嵌入式系統原理與設計 課件 第十四講RTOS

1單片機與嵌入式系統第十四講本次課主要內容第三章嵌入式系統軟件基礎（三）——嵌入式實時操作系統的基本概念2嵌入式實時操作系統基本概念！嵌入式系統軟件基礎（三）

——嵌入式實時操作系統的基本概念1.本次課要達到的目標2.實時系統及其特點3.計算機實時操作系統4.嵌入式實時操作系統5.常見的嵌入式實時操作系統6.小結7.2009年考題簡析31.本次課要達到的目標熟悉嵌入式實時操作系統的基本概念。452.實時系統及其特點2.1什么是實時系統2.2實時系統的特點

大多數情況下，人們使用計算機來解決問題時，主要關注的是計算機的計算結果是否正確，而對運算時間并不十分在意。但在一部分實際應用中，計算機系統得到結果所花費時間的長短與結果的正確性同等重要，甚至有時更為重要。2.1什么是實時系統

如果一個系統能及時響應外部事件的請求，并能在規定的時間內完成對事件的處理，這種系統稱為實時系統。對實時系統的兩個基本要求：實時系統的計算必須產生正確的結果，稱為邏輯或功能正確。實時系統的計算必須在預定的時間內完成，稱為時間正確。8實時系統的實例（一）9計算機系統礁石實時系統的實例（二）10對計算機系統來說，主要靠軟件來保證系統的實時性。因此，在計算機系統中所說的實時性，指的是計算機的軟件是否能夠充分發揮計算機硬件的潛力，從而使計算機解決某一問題所需的時間在可能的情況下最短。11從工程應用的角度來講，如果計算機系統完成任務所需的時間可預知，并且小于完成任務所要求的最低時限的系統就叫實時系統。122.2實時系統的特點（1）實時任務具有確切的完成時限必須在有限的時間內完成的任務稱實時任務.用來完成實時任務的系統稱實時系統.相對來說,如果系統完成任務的期限要求不十分嚴格,這種系統稱軟實時系統.（2）實時任務的活動是不可逆的（3）實時任務大多數由外部事件激活的（4）實時系統的基本要求:功能正確時間正確143計算機實時操作系統3.1實時操作系統3.2可剝奪型內核3.3實時調度3.4實時進程的可調度性3.5實時系統的時鐘3.6實時系統的存儲管理3.1實時操作系統

在一個系統中保證系統實時性的主要是軟件，特別是操作系統。

為提高系統的實時性，實時操作系統的設計應滿足五個條件：（1）實時操作系統必須是多任務系統（2）實時操作系統內核應該是可剝奪型的（3）進程調度的延時可預測并盡可能小（4）系統提供的服務時間可預知（5）中斷延時盡可能小3.2可剝奪型內核可剝奪型：當一個進程正在被處理器所運行時，其他就緒進程可以按照事先規定的規定的規則，強行剝奪正在運行進程的處理器使用權，而使自己獲得處理器使用權并得以運行。可剝奪型內核的一個重要特點，就是系統中的每個進程都有一個表示其緊急程度的優先級別，以使調度器可根據等待進程的優先級別來決定是否要剝奪當前進程的處理器使用權。193.3實時調度實時操作系統的調度器必須采用基于優先級的調度算法。兩種類型:靜態優先級調度算法動態優先級調度算法3.3.1靜態優先級調度算法3.3.2動態優先級調度算法213.3.1靜態優先級調度算法靜態優先級調度算法系統中所有進程都靜態地分配一個優先級。優先級的分配可根據應用的屬性來進行，例如：進程的周期、用戶優先級等。典型算法：單調速率RM（Rate-Monotonic）算法22單調速率RM算法主要是用來處理周期性實時進程的，它根據進程執行的頻度來決定進程的優先級別。關鍵：進程優先級別判別：prio=k×1/Tprio為進程的優先級別；k為比例系數；T為進程的周期23工業鍋爐壓力和溫度數據采集處理系統示意圖壓力采集系統和溫度采集系統哪一個優先級高？例：一個事件發生周期為T＝200ms，一般需要運行50ms才完畢。試按RM算法確定該進程的優先級別prio。答：如果取k=1,根據T=200ms=0.2S,則prio=k×1/T=5253.3.2動態優先級調度算法根據進程的資源需求動態地分配進程的優先級。目的在于資源分配和調度時有更大的靈活性。典型算法：截止期限最早優先算法可達截止期限最早優先算法26截止期限最早優先算法

