【正文】 nan Uni versity of Sci . amp。硬件接口直接跟硬件打交道的，直接去操作和控制硬件設(shè)備；調(diào)用接口不直接與硬件打交道，它們調(diào)用硬件接口當(dāng)中的函數(shù)，與上層軟件（包括操作系統(tǒng)、中間件和應(yīng)用軟件）打交道的。 ? 在混合結(jié)構(gòu)中，上層接口和硬件接口的函數(shù)是混在一起、相互調(diào)用的，之間沒有明確的層次關(guān)系。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 19 嵌入式中間件 ? 中間件是一種軟件平臺(tái)技術(shù) ，在銀行、證券、電信等行業(yè)的大型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。利用中間件技術(shù)可以使用戶把精力集中到系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。嵌入式中間件把原本屬于應(yīng)用軟件層的一些通用的功能模塊抽取出來，形成獨(dú)立的一層軟件，為應(yīng)用軟件提供一個(gè)靈活、安全、移植性好、相互通信、協(xié)同工作的平臺(tái)。 ? 一些公司可提供嵌入式中間件集成解決方案，如 Sun公司的嵌入式 Java，微軟公司的 .NET Compact Framework， OMG（ Object Management Group）的嵌入式 CORBA等。 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(gè)方面： ? 1． 構(gòu)成一個(gè)易于編程的虛擬機(jī)平臺(tái) ? EOS構(gòu)成一個(gè)虛擬機(jī)平臺(tái)， 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(gè)抽象的編程接口。 EOS所提供的編程接口實(shí)際上就是操作系統(tǒng)對(duì)外提供的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? 所有的 EOS都有一個(gè)內(nèi)核（ kernel）， 內(nèi)核是系統(tǒng)當(dāng)中的一個(gè)組件，它包含了任務(wù)管理、存儲(chǔ)管理、輸入／輸出（ I/O）設(shè)備管理和文件系統(tǒng)管理四個(gè)功能模塊 。 ? 注意：不同的嵌入式系統(tǒng)的 EOS所包含的組件可能各不相同，內(nèi)核設(shè)計(jì)也可能各不相同的，完全取決于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及實(shí)際的應(yīng)用需求 。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 22 ? EOS可以按照系統(tǒng)的類型、響應(yīng)時(shí)間和軟件結(jié)構(gòu)等不同的標(biāo)準(zhǔn)來分類。 ? （ 1）商業(yè)化系統(tǒng) ? 商業(yè)化的 EOS有風(fēng)河公司（ WindRiver）的 VxWorks，微軟公司的Windows CE， Palm公司的 PalmOS等等，其特點(diǎn)是功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定，輔助軟件工具齊全，應(yīng)用范圍廣泛，但成本較高。 ? （ 3）開放源代碼系統(tǒng) ? 開放源代碼的嵌入式操作系統(tǒng)有 181。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? RTOS對(duì)響應(yīng)時(shí)間有非常嚴(yán)格的要求，當(dāng)某一個(gè)外部事件或請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的任務(wù)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的處理。 ? （ 1） 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng) ? 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格的要求，如果響應(yīng)時(shí)間不能滿足可能會(huì)引起系統(tǒng)的崩潰或致命的錯(cuò)誤。 ? 非實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間沒有嚴(yán)格的要求，各個(gè)進(jìn)程分享處理器，以獲得各自所需要的運(yùn)行時(shí)間。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 24 ? 3．按軟件結(jié)構(gòu)分類 ? 按照軟件的體系結(jié)構(gòu)， EOS可以分為單體結(jié)構(gòu)、分層結(jié)構(gòu)和微內(nèi)核結(jié)構(gòu)三大類，如 ～ 。C/OSII和 PDOS都屬于單體內(nèi)核系統(tǒng)。 ? 單體結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)由一組功能模塊組成，系統(tǒng)的各個(gè)模塊之間可以相互調(diào)用，通信開銷比較小，系統(tǒng)高度集成和相互關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)剪裁、修改、調(diào)試和維護(hù)不方便。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 25 圖 單體結(jié)構(gòu) 圖 分層結(jié)構(gòu) 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。分層結(jié)構(gòu)要求在每個(gè)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(jiǎn)單。 ? （ 3）微內(nèi)核結(jié)構(gòu) ? 微內(nèi)核（ microkernel ）結(jié)構(gòu)把操作系統(tǒng)的大部分功能都剝離出去，在內(nèi)核中只保留最核心的功能單元（如進(jìn)程管理和存儲(chǔ)管理），大部分的系統(tǒng)功能都位于內(nèi)核之外，例如，將所有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都被置于內(nèi)核之外，如圖 。新的功能組件也可以被動(dòng)態(tài)地添加進(jìn)來，擴(kuò)展、調(diào)試、移植方便。