（电力电子与电力传动专业论文）实时多任务操作系统的开发和应用实例.pdf

实时多任务操作系统的开发及其在啤酒发酵中的应用英文摘要 a b s t r a c t w i mt l e i n c r e a s i n ga p p l i c a t i o no fi h o s t h en u m b e ro fr t o sd e m a n d e di s i n c r e a s i n g l yg r e a t 弛ep r o g r a m m e t h o db a s e d0 1 1r t o si ss i m p l e ri np r o g r a m m i n g 、 m a i n t e n a n c ea n d e x p a n d i n g t a s k s c o m p a r e d t o血et r a d i t i o n a l p r o g r a m m e t h o d ( f o r e - b a c kg r o u n dp r o g r a mm e t h o m ak i n do fr t o s i sd e v e l o p e db a s e do n 5 1c p u i n t h e p a d e r t h ef e a t u r ea n da c t u a l i t yo fe m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mi sd i s c o u r s e df i r s t l yi n t h e p a d e r t h ee m b e d d e do sb a s e d 5 1i sd i s c u s s e da b o u tt a s k - m a n a g e m e n t 、 t i m e r - m a n a g e m e n ta n dt a s k c o m m u n i c a t i o n a n d t h em e t h o do fh o wt oe x p a n dt a s k s o fr t o si si l l u s t r a t e di nt h ep a p e ri nd e t a i l t h ep a p e rd e s c r i b e st h ea d v a n t a g e so f p r o g r a mm e t h o d b a s e do nr t o s t h er t o s d e v e l o p e di sa p p l i e d t ot h eb e e rf e r m e n t m o n i t o r i n gs y s t e m w i mt h er t o st h eo p t i m i z e dc o n t r o lo fo n o f fv a l v ec a nb e r e a l i z e de a s i l yi nt h em o n i t o r i n gs y s t e mi nt h ep a p e r 【k 哪v o r d s r t o sb e e rf e r m e n tt a s k - c o m m u n i c a t i o n t e m p e r a t u r ec o n t r o l i i 学位论文独创性声明 ys 6 n 8 6 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 实时多任务操作系统的开发和应用实例 第一章绪言 第一章绪言 1 1 嵌入式操作系统的概述 1 1 1 嵌入式系统的概述 以往按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，将其分为大型计算机、 中型机、小型机和微计算机，并以此来组织学科和产业分工，这种分类沿袭了约4 0 年。近l o 年来随着计算机技术的迅速发展，实际情况产生了根本性的变化，例如7 0 年代末定义的微计 算机演变出来的个人计算机( p c ) ，如今已经占据了全球计算机工业的9 0 市场，其处理速度 也超过了当年大、中型计算机的定义。随着计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透，以应 用为中心的分类方法变得更为切合实际，也就是按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其 分为嵌入式计算机和通用计算机。通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用 软件，以类同面目出现并应用在社会的各个方面，其典型产品为p c ；而嵌入式计算机则是以 嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应 应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式计算机 在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了5 1 0 个嵌 入式微处理器。