【文章內(nèi)容簡介】 e( level )。 ?從該行代碼開始開中斷，結(jié)束內(nèi)核互斥操作 } 36 提高內(nèi)核實時性的方法－系統(tǒng)運行狀態(tài) ? 許多嵌入式操作系統(tǒng)不劃分“系統(tǒng)空間”和“用戶空間”，如VxWorks、 RTEMS等，操作系統(tǒng)內(nèi)核與外圍應(yīng)用程序之間不再有物理的邊界，系統(tǒng)中“進程”實際上都是內(nèi)核線程。 ? 操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序均運行在特權(quán)級別的優(yōu)缺點： ? 優(yōu)點：減少由于空間切換導(dǎo)致的執(zhí)行開銷，提高實時性。 ? 缺陷：應(yīng)用程序可破壞操作系統(tǒng)內(nèi)核，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。 操作系統(tǒng)內(nèi)核 應(yīng)用程序系統(tǒng) Ring0：特權(quán)級 Ring1 Ring2 Ring3：用戶級 操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序 通用系統(tǒng)運行狀態(tài) 實時系統(tǒng)運行狀態(tài) 系統(tǒng)調(diào)用 陷入內(nèi)核 37 ?不支持 虛擬存儲 ：如果采用虛存技術(shù)，一個實時任務(wù)執(zhí)行的最壞情況是每次訪存都需要調(diào)頁，如此累計起來的該任務(wù)在最壞情況下的運行時間是不可預(yù)測的，因此實時性無法得到保證。許多嵌入式操作系統(tǒng)不直接支持虛擬存儲管理技術(shù)。 ?不支持 動態(tài)內(nèi)存分配 ：由于動態(tài)內(nèi)存分配具有時間及分配結(jié)果的不確定性，因而在 強實時型 系統(tǒng)（ OSEK）中采用靜態(tài)內(nèi)存分配方法，即在系統(tǒng)初始化時，為每個實時任務(wù)劃分固定的內(nèi)存區(qū)域，系統(tǒng)運行只使用內(nèi)存，而不再分配內(nèi)存和釋放內(nèi)存。 提高內(nèi)核實時性的方法－存儲管理機制 38 ? 資源有限等待 ：任務(wù)沒能獲得需要的資源會被阻塞。如果資源不是任務(wù)繼續(xù)運行必備的，任務(wù)可選擇有限等待該資源。 提高內(nèi)核實時性的方法－任務(wù)互斥、同步 ? 優(yōu)先級逆轉(zhuǎn) 問題解決 —搶占式任務(wù)調(diào)度中的資源競爭： 1997年 7月 4日，火星探路者在火星表面成功著陸并進行觀測，發(fā)回了各種火星表面全景圖，被大肆宣稱為“完美”。但是在著陸后的第 10天，也就是開始采集氣象資料后不久，探路者開始犯傻，反復(fù)無規(guī)律地重啟，每次重啟都造成了數(shù)據(jù)丟失，在每天的記者招待會上這都是記者們不會放過的最熱門的話題。 JPL（美國國家航空航天局噴氣推進實驗室）的工程師們花了相當(dāng)多的時間在實驗室仿真，希望能夠再現(xiàn)引起重啟的情況。幾天過去了，一個清晨，幾乎所有的工程師都走了，只剩下最后一位 Mr. SoSo的時候，火星上那臺探路者兄弟身上發(fā)生的重啟情況終于被再現(xiàn)了。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，得出了原因 ——優(yōu)先級逆轉(zhuǎn) 。 39 提高內(nèi)核實時性的方法 —— 優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)問題 ? 嵌入式實時操作系統(tǒng) ——優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象 采用 優(yōu)先級繼承 協(xié)議消除 40 ? 中斷嵌套處理 ：確保高優(yōu)先級的中斷能及時處理。 ? 中斷服務(wù)層次化 ：對中斷的處理，不需要完全由中斷服務(wù)程序（ ISR）進行處理，采用 ISR與任務(wù)相結(jié)合的方法處理，如 eCos系統(tǒng)，分為兩個層次進行： ISR、中斷滯后服務(wù)程序 DSR。 ISR在響應(yīng)中斷時立即調(diào)用， DSR由 ISR發(fā)出請求后調(diào)用。 