另外，由于它們的內(nèi)存地址空間是相互獨(dú)立的，在切換的時(shí)候，也會(huì)增加額外的開銷。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 27 ? OS C Executive、 VxWorks， CMXRTX、 Nucleus Plus和 QNX等 EOS采用的都是微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 28 ? 嵌入式操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，有許多公司在從事相關(guān)方面的研究，開發(fā)了數(shù)以百計(jì)的各具特色的嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品，其中比較有影響的系統(tǒng)有 VxWorks、嵌入式Linux、 Windows CE、 181。 ? 1． VxWorks ? 美國 WindRiver System公司開發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) VxWorks采用基于微內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)由四百多個(gè)相對(duì)獨(dú)立、短小精練的目標(biāo)模塊組成，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇適當(dāng)?shù)哪K，進(jìn)行裁減和配置。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。其中： ? 實(shí)時(shí)微內(nèi)核 Wind包括 基于優(yōu)先級(jí)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(shí)器和內(nèi)存管理機(jī)制等功能 。文件系統(tǒng)主要包括與 MSDOS兼容的文件系統(tǒng)、與 RT11兼容的文件系統(tǒng)、 Raw Disk文件系統(tǒng)和 SCSI磁帶設(shè)備。虛擬內(nèi)存模塊 VxVMI主要用于對(duì)指定內(nèi)存區(qū)的保護(hù)，以加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。常見的嵌入式 Linux有 μClinux、 RTLinux、 Embedix和 Hard Hat Linux等，具有如下特點(diǎn)： ? ● 具有高性能、可裁剪的內(nèi)核，其獨(dú)特的模塊機(jī)制使用戶可以根據(jù)自己的需要，實(shí)時(shí)地將某些模塊插入到內(nèi)核或從內(nèi)核中移走，很適合于嵌入式系統(tǒng)的小型化的需要。 ? ● 可提供完整的工具鏈（ Tool Chain），利用 GNU的 gcc做編譯器，用 gdb, kgdb, xgdb做調(diào)試工具，能夠方便地實(shí)現(xiàn)從操作系統(tǒng)到應(yīng)用軟件各個(gè)級(jí)別的調(diào)試。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? ● 幾乎每一種通用程序在 Linux上都能找到，具有豐富的軟件資源。 ? 3． Windows CE ? Windows CE是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，提供了256個(gè)優(yōu)先級(jí)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)。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。其中：內(nèi)核模塊支持進(jìn)程和線程處理及內(nèi)存管理等基本服務(wù)。文件系統(tǒng)模塊支持 DOS等格式的文件系統(tǒng)。通信模塊允許同其他的設(shè)備進(jìn)行信息交換。熟悉 Windows操作系統(tǒng)的用戶可以很快地使用基于 Windows CE的嵌入式設(shè)備。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。名稱 ?C/OSII來源于術(shù)語 MicroController Operating System（微控制器操作系統(tǒng)），它通常也稱為 MUCOS或者 UCOS。 μC/OSII內(nèi)核提供最基本的系統(tǒng)服務(wù)，例如信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、中斷管理等。?C/OSII具有良好的可移植性。 ?C/OSII并不是一個(gè)商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但 ?C/OSII的穩(wěn)定性和實(shí)用性卻被數(shù)百個(gè)商業(yè)級(jí)的應(yīng)用所驗(yàn)證， ?C/O SII不已在眾多的商業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? 1．單道程序設(shè)計(jì)類型 ? 采用單道程序設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)在任何時(shí)候只能有一個(gè)程序在運(yùn)行。如圖 ，圖中我們采用不同的方框來表示這兩個(gè)程序?qū)煞N資源的使用情況，方框的長度表示使用的時(shí)間。如圖，首先執(zhí)行程序甲，從 t0時(shí)刻開始，到 t6時(shí)刻結(jié)束。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? 在多道程序設(shè)計(jì)的環(huán)境下，允許多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)程序在訪問 I/O設(shè)備時(shí)，會(huì)主動(dòng)把 CPU交出來，讓另一個(gè)程序去運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)資源的使用效率。在到達(dá)了 t1時(shí)刻后，甲釋放剛剛占用的 I/O設(shè)備，交給程序乙去使用。在到達(dá) t2時(shí)刻后，乙釋放剛剛占用的 I/O設(shè)備，交給程序甲去使用。同樣的情形也發(fā)生在t3時(shí)刻和 t4時(shí)刻。這樣一直進(jìn)行下去，在 t7時(shí)刻，甲執(zhí)行完畢，在 t8時(shí)刻，乙也執(zhí)行完畢。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 37 、線程和任務(wù) ? 1．