键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、m o d e m 、声卡、打印机、 扫描仪、数字相机、u s b 集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通 讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算 机的应用领域。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相 结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的 知识集成系统。 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系统软件和应 用软件的要求也和通用计算机有所不同： ( 1 ) 软件要求固态化存储 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片 机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 2 ) 软件代码高质量、高可靠性 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数 应用中存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质 量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。 ( 3 ) 操作系统软件( o p e r a t i n gs y s t e m ) 的高实时性是基本要求 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个 任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只 能由经优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是基本要求。 ( 4 ) 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础a 1 1 2 嵌入式操作系统的概念 实时多任务操作系统( r e a l t i m em u l t i t a s ko p e r a t i n gs y s t e m ) 是嵌入式应用软件的 基础和开发平台。目前大多数嵌入式开发还是在单片机上直接进行，没有用n r t o s ，但仍要 有一个主程序负责调度各个任务。r t o s 是一段嵌入在目标代码中的程序，系统复位后首先执 行，相当了二削户的主程序，用户的其它应用程序都建立在r t o s 之上。不仅如此，r t o s 还是一 实时多任务操作系统的开发和应用实例第一章绪言 个标准的内核，将c p u 时间、中断、i 0 、定时器等资源都包装起来，留给用户一个标准的a p i ， 并根据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配c p u 时间。 r t o s 是针对不同处理器优化设计的高效率实时多任务内核，r t o s 可以面对几十个系列的 嵌入式处理器m p u 、m c u 、d s p 、s o c 等提供类同的a p i 接口，这是r t o s 基于设备独立的应用程 序开发基础。因此基于r t o s 上的c 语言程序具有极大的可移植性。据专家测算，优秀r t o s 上 跨处理器平台的程序移植只需要修改1 - 4 的内容。在r t o s 基础上可以编写出各种硬件驱动程 序、专家库函数、行业库函数、产品库函数，和通用性的应用程序一起，可以作为产品销售， 促进行业的知识产权交流，因此r i u s 又是一个软件开发平台。 r t o s 最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时器管理、存储 器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗语管理等，这些管理功 能是通过内核服务函数形式交给用户调用的，也就是r t o s 的a p i 。 r t o s 的引入，解决了嵌入式软件开发标准化的难题。随着嵌入式系统中软件比重不断上 升、应用程序越来越大，对开发人员、应用程序接口、程序档案的组织管理成为一个大的课 题。引入r t o s 相当于引入了一种新的管理模式，对于开发单位和开发人员都是一个提高。基 于r t o s 开发出的程序。具有较高的可移植性，实现9 0 以上的设备独立，一些成熟的通用程 序可以作为专家库函数产品推向社会。 中国在计算机基础工业上落后于西方国家，在嵌入式处理器上也是如此。但是嵌入式系 统面向应用的特点决定了处理器应用开发的产值要占有整个嵌入式工业的大部分，而且将嵌 入式处理器与具体应用结合这种知识创新，只能由精通应用系统的用户来完成。因此中国在 嵌入式系统方面存在着相当大的发展机会。