【正文】 ，才是真正的計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用。時(shí)鐘節(jié)拍率越快，系統(tǒng)的額外開銷就越大。中斷之間的時(shí)間間隔取決于不同應(yīng)用，一般在 10ms到 200ms之間。 —— 中斷 127 前后臺(tái)系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng) 基本概念 —— 中斷 ISR 任務(wù) ISR 非占先操作系統(tǒng) 任務(wù)A 任務(wù)B 任務(wù)C ISR 占先操作系統(tǒng) 任務(wù)A 任務(wù)B 任務(wù)C 128 嵌入式操作系統(tǒng) 基本概念 時(shí)鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷。中斷一旦被識(shí)別， CPU保存部分（或全部）上下文即部分或全部寄存器的值，跳轉(zhuǎn)到專門的子程序，稱為中斷服務(wù)子程序（ ISR）。任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級(jí)應(yīng)越高，越容易被調(diào)度而進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。 —— 占先式內(nèi)核 125 嵌入式操作系統(tǒng) 基本概念 任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是表示任務(wù)被調(diào)度的優(yōu)先程度。當(dāng)一個(gè)運(yùn)行著的任務(wù)使一個(gè)比它優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)進(jìn)入了就緒狀態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的 CPU使用權(quán)就被剝奪了，或者說被掛起了，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)立刻得到了 CPU的控制權(quán)。因此絕大多數(shù)商業(yè)上銷售的實(shí)時(shí)內(nèi)核都是占先式內(nèi)核。但中斷服務(wù)以后控制權(quán)還是回到原來被中斷了的那個(gè)任務(wù)，直到該任務(wù)主動(dòng)放棄 CPU的使用權(quán)時(shí)，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才能獲得 CPU的使用權(quán)。異步事件還是由中斷服務(wù)來處理。 —— 調(diào)度 123 嵌入式操作系統(tǒng) 基本概念 非占先式內(nèi)核要求每個(gè)任務(wù)自我放棄 CPU 的所有權(quán)?；趦?yōu)先級(jí)的調(diào)度法指 CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。 多數(shù)實(shí)時(shí)內(nèi)核是基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度法的。 —— 內(nèi)核 122 嵌入式操作系統(tǒng) 基本概念 調(diào)度是內(nèi)核的主要職責(zé)之一。內(nèi)核需要消耗一定的系統(tǒng)資源，比如 2％～ 5％的 CPU運(yùn)行時(shí)間、 RAM和 ROM等。內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。做任務(wù)切換所需要的時(shí)間取決于 CPU有多少寄存器要入棧。這個(gè)過程增加了應(yīng)用程序的額外負(fù)荷。入棧工作完成以后，就把下一個(gè)將要運(yùn)行的任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)從任務(wù)的棧中重新裝入 CPU的寄予存器，并開始下一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行。 —— 任務(wù) 120 嵌入式操作系統(tǒng) 基本概念 當(dāng)多任務(wù)內(nèi)核決定運(yùn)行另外的任務(wù)時(shí)，它保存正在運(yùn)行任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)，即 CPU寄存器中的全部?jī)?nèi)容。 —— 共享資源 訪問共享資源之前申請(qǐng)信號(hào)量 其它任務(wù)訪問受阻 而不能使用共享資源 得到允許后，才能使用共享資源 119 嵌入式操作系統(tǒng) 基本概念 一個(gè)任務(wù)，也稱作一個(gè)線程，是一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，該程序可以認(rèn)為 CPU完全屬于該程序自己。 —— 資源 118 任務(wù) A 共享資源 任務(wù) B 任務(wù) C 信號(hào)量 嵌入式操作系統(tǒng) 基本概念 可以被一個(gè)以上任務(wù)使用的資源叫做 共享資源 。資源可以是輸入輸出設(shè)備，例如打印機(jī)、鍵盤、顯示器。為確保臨界區(qū)代碼的執(zhí)行，在進(jìn)入臨界區(qū)之前要關(guān)中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完成以后要立即開中斷。 —— 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RTOS） 116 嵌入式操作系統(tǒng) 基本概念 代碼的臨界區(qū)也稱為臨界區(qū)，指處理時(shí)不可分割的代碼，運(yùn)行這些代碼不允許被打斷。 —— 操作系統(tǒng) 硬件 硬件驅(qū)動(dòng) 操作系統(tǒng) 用戶程序 115 嵌入式操作系統(tǒng) 基本概念 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行于 RTOS之上的各個(gè)任務(wù)， RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的要求，進(jìn)行資源 (包括存儲(chǔ)器、外設(shè)等 )管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。 ISR ISR ISR ISR 后臺(tái) 前臺(tái) 中斷服務(wù)程序 時(shí) 間 —— 前后臺(tái)系統(tǒng) 114 嵌入式操作系統(tǒng) 基本概念 操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中最基本的程序。 循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成 后臺(tái)行為 ，后臺(tái)也可以叫做任務(wù)級(jí)。 113 基本概念 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 ，前臺(tái)也叫中斷級(jí)。 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求高的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，而且應(yīng)用程序的開發(fā)過程是通過交叉開發(fā)來完成的，即開發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境是不一致。 