該算法認為，進程截止期限越近，則該進程緊急程度越高。因此，在確定系統中進程優先級別時是按照進程截止期限的遠近來確定的，在具體實現時也按照優先級來排隊。27三個進程的截止期限及其運行28

由于進程A的緊急程度最高，所以它的優先級別也最高，進程B次之，進程C最低。

這種算法沒有考慮進程運行時間的影響，有一個明顯的缺點，就是從進程獲得的處理器使用權限時間必須在截至期限前運行完畢，否則該進程不能完整的運行。29A優先級最高、B次之、C優先級最低結果：進程A超出截止期限，連帶進程B超出期限。造成兩個進程的運行結果沒有意義或可信度降低。30如何改進？可達截止期限最早優先算法可達截止期限最早優先算法在調度時，先觀察所有被激活的進程里是否有進程在該進程的截止期限內干不完的事情，如果有，那么這種進程就不運行了，而去運行那些能把工作做完的進程。31判斷進程是否有可能超出截止期限的算法：d=D-(t1+E)≥0D為進程的截止期限t1為系統當前時間E為設計時估算的時間d為進程的截止裕度如果d≥0，意味著該進程在截止期限到來之前可以運行完畢，其計算結果時間正確，這種進程叫做截止期限可達的進程，否則叫做截止期限不可達的進程。32在激活進程事件來到時，各進程的截止裕度。其中dA小于0，進程A為截至期限不可達，而進程B,C均為截至期限可達。因此夭折進程A，并按優先級別運行進程B和進程C。從而保證有兩個進程正確運行。33進程B運行結束時，進程C的截止裕度。343.4實時進程的可調度性

實時進程的可調度性是指多個實時進程是否可經過適當的調度使它們都能正確地完成工作。

對于RM算法，若滿足下列條件：

則這個進程集被稱為可調度的。

式中：C為若干個進程的周期；P為它們任務所需的時間

例

假如有三個同時發生的周期型進程；進程1，進程2，進程3，周期分別為P1=70ms，P2=80ms，P3=30ms，它們完成任務的時間分別為：C1=20ms，C2=15ms，C3=10ms。試判斷該進程是否為可調度的。

答：不滿足公式要求，所以三個進程是不可調度的。36

對于截止期優先算法或最小裕度算法，若滿足下列條件：

則這個進程集被稱為可調度的。

式中：C為進程的周期；P為它們任務所需的時間37

例假如有三個同時發生的周期型進程；進程1，進程2，進程3，周期分別為P1=70ms，P2=80ms，P3=30ms，它們完成任務的時間分別為：C1=20ms，C2=15ms，C3=10ms。試判斷該進程是否為可調度的。

答：

滿足公式要求，所以三個進程是可調度的383.5實時系統的時鐘實時時鐘由硬件定時器來實現39實時時鐘在系統中的重要意義在按時間片實施調度的實時系統中，時鐘中斷控制進程調度，實現并發運行。在每次中斷服務程序中，通過時鐘對進程狀態進行切換處理。實時時鐘的精度時鐘周期越小，時鐘計時就越細密，越精確。實時操作系統中的系統時鐘是通過時鐘中斷來實現的，當時鐘周期小到一定程度，處理器只處理時鐘中斷而不能進行其他處理了。41時鐘中斷的頻率越高，時鐘的精度就會越高，但處理器付出的時間代價就越大。實時操作系統的實時時鐘設計時，要根據具體情況具體分析。通常，實時操作系統實時時鐘的頻率應比同類的通用操作系統的時鐘頻率高5倍左右。423.6實時系統的存儲管理一般不采用硬盤通常采用閃存(FlashMemory)隨機讀寫存儲器RAM邏輯磁盤(RAMDisk)由于閃存寫入速度限制，操作系統在進行頁面交換時，尤其是進行頁面換出時速度太低，這是實時系統所不能忍受的。因此，在實時性要求較高的系統中，不采用這種虛擬存儲技術。3.7實時系統與普通系統的比較.4.嵌入式實時操作系統4.1什么是嵌入式實時操作系統4.2微內核結構4.3嵌入式實時操作系統的可裁剪性及其實現464.1什么是嵌入式實時操作系統