中国已经有l o ) 7 余名单片机开发工程师，其中很 多人都是在资料和信息有限的条件下通过实践，精通了单片机，并研制出了自己的产品。但 是和国外的开发相比，开发手段和水平还相对较低，标准化程度不够、重复劳动较多。这些 问题主要是由于单片机开发中缺乏工程化、标准化管理，缺少行业联合，在引入r t o s 和嵌入 式系统软件工程管理后可望得到很大的改变。 1 1 3 嵌入式操作系统的发展 实时操作系统( r t 0 s ) 的研究是从六十年代开始的。从系统结构上看，r t o s 到现在已经 经历了如下三个阶段： l _ 早期的实时操作系统 早期的实时操作系统，还不能称为真正的r t o s ，它只是小而简单的、带有一定专用性的 软件功能较弱，可以认为是一种实时监控程序。它一般为用户提供对系统的初始化管理以 及简单的实时时钟管理，有的实时监控程序也引入了任务调度及简单的任务间协调等功能， 属于这类实时监控程序的有r t m x 等。这个时期，实时应用较简单实时性要求也不高。应用 程序、实时监控程序和硬件运行平台往往是紧密联系在一起的。 2 专用实时操作系统 随着应用的发展，早期的g r o s f , 越来越显示出明显的不足了。有些实时系统的开发者为 了满足实时应用的需要，自己研制与特定硬件相匹配的实时操作系统。这类专用实时操作系 统在国外称为r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e md e v e l o p e d i nh o u s e 。它是在早期用户为满足 自身开发需要而研制的，它一般只能适用于特定的硬件环境，且缺乏严格的评测，移植性也 不太好。属于这类实时操作系统的有i n t e l 公司的i m a x 8 6 等。 3 通用实时操作系统 在各种专用r t o s 中，一些多任务的机制如基于优先级的调度、实时时钟管理、任务间的 通信、同步互斥机构等基本上是相同的，不同的只是面向各自的硬件环境与应用目标a 实际 上，相同的多任务机制是能够共享的，因而可以把这部分很好地组织起来，形成一个通用的 实时多任务操作系统的开发和应用实例第章绪言 实时操作内核。这类实时操作系统大多采用软组件结构，以一个个软件& q u o t ；标准组件 & q u o t ：构成通用的实时操作系统。一方面，在r t o s 内核的最底层将不同的硬件特性屏蔽掉； 另一方面，对不同的应用环境提供了标准的、可剪裁的系统服务软组件。这使得用户可根据 不同的实时应用要求及硬件环境选择不同的软组件，也使得实时操作系统开发商在开发过程 中减少了重复性工作。 这类通用实时操作系统，有i n t e g r a t e ds y s t e m 公司的p s o s + 、i n t e l 公司的i p m x 3 8 6 、 r e a d ys y s t e m 公司( 后与m i c r o t e cr e s e a r c h 合并) 的v r t x 3 2 等。它们一般都提供了实时性 较好的内核、多种任务通信机制、基于t c p i p 的网络组件、文件管理及i o 服务，提供了集 编辑、编译、调试、仿真为一体的集成开发环境，支持用户使用c 、c h 进行应用程序的开发。 有些企业为了满足实时应用的需要，自己研制与特定硬件相匹配的实时操作系统。 实时操作系统经过多年的发展，先后从实模式进化到保护模式，从微内核技术进化到超 微内核技术，在系统规模上也从单处理器的r t o s 发展到支持多处理器的r t o s 和网络r t o s ，在 操作系统研究领域中形成了一个重要分支。 l1 4 嵌入式操作系统的应用前景 嵌入式操作系统可应用于家用市场、工业市场、商业市场、通讯市场和国防市场，其产 品形态丰富多样，市场潜力巨大，因此未来十年，嵌入式软件面临着难得的市场机会。这里 简单介绍一下嵌入式操作系统的几个应用场合： ( 1 ) 掌上电脑( p d a ) 掌上电脑是嵌入式操作系统的重要应用领域随着掌上电脑等手持礞备性能的提高，嵌 入式操作系统将成为必需的配置；随着行业的推广，行业应用软件市场将迅速扩大；掌上电 脑功能的不断扩展，使得专项功能软件面临新的发展机会。 ( 2 ) 机顶盒 机项盒是一个很宽泛的概念。从广义上说，凡是与电视机连接的网络终端设备都可称为 机顶盒。机顶盒一般可分为三类：数字电视机顶盒( 使模拟彩电能够接收数字电视信号) 、 网络电视机顶盒( 通过电视机能够浏览互联网) 、r o d 数字机顶盒( 基于宽带网实现上网和 双向视频点播功能) 。机顶盒市场有赖于三大条件：较好的网络环境、丰富的内容( 数字节 目、用户关心的网络内容、v o d 节目源) 和相关政策、行业标准。嵌入式操作系统在机顶盒 中起着重要的作用。依赖于操作系统的支持，机顶盒可以上网、收发电子邮件、运行各种行 业应用软件、实现视频点播。随着机顶盒的广泛应用，嵌入式操作系统也将面临良好的市场 机遇。 ( 3 ) 手机 手机是嵌入式软件的主要载体之一，数量特别巨大。回顾手机的发展历史，可以看到手 机经历了三个阶段。最早只有基本的语音服务，其后增加了简单的附加应用( 比如电话簿) ， 后来又加入了w a p 方式访问i n t e r n e t 的功能，提供话音、数据和多媒体应用及服务。