從實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)來看實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以分為兩種： 一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 和 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 。 18 嵌入式操作系統(tǒng) 概述 監(jiān) 控 程 序 操 作 系 統(tǒng) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 分時(shí)操作系統(tǒng) 多道批處理操作系統(tǒng) 時(shí) 間 先 后 適用于多個(gè)用戶共享系統(tǒng)資源 適用于計(jì)算中心等較大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 適用于嵌入式設(shè)備和有實(shí)時(shí)性要求的系統(tǒng)中 19 嵌入式操作系統(tǒng) 概述 監(jiān) 控 程 序 操 作 系 統(tǒng) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 分時(shí)操作系統(tǒng) 多道批處理操作系統(tǒng) 時(shí) 間 先 后 適用于多個(gè)用戶共享系統(tǒng)資源 適用于計(jì)算中心等較大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 適用于嵌入式設(shè)備和有實(shí)時(shí)性要求的系統(tǒng)中 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是我們介紹的重點(diǎn) 110 嵌入式操作系統(tǒng) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn) IEEE 的實(shí)時(shí) UNIX分委會(huì)認(rèn)為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)具備以下的幾點(diǎn) : ?異步的事件響應(yīng) ?切換時(shí)間和中斷延遲時(shí)間確定 ?優(yōu)先級(jí)中斷和調(diào)度 ?搶占式調(diào)度 ?內(nèi)存鎖定 ?連續(xù)文件 ?同步 111 嵌入式操作系統(tǒng) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn) 總的來說實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動(dòng)的，能對(duì)來自外界的作用和信號(hào)在限定的時(shí)間范圍內(nèi)作出響應(yīng)。于是在六十年代中期監(jiān)控程序又進(jìn)一步發(fā)展形成了操作系統(tǒng) (Operating System)。 17 嵌入式操作系統(tǒng) 概述 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，在發(fā)展初期沒有操作系統(tǒng)這個(gè)概念，用戶使用監(jiān)控程序來使用計(jì)算機(jī)。 ? 嵌入式系統(tǒng)具有通用計(jì)算機(jī)的功能，但實(shí)現(xiàn)了小型化的體積和高的運(yùn)行可靠性。 ? 嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。 15 嵌入式處理器 ? 嵌入式微處理器 EMPU ? 嵌入式微控制器 MCU ? 嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器 EDSP ? 片上可編程系統(tǒng) SOPC 16 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) ? 嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的。 ? 嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力。 ? 嵌入式系統(tǒng)可定制、可裁減。 13 理解嵌入式系統(tǒng) ? 嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的。 ? IEEE 的定義 ：嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”。11 何為嵌入式系統(tǒng) 第 1 1 1 23。 12 何為嵌入式系統(tǒng) ? 嵌入式系統(tǒng)，英文全稱為 Embeded System。 ? 業(yè)界普遍采用的定義 ：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 ? 嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。 ? 嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中。 14 嵌入式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) ? 嵌入式系統(tǒng)可以籠統(tǒng)地分為硬件和軟件兩部分。 ? 嵌入式系統(tǒng)具有很強(qiáng)的專用性，可定制、可裁減，且必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用。 ? 嵌入式系統(tǒng)必須有采用專用的開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。 ? 嵌入式系統(tǒng)需要根據(jù)不同的處理器來進(jìn)行定制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件、軟件資源也愈來愈豐富，監(jiān)控程序已不能適應(yīng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的要求。發(fā)展到現(xiàn)在，廣泛使用的有三種操作系統(tǒng)即多道批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它強(qiáng)調(diào)的是 實(shí)時(shí)性 、 可靠性 和 靈活性 , 與實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件相結(jié)合成為有機(jī)的整體起著核心作用 , 由它來管理和協(xié)調(diào)各項(xiàng)工作 ,為應(yīng)用軟件提供良好的運(yùn)行軟件環(huán)境及開發(fā)環(huán)境。 112 嵌入式操作系統(tǒng) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn) 一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 應(yīng)用于實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的上位機(jī)和實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)等實(shí)時(shí)性較弱的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，并且提供了開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)用一致的環(huán)境。