【文章內(nèi)容簡介】 合比較松散。 * * * 控制系統(tǒng) 13 中斷 傳 1， 2 BEGIN COUNT+=1。 END 定時器 display BEGIN FOR 從左到右顯示 Count。 END FOR END 真實(shí)值 存儲值 顯示值 ……… ……… ……… 9 9 xxx 9 9 0xx 9 9 0xx 10 10 000 ……… ……… ……… 發(fā)生上述錯誤的的原因是 count是一個全局變量，在程序中缺乏數(shù)據(jù)保護(hù)。 實(shí)時程序結(jié)構(gòu)體的特點(diǎn)：正確結(jié)構(gòu)必須在時間耗盡線之前被提交，理解調(diào)試復(fù)雜，錯誤代價(jià)大，分析設(shè)計(jì)要慎重；例如：大的嵌入式系統(tǒng)，多任務(wù)之間有大量的耦合關(guān)系，所以實(shí)時程序結(jié)構(gòu)體是一個三維系統(tǒng)。 連續(xù)程序結(jié)構(gòu)體、并行程序結(jié)構(gòu)體 處理的是與執(zhí)行速度無關(guān)的數(shù)學(xué)領(lǐng)域的問題，實(shí)時程序結(jié)構(gòu)體處理的是物理領(lǐng)域的問題，實(shí)時程序結(jié)構(gòu)體并不提高 CPU指令的速度，而是其程序體反映了客觀世界的優(yōu)先級，例如： Digital Camera的前端由十幾路 DMA將圖象讀入內(nèi)存，此時內(nèi)存的讀寫速度都已經(jīng)成為瓶頸。 第二節(jié) Time Deadline Time deadline s 。 ms 。 連續(xù)系統(tǒng) 。 實(shí)時系統(tǒng) us 。 ns 。 CPU的指令速度 。 不可見域 離散事件 人鳥 鼓振 掌翅 離散事件的時間耗 盡線是客觀存在的時間，在離散事件的時間耗盡線的曲線圖中， CPU 14 的指令速度是一個分水嶺，時間耗盡線低于 CPU指令速度的范圍是不可見域，其中的時間是計(jì)算機(jī)無法識別的。實(shí)時程序結(jié)構(gòu)體只是將計(jì)算機(jī)可識別的事件的時間耗盡線，相對于連續(xù)程序結(jié)構(gòu)體下降了一點(diǎn)。所謂實(shí)時是一個相對的概念。 第三節(jié) 數(shù)據(jù)保護(hù) 一個程序總是由代碼和數(shù)據(jù)組成，對于共享數(shù)據(jù)的使用要加以保護(hù)。 最初的數(shù)學(xué)模型是利用 Hidden Data Lib來管理共享數(shù)據(jù)，但是這種方法有一個缺陷：延誤系統(tǒng)的執(zhí)行。 read write control 所以抽象出了兩中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：消息隊(duì)列、信號量。抽象思想的關(guān)鍵是：數(shù)據(jù)直接定位，即保護(hù)數(shù)據(jù)元素，而非數(shù)據(jù)庫；精簡操作接口，減少操作手續(xù)。類比：精簡官僚機(jī)構(gòu)。 第二章 層次設(shè)計(jì) 第一節(jié) 層次劃分 我們在分析一個系統(tǒng)的時候，首先看到的是系統(tǒng)的“處理”，即功能。 機(jī) 處理 ……… ……… ……… ……… 子處理 數(shù)據(jù) 第二節(jié) 任務(wù)劃分 程序在 CPU中是以任務(wù)的方式在運(yùn)行，所以我們要將系統(tǒng)的處理框圖轉(zhuǎn)化為多任務(wù)流程圖，對處理進(jìn)行任務(wù)劃分。任務(wù)劃分存在這樣一對矛盾：如果任務(wù)太多，必然增加系統(tǒng)任務(wù)切換的開銷；如果任務(wù)太少，系統(tǒng)的并行度就降低了，實(shí)時性就比較差。在任務(wù)劃分時要遵循 ： １． I/O原則：不同的外設(shè)不同任務(wù)。 CPU的操作快于 I/O操作，如果將 I/O操作串行則會很浪費(fèi)。 ２． 優(yōu)先級原則：對于突發(fā)事件的優(yōu)先級等價(jià)于事件的時間耗盡線，不同優(yōu)先級的處理不同任務(wù)。 ３． 大量運(yùn)算：歸為一個任務(wù) ４． 功能耦合：歸為一個任務(wù)，舉例： f(),g(f()),h(g(f())) ５． 偶然耦合：歸為一個任務(wù)，舉例： f1()， f2()， f3()。早晨起床以后，刷牙、洗臉、吃早飯之間并沒有必然的先后順序，但由于習(xí)慣一直是按這個順序做的。 ６． 頻率組：對于周期時間，針對不同頻率的處理不同任務(wù)。 如果我們在具體分析一個系 統(tǒng)的時候發(fā)生原則沖突的話，則要為每一個原則針對具體的系統(tǒng) code data Synchronous Hidden Data Service Lib 傳感器 1 傳感器 2 數(shù)據(jù)處理 顯 示 15 設(shè)定“權(quán)重”，必要的時候可以通過計(jì)算“權(quán)重”來最終確定如何去劃分任務(wù)。 