運行在嵌入式平臺上，對整個系統及其部件，裝置等資源進行同一協調指揮和控制的系統軟件叫做：嵌入式操作系統。特點：微型化實時性可剪裁性高可靠性易移植性48嵌入式操作系統在嵌入式系統中的地位嵌入式系統應用軟件嵌入式操作系統嵌入式系統硬件494.2微內核結構由于嵌入式操作系統的用戶群、功能要求等具有某種程度的“專用”性，在一個特定的應用中，嵌入式操作系統需要哪些功能、不需要哪些功能是固定的。由于內存是嵌入式系統中的珍貴資源，作為需要常駐內存的操作系統的內核，在滿足應用的前提下，越小越好。50為了滿足不同的應用需要，嵌入式實時操作系統應支持可裁剪性，在結構設計上應高度模塊化，并提供非常靈活的手段，讓系統開發者能根據實際需要進行選用。51微內核并不是通過減少內核的服務功能模塊而變小的，而是把內核中應提供的部分服務功能模塊放到內核外來實現的。當進程有服務要求時，通過系統調用接口向內核提出申請，然后通過向內核外的服務程序發送一個消息來啟動這個服務進程。524.3嵌入式實時操作系統的可裁剪性及其實現可剪裁(可配置)性：對一個規模大且功能齊全的操作系統，在結構上保證了用戶可在其中有選擇地保留某些模塊，而刪減掉一些模塊的功能。53兩種配置方法:（1）在系統進行編譯連接時進行配置：在操作系統中設一個配置文件，通過修改一些配置常數來選擇使用或不使用的模塊；（2）在系統運行時進行配置：依靠系統在初始化運行時執行一些條件轉移語句來實現配置。545.常見嵌入式實時操作系統5.1常見源碼開放的嵌入式操作系統5.2常見商業嵌入式操作系統555.1常見源碼開放的嵌入式操作系統5.1.1UC/OS-II5.1.2RTLinux5.1.3ARM-Linux5.1.4其他565.1.1UC/OS-II