无线 i n t e r n e t 是必然的发展方向，人们可以在移动的条件下实现日常办公和生活娱乐，也可以实 现随时随地完成个人通信和信息交流，如上网浏览、音像点播、网上购物以及各种定制信息。 这些新功能的实现，大多依赖于嵌入式操作系统。 ( 4 ) 数码相机 数码相机是集微电子、光电子、传感器、新型显示存储技术等技术于一身的新型数字 化产品，在图像信息的数字化采集、存储、处理、传输等多方面具有明显的优越性。嵌入式 软件系统是数码相机的核心技术，数码相机的大部分功能主要通过软件来控制和实现。一方 面，嵌入式软件贯穿整个数码摄影的全过程。以嵌入式软件为核心的系统可以对数码相机的 整个摄影过程进行控制，实现对数字影像的采集、处理、存储和传递的管理：另一方面，嵌 实时多任务操作系统的开发和应用实例 第一章绪言 入式软件系统可集成多种硬件，适合于不同应用环境。利用嵌入式软件的可扩充特性和硬件 提供的标准接口，数码相机可以与其他电子产品相连接，甚至相融合；通过各种软件功能模 块来扩充数码相机的功能和其他应用，为用户提供全面的、多方位的、网络化的、个性化的 功能和服务。 ( 5 ) 数字电视 数字电视与模拟电视相比，在图像质量、传输速度、产品功能等方面都有明显优势，更 为重要的是，数字电视能够支持家庭信息化、宽带互联网和互联社区的服务。而这些扩展的 功能，都离不开软件，因此，伴随着数字电视的发展，嵌入式软件必将大有可为。数字电视 将带动软件产业发展。随着接收机系统复杂度的增大和业务种类的增加，对于接收机系统的 管理复杂度大大增加，需要一个嵌入式操作系统，能够实时地管理、控制硬件和处理任务。 因此，数字电视为嵌入式软件带来了新的发展机遇。 1 2 国内常用的几种嵌入式操作系统的介绍 在工业控制及其他相关领域的长期应用与商业竞争中已运渐形成了一些较为成功的嵌 入式操作系统，其中主流的嵌入式操作系统有w i n d o w s c e 、q n x 、e m b e d d e dl i n u x 、g x w o r k s 、 p s o s 及h o p e n 等。下面介绍了几种比较常用的嵌入式操作系统： 1 2 1v x w o r k s v x w o r k s 是美国w i n dr i v e rs y s t e m 公司( 以下简称风河公司，即w r s 公司) 推出的一个 实时操作系统。w r s 公司组建于1 9 8 1 年，是一个专门从事实时操作系统开发与生产的软件公 司，该公司在实时操作系统领域被世界公认为是最具有领导作用的公司。1 9 8 4 年w r s 公司推 出它的第一个版本一v x w o r k s l o 1 。 v x w o r k s 是一个运行在目标机上的高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统。它以其良好 的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要 求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在美国的f - 1 6 、f a 1 8 战斗机、b - 2 隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至连1 9 9 7 年4 月在火星表面登陆的火星探测器上 也使用到了y x w o r k s 。据称在美国的市场占有率居第一名。 y x w o r k s 的开放式结构和对工业标准的支持使开发者只需做最少的工作即可设计有效的 适合于不同用户要求的实时操作系统。y x w o r k s 主要有以下特点：它的微内核最小可达到8 i 【b ： 具有高效的任务管理：有2 5 6 个优先级、优先级抢占和轮转调度和快速确定的上下文转换； 多种灵活的任务间通信；具有优先级继承的二进制、计数器、互斥的信号量，消息队列，套 接字，共享内存，满足t c p i p 网络标准，快速、灵活的i o 系统，支持m s - d o s 和r t - 1 1 文件系 统等等。 开发工具：从1 9 9 5 年以后，w r s 公司推出了一套实时操作系统开发环境一t o r n a d o 。 t o r n a d o 集成环境提供了高效明晰的图形化的实时应用开发平台，它包括一套完整的面向嵌 入式系统的开发和调测工具。t o r n a d o 环境采用主机一目标机交叉开发模型，应用程序在主 机的w i n d o w s 环境下编译链接生成可执行文件，下载到目标机，通过主机上的目标服务器 ( t a r g e ts e r v e r ) 与目标机上的目标代理( t a r g e ta g e n t ) 的通信完成对应用程序的调试、 分析。 v x w o r k s - - 般价格：视你所选择的开发包而定。内核二进制代码约1 0 ，0 0 0 5 ，再自f l t o r o a d o 大概两万美元。 4 实对多镁势撩撵系缭抟拜美和瘴_ 薅l 实铡第一章绪言 l 。2 。2p s o s p s o s y s t e m 跫荚萤系统集袋公黉( i n t e g r a t e ds y s t e m s 。i n c 。