思考題：一個多層通信協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)該如何去劃分任務(wù)？ 第三節(jié) 任務(wù)調(diào)度 2． 3． 1任務(wù)調(diào)度的幾種算法 任務(wù)調(diào)度算法的發(fā)展過程大致經(jīng)歷了三個階段，存在三種調(diào)度算法： control loop、Interrupt schedule、 RTOS。 Control loop 是通過一種循環(huán)查詢?nèi)蝿?wù)標(biāo)志位的算法來調(diào)度任務(wù)，其特點(diǎn)是：簡單，但不適于大系統(tǒng)、不靈活、不易升級，如果升級或添加新的模塊就要打 開 loop，重新設(shè)計(jì)算法。 process 算法 process process Interrupt schedule 是為每個任務(wù)分配一個中斷，通過中斷的方式來調(diào)度任務(wù)，其特點(diǎn)是：簡單，但把應(yīng)用的并行度下降到 CPU 級。計(jì)算機(jī)的發(fā)展是體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，是層次結(jié)構(gòu)的發(fā)展，如果采用中斷的任務(wù)調(diào)度方式，任務(wù)就繞過操作系統(tǒng)直接與硬件發(fā)生關(guān)聯(lián)，破壞了計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)。 中斷 1 中斷 2 中斷 3 VxWorks 的任務(wù)經(jīng)創(chuàng)建以后可以處于三種狀態(tài)： Ready、 Delayed、 Pended，操作系統(tǒng)采用事件驅(qū)動的方式進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。其特點(diǎn)是：很復(fù)雜，需要有一些操作系統(tǒng)的背景。 R?E：不同優(yōu)先級搶占，同一優(yōu)先級時間片輪轉(zhuǎn) E?R：被其他任務(wù)搶占或時間片耗盡 E?B：所需資源沒有滿足 B?R：所需資源得到滿足 思考題： RTOS 是在什麼時候出來執(zhí)行？ 操作系統(tǒng)是被事件驅(qū)動的。 RTOS任務(wù)調(diào)度的算法 Pre_empty:不同優(yōu)先級的任務(wù)采 用搶占方式 Pended Ready Delayed Suspended Executing High Priority Task A Medium Priority Task B Low Priority Task C Event Event Event Event 16 Timeslice:相同優(yōu)先級的任務(wù)采用時間片輪轉(zhuǎn)方式（ KernelTimeSlice(ticks)） 2． 3． 2 VxWorks的任務(wù)調(diào)度算法 VxWorks 的每個任務(wù)可以規(guī)定自己的 priority； mode：可否設(shè)斷點(diǎn)、是否支持浮點(diǎn)操作。 ２．３．３ VxWorks的優(yōu)先級空間 priority ISR space 0 system task 230 task space user task 255 IDLE任務(wù)的優(yōu)先級是 255。 第四節(jié) 任務(wù)之間的關(guān)系 １． 通信：松耦合：實(shí)現(xiàn)機(jī)制：一個消息隊(duì)列 緊耦合：實(shí)現(xiàn)機(jī)制：兩個消息隊(duì)列 任務(wù)之間的通信也可以用信號量來構(gòu)造。 ２． 控制：數(shù)據(jù)保護(hù)：信號量或互斥量 同步：信號量，信號或消息隊(duì)列 第五節(jié) VxWorks的 Object VxWorks是面向?qū)ο蟮牟僮飨到y(tǒng)，我們可以從下面的角度來討論 VxWorks的對象： １． VxWorks的對象： Task、 Message Queue、 Semophore、 Timer、 Pipe、 File Descriptor. ２． 對象的屬性： 生存性：對象可以被創(chuàng)建或刪除 在生存期間，可被標(biāo)識和管理： Name、 ID、 Control Block 平等性：對象之間不象 Unix中的父子進(jìn)程間那樣存在繼承關(guān)系 ３． 對象的服務(wù)： 系統(tǒng)使用系統(tǒng)服務(wù)對對象進(jìn)行操作 第六節(jié) VxWorks的構(gòu)成實(shí)體 2． 6． 