底層軟件的開發(fā)，應(yīng)用軟件的開發(fā)也是直接基于操作系統(tǒng)的，這就要求開發(fā)人員具有扎實的軟、硬件基礎(chǔ)，能靈活運(yùn)用不同的開發(fā)手段和工具，具有較豐富的開發(fā)經(jīng)驗。 ? （ 1）循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式 ? 循