簿豫i s i 公羽，现墨与美国 w i n d r i v e r 系统公司合并) 根掘几十年从事嵌入式蜜时系统理论研究与实鼹活渤雨设计开发 的实时嵌入式操作系统。p s o s y s t e m 集成了一整套嵌入式软件模块、工具和服务。作为嵌入 式系统微内棱设计的先驱者之一，i s i 公司将p s o s y s t e m 构造成逑予嵌入式皮朋系统开发，在 酝入式爨瓣镶域懿蠢壤导建搜瓣实薅搽律系统。p s o s y s t e m 飙i s i 公司帮骛多露兰厂家褥副丈 量的支持。p s o s y s t e m 是一个专门为嵌入式徽处理嚣设计和开发的模块纯、麓效率的蜜时揉 终系统。窘提供了基于标准优歼放系统的完整的多经务环境，铡如：对网络文档系统昀文持。 p s o s y s t e m 瓣凌计宗鸶是凳了实现怒效、可靠、荔予馕翔熬嵌入式实瓣软律，滚支持震 户自己设计的或商品化的硬件系统。p s o s y s t e m 的每一部分都怒完全”自包含”的，这种机 制允许开发者撤据每个应用的特殊嚣求对操作系统的功麟和内存进行裁剪和配制。 p $ o s y s t e m 的这秘设计，馊褥搿发人摄对麓单戆独立设菩及蟹袭盼可容错多处理税系统都可 魏灵活戴麓。 p s o s y s t e m 具有模块纯的鳍橡。围绕操作系统内棱p s o s + 有系列软件劢虢模块。软件功 麓摸块怒耩准的结擒头，医l 瑾：，不麓痰髑不加修改蟪使月它稻。这些模块采爝了黑焱子技 术，可戳使用户兔子维护，势艇确保离w 靠性。 p s c s + 实时多任务内核它烧一个经多个应用领域验证的多任务内核。它掇供一种及时应 答、高效的机制岛用户的实时成用系统协调合作。现阶段，全馓界范围内裔趣过= 千万的嵌 a 式设罄遥嚣罄p s o s + 。 p s 0 6 + m 多鲶壤嚣多任务内骏扩赢了髑。s + 的一登糁键，使褥在紧耩台或桧耩台熬多楚理 器上的操俘可无缝隙实现。p n a + t c p i p 协议拽是一个窕全的1 p i p 协议组，德播：网芙路由 按议、u d p 、a r p 秘i g m p 等等。p n a + 健溺标准静套( s o c k e t ) 接瓣，趣捶渡豁t r e a m ) 、擐交 ( d a t a g r a m ) 、r a w s o c k e t 。p r p c + 远程调粥函数库提供了与s u n 兼容的r p c 和x d r 腹务；允许用 户用熟溅的远程调用来构造分稍式应用p h i l e + 文件系统管理，可以通过它有效地访问备种不 同的存储设备，镪括本地盎和潮缮盘。文件系统支持儆撼e 驴r o m 设备、m s - d o s 兼容盼文件系 统，煮p s o s y s t e m 黪毒兹餐速文终系统。p r e p c + 标, 准娥s lc 函簸痒提供可爨入( r e e n t r a n t ) 版本的、流行的a n s ie 函数功髓库，恻翔p r i n t f o 和m a l l o c 0 。完全与p s o s + 藕i o 设备集成 在一起。p r o b e + 燕个驻窭在鞲睬帆上静调试器，它溅够对目标枫上运行熬掇彦进雩亍调试监 控，菸潮窿主梳遴行逶最戳撬供穰圭瓤上戆源语富调演器爨嚣焦惠。p r o b e + 零身苓袋羧予 p s o s + ，w 使开发人员在开发b s p 时得到调试支持。模块化技术掇供了硬件抽象层概念。硬件 抽象屡分为芯片缀初始化和设备驱动稷序，这些底艨的硬件程序独立于p s o s y s t e m 模块和用 产熬瘟塌。遮样搿发戆痤霜纛黟不会嚣必处理器和辨爨设餐舶鼹新磊艘淘汰。暇此，如果更 耨帮辩缀攒锌，丽户只需篱攀惩修改一下硬俘搐象震熬设备熬动程序。 p s o s y s t e m 支持多种芯片，戗括m o t o r o l a 的6 8 x x x ，o l d f i r e ，还有a 赋，x 8 6 ，i n t e l1 9 6 0 家蔟等。 1 2 。3h o p e n h o p e n o s 是凯愚集团自主研制开发的嵌入式操作系统，由一个体积很小的内核及一些可 跌稷蠢慈爱避孬逛涮熬系统挨块缀藏。蒸捩一t j , h o p e nk e r n e l 一般免l 瓣左袁大小，鑫翅空闯 小，并熟霄实辩、多任务、多绒程的系统特征。使撬嚣冒娃缀罄署建对这一搡雅系统滤行定 制或豫邂当开发，该系统不仅埘以广泛威用于：移动计算平台( p d a ) 、家庭偿息环境( 机礞 盒，数字壤撬) 、邂落诗篓平螽( 瓣捧警撬) 、车裁诗簿平套( 等靛器) 、王盏、褰鼗控翻 ( 智能工控设备，p o s a t m 机) 、电子商务平台( 智靛卡应用，安全管理) 籀信息家电上， 还可应阁于与i n t e r n c t 相联接的切按入设备，是未来信息家电的核心。 实时多任务操作系统的开发和应用实例 第一章绪苦 该系统目前己能在：x 8 6 ，p a r i s c ，p o w e rp c ，a r m ，s t r o n g a r m ，m i p s ，6 8 ( ) ( x 等多种芯片上运行。h o p e n 操作系统是一种运行在3 2 位微处理器上的实时多任务操作系统。 它采用与众不同的设计思路，实现的是一个极为灵活方便、可按照需要随意裁减或作适当开 发的系统。