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有規(guī)模小 (一般在幾 K～幾十 K 內(nèi) )、可固化使用實(shí)時(shí)性強(qiáng) (在毫秒或微秒數(shù)量級(jí)上 )的特點(diǎn) 。時(shí)間相關(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作一定是靠中斷服務(wù)程序來保證的。這種系統(tǒng)在處理的及時(shí)性上比實(shí)際可以做到的要差。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中全部軟硬資源的分配與回收、控制與協(xié)調(diào)等并發(fā)的活動(dòng)；操作系統(tǒng)提供用戶接口，使用戶獲得良好的工作環(huán)境；操作系統(tǒng)為用戶擴(kuò)展新的系統(tǒng)功能提供軟件平臺(tái)。在 RTOS支持的系統(tǒng)中， 每個(gè)任務(wù)均有一個(gè)優(yōu)先級(jí)， RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，動(dòng)態(tài)地切換各個(gè)任務(wù)，保證對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打入（這不是絕對(duì)的，如果中斷不調(diào)用任何包含臨界區(qū)的代碼，也不訪問任何臨界區(qū)使用的共享資源，這個(gè)中斷可能可以執(zhí)行）。 —— 代碼的臨界區(qū) 117 嵌入式操作系統(tǒng) 基本概念 程序運(yùn)行時(shí)可使用的軟、硬件環(huán)境統(tǒng)稱為資源。資源也可以是一個(gè)變量、一個(gè)結(jié)構(gòu)或一個(gè)數(shù)組等。為了防止數(shù)據(jù)被破壞，每個(gè)任務(wù)在與共享資源打交道時(shí)，必須獨(dú)占該資源，這叫做互斥。實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程，包括如何把問題分割成多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都是整個(gè)應(yīng)用的某一部分，每個(gè)任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，有它自己的一套 CPU寄存器和自己的?？臻g。這些內(nèi)容保存在任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)保存區(qū)，也就是任務(wù)自已的棧區(qū)之中。這個(gè)過程就稱為任務(wù)切換。CPU的內(nèi)部寄存器越多，額外負(fù)荷就越重。 —— 任務(wù)切換 121 嵌入式操作系統(tǒng) 基本概念 多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或者說為每個(gè)任務(wù)分配 CPU時(shí)間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。使用實(shí)時(shí)內(nèi)核可以大大簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是因?yàn)閷?shí)時(shí)內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個(gè)任務(wù)，由實(shí)時(shí)內(nèi)核來管理它們。 內(nèi)核提供必不可少的系統(tǒng)服務(wù)，如信號(hào)量、消息隊(duì)列、延時(shí)等。 調(diào)度就是決定該輪到哪個(gè)任務(wù)運(yùn)行了。每個(gè)任務(wù)根據(jù)其重要程序的不同被賦予一定的優(yōu)先級(jí)。然而究竟何時(shí)讓高優(yōu)先級(jí)任務(wù)掌握 CPU的使用權(quán)，有兩種不同的情況，這要看用的是什么類型的內(nèi)核，是非占先式的還是占先式的內(nèi)核。非占先式調(diào)度法也稱作合作型多任務(wù)，各個(gè)任務(wù)彼此合作共享一個(gè) CPU。中斷服務(wù)可以使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。 —— 非占先式內(nèi)核 124 嵌入式操作系統(tǒng) 基本概念 當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間很重要時(shí)，要使用占先式內(nèi)核。最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒，總能得到 CPU的控制權(quán)。如果是中斷服務(wù)子程序使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，中斷完成時(shí)，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級(jí)高的那個(gè)任務(wù)開始運(yùn)行。每個(gè)任務(wù)都具有優(yōu)先級(jí)。 —— 任務(wù)優(yōu)先級(jí) 126 嵌入式操作系統(tǒng) 基本概念 中斷是一種硬件機(jī)制，用于通知 CPU有個(gè)異步事件發(fā)生了。中斷服務(wù)子程序做事件處理，處理完成后，程序回到： 1. 在前后臺(tái)系統(tǒng)中，程序回到后臺(tái)程序； 2. 對(duì)非占先式內(nèi)核而言，程序回到被中斷了的任務(wù)； 3. 對(duì)占先式內(nèi)核而言，讓進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開始運(yùn)行。這個(gè)中斷可以看作是系統(tǒng)心臟的脈動(dòng)。時(shí)鐘的節(jié)拍式中斷使得內(nèi)核可以將任務(wù)延時(shí)若干個(gè)整數(shù)時(shí)鐘節(jié)拍，以及當(dāng)任務(wù)等待事件發(fā)生時(shí)，提供等待超時(shí)的依據(jù)。 —— 時(shí)鐘節(jié)拍 129 嵌入式操作系統(tǒng) 使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的必要性 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得愈來愈重要。使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)因素： ?嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。 ?嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了 32位 CPU的多任務(wù)潛力。通過將應(yīng)用程序分割成若干獨(dú)立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為簡(jiǎn)化；而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。 缺點(diǎn) ：但是，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)還需要額外的ROM/RAM開銷， 2~5%的 CPU額外負(fù)荷，以及內(nèi)核的費(fèi)用。 void mytask(void *pdata) { for (。 waiting。 } } 支持 64個(gè)任務(wù) ， 每個(gè)任務(wù)一個(gè)特定的優(yōu)先級(jí) 。 135 任務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) — 任務(wù)控制塊 任