uC/OS由美國人JeanJ.Labrosse于1992開始編寫的一個嵌入式多任務實時操作系統,經過多年修改,已發展到uC/OS-II版本。通過嚴格的測試，獲得了美國航空管理局的認證。可用于與人性命攸關的安全緊要系統,從而證明了它具有足夠的穩定性和安全性。57UC/OS-II特點:絕大部分代碼是由C語言編寫，只有極少部分與處理器相關的代碼是由匯編語言編寫.所以只要做很少的工作就可以移植到8位、16位、32位處理器上；支持多任務；基于優先級的可剝奪內核；可剪裁；區分用戶空間和系統空間，所以適合應用在比較簡單的處理器上。58UC/OS-II體系結構595.1.2RTLinuxLinux是一個源碼開放的通用操作系統，不支持實時進程。由于其多年的發展，具有較完善的服務，人們一直對它進行改造以支持實時任務。目前有多種在Linux基礎上開發起來的嵌入式實時操作系統，RTLinux是其中較為成功的一種支持硬實時進程的嵌入式操作系統。60NewMexicoTech大學的RTLinux研制者開發了一個精巧的可剝奪型微內核，而把原來的Linux內核作為微內核的一個進程，并賦予其一個最低優先級別，使所有實時進程可以隨時剝奪Linux內核的微處理器使用權。當沒有就緒實時進程時，才運行普通Linux進程。615.1.3ARM-Linux由于ARM的成功，Linux也被成功移植到ARM體系的芯片上。AMR-Linux就是在ARM芯片上應用的嵌入式操作系統。625.1.4其他KURTLinux基礎上改造的面向硬實時應用的嵌入式實時操作系統。時鐘精度大幅度提高，可達us級。TimeSysLinux美國TimeSys公司在Linux基礎上開發的一種比較完備的實時內核。Mach20世紀80年代，卡內基梅隆大學開發的一個微內核。支持UNIX編程接口，可在單處理機或多處理機系統上運行，適用于分布式環境。635.2常見商業嵌入式操作系統5.2.1VxWorks5.2.2QNX5.2.3pSOS5.2.4WindowsCE645.2.1VxWorksVxWorks操作系統是美國風河（WindRiver）公司于1983年設計開發的一種嵌入式實時操作系統（RTOS），是嵌入式開發環境的關鍵組成部分。良好的持續發展能力、高性能的內核以及友好的用戶開發環境，在嵌入式實時操作系統領域占據一席之地。65它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中，如衛星通訊、軍事演習、彈道制導、飛機導航等。在美國的F-16、F/A-18戰斗機、B-2隱形轟炸機和愛國者導彈上，甚至連1997年7月在火星表面登陸的火星探測器，2008年5月在火星表面上登陸的鳳凰號火星探測器上也都使用到了VxWorks。665.2.2QNXQNX是由加拿大QNX軟件系統有限公司開發的一個建立在微內核和完全地址空間保護基礎之上的QNX實時操作系統，具有模塊化程度高、裁剪自如、易于擴展的特點。QNX是一種商用的類Unix實時操作系統，遵從POSIX規范，目標市場主要是嵌入式系統。67POSIX表示可移植操作系統接口（PortableOperatingSystemInterface）。電氣和電子工程師協會（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）最初開發POSIX標準，是為了提高UNIX環境下應用程序的可移植性。然而，POSIX并不局限于UNIX。許多其它的操作系統，例如MicrosoftWindowsNT，都支持POSIX標準。68QNX通常被用于幫助控制保時捷跑車的音樂和媒體功能，同時也可用于核電站和美國陸軍無人駕駛Crusher坦克的控制系統。而后還將用于RIM公司的PlayBook平板電腦。695.2.3pSOSpSOS是美國系統集成公司(IntegratedSystems,Inc.簡稱ISI公司)根據幾十年從事嵌入式實時系統理論研究與實踐活動而設計開發的。該產品推出時間比較早，因此比較成熟，可以支持多種處理器，曾是國際上應用最廣泛的產品，主要應用領域是遠程通信，航天，信息家電和工業控制。但該公司已經被風河公司（windriver）兼并，從VxWorks5.5開始，已將PSOS的主要特點融入VxWorks中。70作為嵌入式系統微內核設計的先驅者之一，ISI公司將pSOSystem構造成適于嵌入式應用系統開發、在嵌入式實時領域具有領導地位的實時操作系統。pSOSystem從ISI公司和許多第三廠家得到大量的支持。715.2.4WindowsCEWindowsCE是微軟公司嵌入式、移動計算平臺的基礎，它是一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統，是基于掌上型電腦類的電子設備操作系統，它是精簡的Windows95，WindowsCE的圖形用戶界面相當出色。72其中CE中的C代表袖珍（Compact）、消費（Consumer）、通信能力（Connectivity)和伴侶（Companion）；E代表電子產品（Electronics）。73WindowsCE是所有源代碼全部由微軟自行開發的嵌入式新型操作系統，其操作界面雖來源于Windows95/98，但WindowsCE是基于WIN32API重新開發、新型的信息設備的平臺。WindowsCE具有模塊化、結構化和基于Win32應用程序接口和與處理器無關等特點。74WindowsCE不僅繼承了傳統的Windows圖形界面，并且在WindowsCE平臺上可以使用Windows95/98上的編程工具（如VisualBasic、VisualC++等）、使用同樣的函數、使用同樣的界面風格，使絕大多數的應用軟件只需簡單的修改和移植就可以在WindowsCE平臺上繼續使用。757.小結虛擬計算機系統調用進程、線程調度存儲器的段頁式管理操作系統的內核操作系統是由中斷驅動的操作系統要經過引導、裝載、啟動三個階段768.考核準備時間：初步定在12月24號，周五，1~2節考核方式：實驗20分，筆試（開卷）80分。2009年試題分析2010年試題分析77一、單項選擇題（共20小題，每小題2分，共40分）1．以下敘述不屬于馮·諾依曼體系的特點的是（A）A．不需要輸入和輸出設備B．被大多數計算機所采用C．以存儲程序原理為基礎D．數據以二進制表示2.以下的仿真方式中，（B）方式不需要依賴目標板上的處理器就可以進行仿真。A、ROM仿真器B、ICE C、BDM D、JTAG3.下列那種嵌入式微處理器采用了精簡指令集的架構（B）A.IntelX86B.ARM920TC.89C51D.TIDSP4.所有嵌入式軟件程序都擁有如下的基本結構是（B）A.無限循環+代碼臨界區B.無限循環+中斷