1 Task與 code的關(guān)系 Task 是 VxWorks 的一種對象，系統(tǒng)創(chuàng)建以后為其分配一個 TCB 和一個 stack， task 占用 code。 Code被 task占用，不被 OS識別和管理。 舉例：程控交換機(jī)的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)算法的代碼只有一個 copy，在交換機(jī)系統(tǒng)運(yùn)A B C D A B C D 時間片 17 行時可以創(chuàng)建多個任務(wù)，任務(wù)分別去調(diào)用該代碼體。 task ……… 實(shí)時系統(tǒng)是一個多任務(wù)運(yùn)行環(huán)境，所以要求我們編寫的代碼是可重入的。所謂可重入的代碼體是指代碼體可被多任務(wù)占用，而且不出錯。這就要求，代碼內(nèi)無臨界資源：臨界變量如全局變量，臨界設(shè)備如打印機(jī)，大部分 I/O都是臨界設(shè)備；代碼不修改自身，例如病毒就是一種能夠修改自身的代碼。 舉例：為什麼多任務(wù)要求代碼可重入？ 例如早期有人曾經(jīng)想在 DOS 的環(huán)境下執(zhí)行多任務(wù)，在 DOS 上面構(gòu)造了一個 multitask層 ,然后運(yùn)行多任務(wù)，但是經(jīng)常 down機(jī)，最后發(fā) 現(xiàn) BIOS是不可重入的，所以導(dǎo)致死機(jī)。 2． 6． 2 Driver與 ISR的關(guān)系 首先我們來討論一下 CPU與 device的關(guān)系， CPU的 I/O操作有四種方式：查詢 polling、中斷 interrupt、 DMA、 channel I/O processor。 計(jì)算機(jī)按計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)來分，大致有兩種：微型機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和巨型機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。 ……… ……… I/O 符合馮 .諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)從最高層次的抽象的角度來看，由四部分組成：輸入、輸出、處理、存儲。微型機(jī)的體系結(jié)構(gòu)是以 CPU為核心的，巨型機(jī)的體系結(jié)構(gòu)是以存儲器為核心的。 CPU對 I/O的操作，微型機(jī)采用的是查詢、中斷或 DMA的方式，巨型機(jī)采用的是 channel I/O processor的方式，在 CPU和 I/O processor 中都有 device 的驅(qū)動程序，而我們所需要編寫的驅(qū)動程序是在 CPU中的驅(qū)動程序。 用戶設(shè)計(jì)開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)往往是上述兩種計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的綜合，例如我們使用MPC860設(shè)計(jì)一塊電路板，如果從整個電路板的角度看，我們的電路是一種典型以 MPC860為核心的微型機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，但是如果具體地討論 CPU芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們會發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部采用的是巨型機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。 計(jì)費(fèi)算法的 1 個 copy 任務(wù) multitask shell DOS BIOS CPU mem I/O CPU mem I/O processor 18 明確了 CPU和 device 的耦合方式以后，我們來看一下驅(qū)動程序和于之相關(guān)的中斷服務(wù)程序的關(guān)系。我們從兩個角度來考慮： １． 優(yōu)先級：從優(yōu)先級空間可以看出， ISR的優(yōu)先級高于所有的系統(tǒng)任務(wù)的優(yōu)先級，而 driver的優(yōu)先級是從調(diào)用它的任務(wù)那里繼承來的。可以以此為依據(jù)將驅(qū)動程序的功能 劃分，分別放在 ISR和 driver中； ISR應(yīng)該只包含直接硬相關(guān)的操作，即要求 ISR短、精、直接硬相關(guān)；后期的處理放在 driver中。舉例：參加通信展，在展覽會上主要是搜集資料，回來以后再仔細(xì)閱讀。 ２． 引發(fā)的條件： driver是由任務(wù)調(diào)用而開始執(zhí)行