它拥有以下特色： ( 1 )内核结构设计：h o p e n 是按照嵌入式系统的要求设计的一个操作系统。由一个体积很 小的微内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。之所以称为微内核是因 为它只实现必须由操作系统核心完成的几种最基本的操作，如进程间通讯，线程调 度，中断入口，内存管理，系统时钟及电源管理。h o p e n 核心一般为1 0 k b 左右大小， 即便加上其它必要的模块，所占用的空间也很小。 ( 2 )高实时性操作系统：h o p e n 操作系统的核心是针对实时应用开发的操作系统内核，它 提供一个实时系统所需要的一切基本要素：多任务、有优先级驱动的优先式调度方 法和快速现场切换。对各种实时性要求高低不同的应用，h o p e n 操作系统核心允许根 据需要实施特定安排，使各种不同的应用有可能在同一台运行h o p e n 操作系统的计算 机上得以理想地运行。 ( 3 )友好的图形用户接口：h o p e n 操作系统的窗口图形系统是一个面向对象设计的，基于 消息驱动的图形用户接口系统。它提供w i n 3 2 风格的应用程序设计接口。方便应用程 序的开发。熟悉w i n d o w s 程序设计的人员不用培训就可以开发基于h o p e n 窗口系统的 应用程序。h o p e n 窗口系统可同时创建多个窗口，可对窗口进行显示、隐藏、移动、 重叠、滚动、改变太小等操作。 ( 4 )易于开发设备驱动程序：h o p e n 操作系统定义了字符设备驱动程序接口规范、存 储设备驱动程序接口规范和图形设备驱动程序接口规范。h o p e n 操作系统按照这 些规范调用设备驱动程序，设备驱动程序可以由用户自己编写。h o p e n 操作系统的窗 口系统在图形设备驱动程序之上的所有部分都是与设备无关的，可以用于各种各样 的图形输入设备和图形输出设备，采用统一的图形设备驱动程序接口调用设备驱 动程序。 ( 5 )全面支持汉字：h o p e n 图形窗口系统全面支持汉字。耳前支持g b - 2 3 1 2 8 0 字符集和 b i 9 5 字符集，同时向支持u n i c o d e 的方向发展。通过字体设备驱动程序接口，可支持 任意多种点阵和矢量字体。完整的支持中文处理功能，提供标准的中文输入模块接 口，可挂接任意多种中文输入法。标准化的中英文手写识别程序接口，可方便的挂 接第三方的中英文手写输入识别程序。 ( 6 )开放性、可伸缩性：h o p e n 操作系统的高度模块化结构使得用户可根据实际应用的需 要选择对自己有用的功能模块。目前h o p e n 操作系统提供的模块包括：h o p e n 核心模 块，h o p e n 文件系统模块，h o p e n 设备驱动模块，h o p e n 图形窗口系统模块，h o p e n 网 络协议模块，h o p e n | 夭q 特网浏览器，h o p e nj a v a 虚拟机。用户可根据自己的需求少到 只选用核心模块，也可多到选用上述全部模块。 ( 7 )支持多种c p u ：o p e n 操作系统能运行在多种1 6 3 2 位的c p u 。系统开销小：h o p e n 操作 系统对目标机的系统资源要求较低，最低6 4 k 的存储空间即可运行内核程序。网络支 持：h o 口e n 提供t c p u d p i p p p p 协议支持及统一的m c 访问层接口。 1 2 4q n x 位于加拿大首府渥太华的q n x 软件系统有限公司成立于1 9 8 0 年，是创新主导型公司。在 2 0 多年的时间里，q n x 公司与时俱进，不断推出代表时代技术水平的实时操作系统，包括q n x 2 、 q n x 4 和当前q n ) 6 。 建立在微内核和完全地址空间保护基础之上的q n x 实时操作系统，实时、稳定、可靠、 6 实时多任务操作系统的开发和应用实例第一章绪言 强壮，具有模块化程度高、剪裁自如、易于扩展的特点。作为多任务的实时操作系统，q n x 的内核只提供操作系统最基本服务，如任务间通信、同步、时钟等再通过任务间通信将任 务组织起来构成完整的系统，是名副其实的微内核的操作系统：删实时操作系统可以对每 个任务进行全面地址保护，使每个任务运行于自己的地址空间之中。q n x 中，任务不仅包括 其他操作系统中的所说的”应用程序，也包括这些系统中所谓的”驱动程序”等系统程序。实 际上，在q n x 系统中，驱动程序和普通应用程序的界限是非常含糊的。他们构成了q n x 系统的 模块：每个模块由于运行于自己独立的地址空间，可以随时按照实际需要动态决定其运行或 终止运行。因此，对系统的剪裁，在q n x 上是一件异常轻松的事。通过系统剪裁，q n x 可以运 行在3 2 k 到4 g 以上的存储空间上。因此，q n x 的应用范围包括了从深度嵌入的系统，如机顶盒 等消费类电子到海量计算的服务器系统等各种应用领域；由于这种应用程序与系统程序的一 致性，使q n ) ( 的扩展变得非常容易。用户可以随时按照应用程序的方式编写系统程序，从而 对系统进行个性化的扩展。 由于q n x 体系结构的这种特点，使q n x 实时操作系统非常实时、稳定、可靠、强壮。