C.BSP+BootloaderD.中斷+中斷服務程序785.下面有關交叉編譯理解，不正確的是（D）A.在PC機上編譯基于ARM微處理器的代碼屬于交叉編譯B.軟件的編譯和執行在不同計算機平臺上完成C.是嵌入式軟件開發的典型特征

D.在PC機上開發VC代碼屬于交叉編譯6.單片機的核心本質是（D）A.嵌入式系統B.嵌入式操作系統C.DSPD.嵌入式微控制器7.FPGA的基本組成結構中，不包括下述哪項？（A）A.全局總線B.可配置邏輯模塊CLBC.輸入輸出模塊IOBD.可編程開關矩陣PSM798.下面有關vxworks的描述，不正確的是（D）A．硬實時內核B．具有多任務處理能力C．可以用于飛行器控制等關鍵場合D．可以免費獲得并使用9.對于嵌入式系統開發而言，下列哪項（B）與其他3項是不等價的？A．目標機B.開發環境C.嵌入式系統D.運行環境10.帶電腦模糊控制的電飯煲嚴格的說屬于（C）A.嵌入式微處理器B.嵌入式設備C.嵌入式系統D.嵌入式操作系統8011.以下嵌入式處理器哈佛體系結構和精簡指令集的是（B）A.ARM7系

列B.ARM9系列C.TI的DSPD.MCS-51系列12.下面哪一種器件封裝不是屬于表面貼類型的（B）A.BGAB.DIPC.PLCCD.TSSOP13.因為能支持實時系統工作的操作系統才能稱之為實時操作系統，所以下述操作系統不屬于實時操作系統的是（A）A.WindowsXPB.VxWorksC.uC/OSIID.NucleusPlus8114．有關uC/OS操作系統的描述，不正確的是（A）A．采用了時間片調度法B.公開源代碼C．基于優先級的搶占式調度D．具有可移植性15.一個嵌入式系統中，Flash上0x00000086地址上的數據0x70需要改寫為0x71，那么系統需要擦除（C）A．1bitB.1字節C.0x00000086地址所在的邏輯數據塊D.整塊Flash16.下列場合需要系統具備實時性的是（D）A．PDAB.家用照明C.個人電腦D.飛行器控制系統8217.在嵌入式操作系統中，下列不屬于任務的特點的是（