進(jìn)程 ? 進(jìn)程（ process）是在描述多道系統(tǒng)中并發(fā)活動(dòng)過程引入的一個(gè)概念。例如：一個(gè)程序主要由代碼和數(shù)據(jù)兩部分內(nèi)容組成。程序是靜態(tài)的，而進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的，變化的。一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行的時(shí)候可以啟動(dòng)一個(gè)或多個(gè)程序，同一個(gè)程序也可能由多個(gè)進(jìn)程同時(shí)執(zhí)行。而進(jìn)程則是一次執(zhí)行過程，它是暫時(shí)的，是動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生和終止的。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? 一組系統(tǒng)資源：包括操作系統(tǒng)用來管理進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、進(jìn)程的內(nèi)存地址空間、進(jìn)程正在使用的文件等。進(jìn)程具有動(dòng)態(tài)性，進(jìn)程是一個(gè)正在運(yùn)行的程序，程序的運(yùn)行狀態(tài)都在不斷地變化，如 PC寄存器的值、堆和棧的內(nèi)容、通用寄存器存放數(shù)據(jù)和地址等。進(jìn)程具有并發(fā)性，在系統(tǒng)中同時(shí)有多個(gè)進(jìn)程存在，它們相互獨(dú)立地運(yùn)行。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 39 ? 2．線程 ? 線程（ thread）是一個(gè)比進(jìn)程更小的能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位。 ? 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(gè)資源平臺(tái)（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 。從圖 ，可以把進(jìn)程看成是程序代碼在這個(gè)資源平臺(tái)上的一條執(zhí)行流程（線程），也就是可以認(rèn)為進(jìn)程等于線程加上資源平臺(tái)?？梢杂镁€程來作為 CPU的基本調(diào)度單位，使得各個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 41 ? 3．任務(wù) ? 在一些嵌入式系統(tǒng)中，把能夠獨(dú)立運(yùn)行的實(shí)體稱為 “ 任務(wù) ”（ task），并沒有使用 “ 進(jìn)程 ” 或 “ 線程 ” 這兩個(gè)概念。 ? 在任務(wù)的創(chuàng)建過程需要定義的主要參數(shù)有任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、?？臻g的大小和函數(shù)名。對(duì)于不同的任務(wù)，它們也能夠訪問相同的全局變量，在這些任務(wù)之間，可以很方便地、直接地去使用共享的內(nèi)存，而不需要經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)核來進(jìn)行通信。C/OSII、 Jbed、嵌入式 Linux等嵌入式操作系統(tǒng)中。 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 。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 44 ? ? （ 1）任務(wù)的創(chuàng)建 ? 在一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)中，在系統(tǒng)初始化、任務(wù)運(yùn)行過程中、人機(jī)交互等過程中都可以創(chuàng)建任務(wù)。在任務(wù)運(yùn)行過程中，也能夠使用相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建新的任務(wù)，以幫助它完成自己的工作。 ? 創(chuàng)建任務(wù)的基本方法是在一個(gè)已經(jīng)存在的任務(wù)當(dāng)中，通過調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)函數(shù)來創(chuàng)建一個(gè)新的任務(wù)。 fork/exec模型源于 IEEE/ISO POSIX ，而spawn模型是從它派生出來的。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 45 ? 兩種模型創(chuàng)建任務(wù)的過程非常相似，包括為新任務(wù)分配相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存放各種管理信息，分配內(nèi)存空間，存放任務(wù)的代碼和數(shù)據(jù)。 ? 在 fork/exec模型，首先調(diào)用 fork函數(shù)為新任務(wù)創(chuàng)建一份與父任務(wù)完全相同的內(nèi)存空間，然后再調(diào)用 exec函數(shù)裝入新任務(wù)的代碼，并用它來覆蓋原有的屬于父任務(wù)的內(nèi)容。而 spawn模型在創(chuàng)建新任務(wù)的時(shí)，直接為它分配一個(gè)全新的地址空間，然后將新任務(wù)的代碼裝入并運(yùn)行。 ? 當(dāng)一個(gè)任務(wù)完成了所有的工作，需要結(jié)束運(yùn)行，提出退出要求，稱為正常退出。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? 在一些嵌入式系統(tǒng)中，某些任務(wù)被設(shè)計(jì)為 “ 死循環(huán) ” 的模式，任務(wù)不會(huì)自行終止。一般來說，任務(wù)具有運(yùn)行（ running）、就緒（ ready）和阻塞（ blocked）三種基本狀態(tài)。如果在一個(gè)系統(tǒng)中只有一個(gè) CPU的話，那么最多只能有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。不過，只要把 CPU分給該任務(wù)，它就能夠立刻執(zhí)行。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 47 ? 任務(wù)因?yàn)檎诘却撤N事件的發(fā)生而暫時(shí)不能運(yùn)行稱為阻塞狀態(tài)，也叫等