作为 实时性的两个主要指标的上下文切换和中断延时，其时间指标都在微秒一级。如： 处理器速度( 姗z ) 上下文切换( 微秒) 处理器速度( 删z )上下文切换( 微妙) 7 4 0 0 g 4p o w e r p c4 6 0o 6 r 5 2 7 xm i p s1 6 62 3 【s h - 4 2 0 01 9 i l s a i i i 0s t r i n ga r m2 0 71 8 q n x 实时操作系统的微内核加全面地址保护的结构，保证了运行系统的稳定性、可靠性 和强壮性，披无数用户在诸如医疗仪器、控制系统与自动化工程、航空航天、铁道工程等任 务关键型应用领域的应用实践所证实。 q n x 实时操作系统还是一个开放的系统，其应用程序接口完全符合p o s i x 标准。使 l i n u x u n i x 程序能够方便地移植到q n x 系统上来，极大地扩展了q n x 系统的可用资源。倒x 开 放性还表现在网络联结性上。q n x 不仅有q n x 机器之间专用网络，还支持与异型机器之间网络 通信的协议，如t c p i p 族的各种协议。 o n x 机器自身之间通信使用的协议，将多台q n x 物理机联成一体，在各物理机之间共享各 种资源，使各物理机联结成为一台逻辑机。对于需要分布式并行计算的应用系统而言，q n ) ( 系统的这种特点无疑提供了极大的方便。 q n x 更提供对称多处理器的方式的系统供用户选择。这些优点就已经使一般实时操作系 统望尘奠及了，q n x 还有一些优点使他更为完善。q n x 是少数支持图形用户界面的实时操作系 统之一。不周于一些实时操作系统，q n ) ( 对图形用户界面的支持不是通过用户可以使用的 c c + + 图形函数库的方式提供给用户自己编写图形界面，而是立即。提供的。图形用户界面 以一组运行模块的方式，用户只要运行这些模块，就”立即。获得了图形用户界面，本身不需 编写一条程序。 q n x 开发系统不仅利用了其得天独厚的操作系统体系结构上的优点，更提供集成开发环 境，将工具间无缝联结，使用户在集成环境下利用特别优化过的c c + + 函数库开发从资源紧 凑的深度嵌入到基于对称多处理器的服务器系统。 实时多任务操作系统的开发和应用实例第一章绪言 1 3 本课题的目的和主要工作 本课题的主要目的是研制可在5 1 单片机上运行的嵌入式操作系统，可简化今后在5 l 单片 机上的编程。课题中的一个示例应用是啤酒发酵罐的控制系统，该系统的下位机程序用嵌入 式操作系统来实现。结合课题的具体要求，主要做了以下几个方面的工作： 一、在参阅了大量文献资料之后，剖析r t o s 的工作原理，深刻理解嵌入式操作系统中的 信令、任务调度、任务管理和时间管理等工作细节。为了保证调度任务的快速性、缩小目标 代码的长度，研究在必要的地方嵌入汇编代码。 二、根据5 1 单片机的实际情况，在有限的单片机资源上开发r t o s 内核，内核需实现多个 任务的调度和管理、优先级的调度、系统的时间管理以及系统的初始化和任务的创建。并采 取一定的措施以扩展内核的可运行任务数。 三、提供嵌入式操作系统编程的实例分析。根据啤酒发酵的实际工作环境，分析啤酒发 酵的温度测控系统，制定具体任务，划分各任务的优先级，完成各任务的具体程序代码，用 嵌入式操作系统方便地实现开关阀的p 删控制，达到调节阀的效果。 四、研究啤酒发酵的模糊控制算法，以实现啤酒发酵的优化控制。 实时多任务操作系统的开发和应用实例 第二章嵌入式操作系统内核的殴计 第二章嵌入式操作系统内核的设计 在火部分嵌入式应用系统中都可以采用实时多任务操作系统，譬如电机控制、智能仪器、 家电、计算机外设、通讯设备，甚至工业机器人等。虽然现在已经存在了很多成熟的嵌入式 操作系统。这些嵌入式操作系统的功能非常完善，既包含文件系统，又包含i o 管理、网 络管理等。但是这些嵌入式操作系统为取得较高的实时性能，对硬件的要求也比较高；由于 体积、能耗、等方面存在限制，处理器的速度往往比较慢，存储器的空间也有限，很多场合 满足不了这些对硬件的要求：而且在很多实际的应用中，有的时候并不需要这么多复杂的功 能。所以还是有很多场合需要针对实际情况，重新开发嵌入式操作系统内核。“在5 1 系列 的单片机上，由于5 1 单片机内系统资源的限制。现在成熟的嵌入式操作系统并不多，但是 5 1 系列的单片机在应用上还是非常广泛的，因而在5 1 上开发一种实际应用的嵌入式操作系 统有其一定的必要性。 2 1r t o s 内核的设计 从某种意义上说，操作系统是计算机的一个扩展，它赋予计算机更多的功能；从另一个 角度讲，操作系统也是计算机的系统资源管理者。它至少应该包括下面的内容： 2 1 1 任务调度 当前的嵌入式应用，尤其是一个复杂的嵌入式应用，用单任务的前后台设计来实现是比 较繁琐的。采用多任务的设计策略，会使设计过程简单得多。任务调度策略的优劣对操作系 统的性能至关重要。虽然有各种各样的任务调度方法，但是总得来说大致可分为三种：优先 级调度、轮转调度和时间片调度。轮转调度和时间片调度都属于静态表调度方式。 优先级调度又可以细分为两种情况：优先级抢占和优先级不抢占。优先级抢占是指当高 优先级任务被激活后，立即中止当前任务的执行，抢占c p u 运行。