）A.動態性B.并發性C.獨立性D.同步性18.信號量是多任務環境下使用的一種設施,它負責協調各個任務,以保證它們能夠正確、合理的使用（

）A.系統資源B.公共資源C.總線資源D.外設資源19.在RTOS中，當發生優先級反轉時，可以采用（

）解決這一問題。A、優先級繼承 B、優先級驅動 C、搶占臨界資源 D、關中斷20.當前主流的嵌入式實時操作系統都是使用（

）調度法。A.先來先服務法（FCFS）B.最短周期優先法（SBF）C.優先級法(Priority)D.輪轉法(Round-Robin)8317.在嵌入式操作系統中，下列不屬于任務的特點的是（D）A.動態性B.并發性C.獨立性D.同步性18.信號量是多任務環境下使用的一種設施,它負責協調各個任務,以保證它們能夠正確、合理的使用（B）A.系統資源B.公共資源C.總線資源D.外設資源19.在RTOS中，當發生優先級反轉時，可以采用（A）解決這一問題。A、優先級繼承 B、優先級驅動 C、搶占臨界資源 D、關中斷20.當前主流的嵌入式實時操作系統都是使用（C）調度法。A.先來先服務法（FCFS）B.最短周期優先法（SBF）C.優先級法(Priority)D.輪轉法(Round-Robin)84二、多項選擇題（共10小題，每小題2分，共20分）1.和普通微處理器相比，DSP處理器的獨特之處包括（B、C、D）：A.具備豐富的外設接口資源和處理器支持

B.具備獨立的DMA總線和控制器C.具備獨立專用的專用的數據地址發生器（D、A、G）

D.具備獨立的硬件乘法器2.硬件抽象層能夠（A、B、C）A.它把系統軟件與底層硬件部分隔離，使得應用程序與硬件相對獨立B.它使得系統便于移植，同時可以提高開發效率C.它具備操作系統相關性，操作系統改變后必須重寫D.它具備硬件獨立性，硬件更改后不需重寫853.關于嵌入式處理器的正確描述包括（B、C、D）：A.嵌入式處理器就是嵌入式系統

B.嵌入式處理器選型是嵌入式系統設計的重要環節C.嵌入式處理器只有和外圍電路一起構成專用計算機系統才能成為嵌入式系統D.嵌入式處理器是嵌入式硬件組成的核心器件4.一個嵌入式操作系統的微內核包括以下哪些項？（A、C、D）A.任務管理模塊B.文件系統C.存儲器管理模塊D.定時器管理模塊865．片上系統SOC的特點包括（A、B、D）A.減少外圍驅動接口單元及電路板之間的信號傳遞，加快微處理器處理速度。B.減少芯片對外管腳數，簡化制造過程。C.使用獨特的計算機體系結構，提高并行計算能力D.內嵌的線路可以避免外部電路板在信號傳遞時所造成系統干擾。6.操作系統的任務狀態包括（A、B、C）A.就緒B.運行C.掛起D.斷電877.典型的嵌入式系統架構包括（A、B、C、D）A.用戶應用層B.板級支持包C.硬件層D.操作系統層8.線形穩壓電源的基本特點是輸入電壓大于輸出電壓，兩邊的流過的電流基本相同。某處理器核心工作電壓為1.8V，功耗2W，系統由一個5V、10W的外部電源供電，選擇一個5V轉1.8V的線形穩壓電壓模塊，請問哪組參數符合轉換模塊的轉換效率？（C）（A）80%（B）20%（C）36%（D）64%889．下列存儲器件掉電后數據不丟失的有（A、B、C）A．NVRAMB.EEPROMC.FLASHD.SDRAM10．實現代碼臨界區的方法有（A、B）A.屏蔽中斷B.使用信號量C.優先級倒置D.使用硬件指令89三、填空題（共6小題，每空1分，共20分）1．復雜指令集計算機和

精簡指令集計算機是當前CPU的兩種架構。它們的區別在于不同的CPU設計理念和方法。早期的CPU全部是復雜指令集計算機架構，它的設計目的是要用最少的機器語言指令來完成所需的計算任務。今天只有Intel及其兼容CPU還在使用CISC架構。

精簡指令集計算機

架構要求軟件來指定各個操作步驟，這種架構可以降低CPU的復雜性以及允許在同樣的工藝水平下生產出功能更強大的CPU，但對于編譯器的設計有更高的要求。902．嵌入式實時操作系統包括

硬實時

和

軟實時

兩大類。

硬實時是指操作系統必須確保系統中的關鍵任務在確定的時間得到響應，不能有失敗的情況，否則會出現嚴重后果；而軟實時是指操作系統設