提高內(nèi)核實時性的方法－中斷處理 任務(wù)執(zhí)行 ISR DSR ISR促使 DSR就緒 ISR退出 DSR參與調(diào)度 中斷請求 41 ? 可裁剪性 ：用以滿足不同復(fù)雜程度的應(yīng)用需求。嵌入式環(huán)境資源配置及需求情況各異，一般只要求嵌入式操作系統(tǒng)的功能子集，因而需要裁剪掉部分功能，并保證功能的相對完整性。內(nèi)核的可裁剪程度取決與模塊之間的耦合程度。 ? 裁剪方法 ：模塊級裁剪、函數(shù)級裁剪、代碼級裁剪 ? 一個最小的多任務(wù)嵌入式軟件包括： ? Bootloader ? 具有任務(wù)管理及定時功能的基本內(nèi)核 ? 一個初始化任務(wù) ? 可配置性 ：可根據(jù)應(yīng)用需求，配置系統(tǒng)任務(wù)數(shù)目、調(diào)度算法、任務(wù)堆棧等。 嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核的可裁剪、可配置性 42 ? 裁剪 目標(biāo)：內(nèi)核 30K，現(xiàn)有內(nèi)核 100K ? 模塊級裁剪：通過條件編譯，裁剪不需要的模塊，內(nèi)核約 35K ? 函數(shù)級裁剪：裁剪未被引用的函數(shù) ? 代碼級裁剪：修改代碼，如 ? 合并功能相似函數(shù) ? 優(yōu)化算法實現(xiàn)方法 ? 降低模塊耦合度，裁剪模塊 未被引用函數(shù) 嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核 裁剪 舉例－ VxWorks 內(nèi)部引用函數(shù) 外部引用函數(shù) 43 ? 代碼級裁剪：降低模塊耦合度，裁剪模塊 嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核裁剪舉例－ VxWorks 任 務(wù) 管 理 和 調(diào) 度時 鐘 和 定 時 器類 管 理中 斷 和 異 常內(nèi) 存 管 理信 號 量 子 模 塊 信 號 子 模 塊消 息 隊 列 子 模塊I / O 管 理 模塊內(nèi)核模塊耦合性分析 44 ? 可靠性對于實時系統(tǒng)比非實時應(yīng)用系統(tǒng)更為重要。 ? 嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核提供諸多機制進行保障：異步信號、定時器、異常處理、用戶擴展、內(nèi)存保護等。 ? 典型內(nèi)核可靠性增強技術(shù)： ? 內(nèi)存釋放清理 ? 冗余內(nèi)存分配 ? 內(nèi)存冗余編碼 ? 內(nèi)存保護增強 ? 看門狗支持增強 嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核的可靠性 45 ? 每一個嵌入式操作系統(tǒng)提供的應(yīng)用編程接口（系統(tǒng)調(diào)用）的功能和種類都不相同，種類越多、功能越強越好。 ? 應(yīng)用編程接口的標(biāo)準(zhǔn)化： ? POSIX(a Portable Operating System Interface based on Unix)實時系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)， 、 ? 汽車電子標(biāo)準(zhǔn)： OSEK ? 航空電子標(biāo)準(zhǔn)： ARINC653（ APEX接口） ? 電氣電子標(biāo)準(zhǔn)： IEC61508 ? 信息家電規(guī)范： TKernel 嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核的應(yīng)用編程接口 46 ? EAL/CC： CC安全評估是 1999年起效的一項國際安全標(biāo)準(zhǔn)，共分為 7級安全評估。 VxWorks、 Integrity均通過了 EAL6+認(rèn)證。 ? DO178B/ED12B：美國航空無線電技術(shù)委員會（ RTCA）提出，被美國聯(lián)邦航空局 /歐洲航空管理部門接受的機載軟件適航認(rèn)證。 VxWorks、 Integrity、 μC/OSII均得到 Level A認(rèn)證。 ? OSEK/VDX：歐共體汽車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟規(guī)定的汽車電子嵌入式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)河的 MotoWorks、微軟的 Windows Automotive、Nucleus OSEK、 OSEKturbo均得到認(rèn)證。 嵌入式實時操作系統(tǒng)的安全性認(rèn)證 47 課程大綱 ? 嵌入式實時操作系統(tǒng)概況 ? 嵌入式實時操作系統(tǒng)特點 ? 嵌入式實時操作系統(tǒng)功能簡介 ? ARMLinux嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核實驗 48 嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核基本功能 ?嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核的基本功能 ? 實時多任務(wù)管理 ? 中斷與異常管理 ? 共享資源互斥管理 ? 多任務(wù)同步與互斥 ? 內(nèi)存管理 ? 時鐘定時器管理 ? 電源管理 49 ?1970年，美國 UIUC大學(xué)的 、 Jane教授建立了RTSL（ real time system lab）實驗室。 ?1973年， 、 Layland在 ACM雜志上，提出并分析了單調(diào)速率調(diào)度算法（ Rate Monotonic， RM）和時限調(diào)度算法（ Deadline），開辟了實時系統(tǒng)搶占式任務(wù)調(diào)度算法、可調(diào)度性分析領(lǐng)域的先河。 實時內(nèi)核基本功能－任務(wù)調(diào)度 50 ?在實時任務(wù)搶占式調(diào)度算法中，根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級確定時機，實時任務(wù)調(diào)度算法可分為靜態(tài)調(diào)度和動態(tài)調(diào)度兩類。 實時內(nèi)核基本功能－實時任務(wù)調(diào)度算法分類 實時任務(wù) 調(diào)度算法 靜態(tài)調(diào)度算法 動態(tài)調(diào)度算法 執(zhí)行時間相關(guān) 任務(wù)周期相關(guān) 任務(wù) CPU使用率 任務(wù)緊急程度 截止時間優(yōu)先（ EDF） 最小松弛度優(yōu)先（ LLF） 51 ? 單調(diào)速率調(diào)度算法（ 、 Layland； ACM， 1973 ） ? 現(xiàn)代實時系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的理論基礎(chǔ) ? 最佳的靜態(tài)調(diào)度算法 ? 算法建立在下述假設(shè)基礎(chǔ)上 ?所有任務(wù)都是周期任務(wù) ?每個任務(wù)執(zhí)行截止期等于該任務(wù)的周期 ?每個任務(wù)在周期中，執(zhí)行時間固定，保持常量 ?任務(wù)之間不通信，也不同步 ?任務(wù)可以在任何位置被搶占，不存在臨界區(qū) 不可調(diào)度：指某一個任務(wù)在周期內(nèi)無法完成任務(wù)，即： 任務(wù)的執(zhí)行結(jié)束時間 任務(wù)的截止期 實時內(nèi)核基本功能－任務(wù)調(diào)度經(jīng)典算法舉例 52 ? 不可調(diào)度情況舉例 ? 假設(shè)系統(tǒng)存在任務(wù)、執(zhí)行時間及運行周期如下 實時內(nèi)核基本功能－任務(wù)調(diào)度經(jīng)典算法舉例 任務(wù) 執(zhí)行時間 周期 優(yōu)先級 T1 1 2 1 T2 1 4 2 T3 3 8 3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 T1 T2 T3 超周期 53 ? RM算法規(guī)定：任務(wù)的優(yōu)先級與任務(wù)的周期表現(xiàn)為單調(diào)函數(shù)，任務(wù)周期越短，優(yōu)先級越高。 ? 對 RM算法研究的貢獻在于 ? 提出了 臨界時間 概念，用于判定調(diào)度過程中的最壞情況； ? 證明了 RM算法是靜態(tài)調(diào)度算法中的 最優(yōu)性