优先级不抢占，是指当有 高的优先级任务被激活后，不中止当前在执行的任务，不抢占c p u 运行，而是放到任务就绪 队列中，在当前执行的任务结束之后，从任务就绪队列中选择优先级最高的任务运行。轮转 调度是任务管理者让就绪任务按照一个固定的时间轮流运行。时间片运行就是任务管理者根 据各任务不同的情况在不同的数量的单位时间的时间片内运行。在一般的操作系统中，固定 的采用一种或几种的调度方式。例如在u n i x 和l i n u x 中，采用优先级不抢占、轮转和时问 片三种方法。 无论是一般的操作系统还是嵌入式操作系统，任务调度都是操作系统的核心。在嵌入式 操作系统中很难明确哪一种调度方法是最好的，要根据被嵌入的系统的实际情况来优化选 择。在嵌入式操作系统中一般都配有这3 种调度函数的库函数，以满足不同用户的不同需求。 在用户开发完自己的应用系统后，没有使用到的代码是不会连接到最终系统中的。这一点与 一般的操作系统有很大的区别。一般的操作系统则是将所有有关代码加载到计算机系统中， 而不论会不会使用这些代码。 2 1 2 存储管理 一般操作系统的存储管理非常之复杂，虚存管理被广泛地使用。简单地说虚拟存储管理 器管理就是通过操作系统对内存和外存的管理，可以使应用程序获得比计算机实有的内存更 大的编址空间，使每个程序都可以享有一个独立的虚拟存储空间。程序访问的地址是虚拟地 址，操作系统通过段、页管理完成虚拟地址到物理地址的转换，同时管理和维护各应用程序 之间的共享存储空间。这样各应用程序被分割在各自的地址空间运行，不致相互干扰。 嵌入式操作系统的存储管理通常比较简单。在具体的嵌入式应用中，进程的数量和可能 实时多摄努操作系统豹开发帮应塌实铡第二章嵌入式捺捧系统内羰熬设计 用到的内存容羹艇可以在开发时预测的，因此嵌入式操谗系统通常采用静悫内存分既。尤其 是在嵌入式应援中，舞票采翅纛搬存镶技零，嚣为夏交换的聪嗣跫不可颈测豹，掰戳燕不可 取的。对于动态内存分配通常的做法悬谯缓冲区中韵态分配一块固定大小的内存，穗後用完 毕之后就释放。般地说，嵌入式操作系统的存储管理没有垃圾收集的功能。 在内存分配的策略上，嵌入式操作系统强烈地依赖于实际的被嵌入系绒。一个通用的嵌 入式撩终系统霹毅提供蔑静努孵策旗，瓣耀户在秀发爨邑熬嵌入式系统露霹娃选择，逮薅鬓 了嵌入戏搡撵系统的可裁减憷。 存褚管理购另一个重要特性蹩翘存保护。在一般的操作系统中，每个威粥程穿都肖自己 静逢楚窑闽，不怒任意访瓣萁撬瘫嗣疆转楚建蛙空阕+ 这样，警一个疰嚣穗洚攘渍霹，苓会 影响其他的应用程序。在嵌入斌应用中，尽管现在的存储器价格已经很便寂，但是有时受应 用环境的限制，不能大量使用存储器，这样嵌入式操作系统的代码量就受到严格的限制。例 如有的嵌入式擞作系统豹代粥双育几k ，这样在照瑗内存保护穷蘑就比较游鞯，这样的嵌入 式操终蓉统一般藏瘸于一些瑟侵系绕穗浚，选不会遮蔽重大攒必嚣锈蠛，魏警籍式电话。毽 是某些嵌入式瘦爝对内存保护菊非常严格的要求。翔武器系统中，就要求嵌入式搡佧系统有 擐强的内嚣保护功能。 2 1 3 中断 计弊机系统处理事件有两种方式：中断和查询。在多任务操作系统中，由乎使用避询方 式整理密 孛窝i o 谤求会大爨鑫瘸c p u 黥对闻严重游耧系统麴骞辍资源。露藏茏论是般豹 操传系缝逛憨嵌入式操晦系统，都使用审新方式来疆骥攀辞袋i o 请求。在攥律系簿中，孛 断是和中斯处理穗序联系在一起的。 褰嵌入式攥镣系统孛，黠串糖熬处璨缀重要。因为多熬嵌入残操缍系绞熬燕事枣 疆貔豹。 在嵌入式搽作系统中，中断热邋函数目l 怒的任务切换如下： 任努执行 相应中断弗执行中断处理程序，切换到任势b 一 任舞b 遮行退出后， 切换到任务a 任务a 继续运行。 在审旗娃联援痔孛，莰魏嚣一鳖盛簧瓣状态转撩，瓣予事移瓣寞正照瑗，剃测用孛装任 务( 如上述酶任务b ) 完成。谯榉使得中颟处理程序的遥行薄可能短，以便臻统爵跌娃理其 他的中断攀件。 在串鞭娃理主，一般操捧系统与嵌入式操露系统鹣举秘之簸在于瑗场爨护。一般瓣撵雩# 系统的域场保护避由操作系统米完成的，在中断处理究成之后，也由操作系统恢复现场。在 嵌入式操作系统巾，有时由于蹙到代码擞的限制，中断现场的保护往往由中断处理程序来完 成。在中断处理程序的入口要搽护在中凝处理程序中簧鞠割的寄存器，在中辑处理完成后恢 复。这徉，一方甏躐，j 、了戴碍鬃，荔蠢瓣提高了串鞭嗡窿事髂。餐帮损失7 策缝瓣寮金性， 同时也增加了调试的难度。这也是在嵌入式操作系统的设计中斑给予关注的越方。 2 1 。4 搡佟系统与尾声静接鼙 从操作系统的角度看，提供给用户的有两类接口。类是人机界面，无论是视窗格式还 是命令符格式，这类接口确切她说不能作为操作系统的一部分，而仅仅是操作系统的一个外 蠹。这个器嚣燕麓了用户方翅镬翅歉入式掇终系统，遮个赛嚣残嵌入式操 挈系统孛是不孝在 的。 遮照骤讨论舶是另一类接掰，操作系统提供给用户的开发自甚应用程序婀a p i 函数，也 裁是系绞调瘸。这是每一个掇露轰统郝磐矮其畜豹，嚣埝楚一般豹掇捧系统逐楚袋入袋操终 系统。每一个操作系统提供的系统调用功能和种类都怒不同的。当然，对于每一个操作系统 而言，它提供的系统调用越茹，它的功能就越强，对于麻用稷序而言，就是越能提供简单而 。l 。 实时多任务操作系统的开发和应用实例第二章嵌入式操作系统内核的设计 高效的支持，同时也能减小应用程序的维护量。相反一个操作系统的系统调用越少越单一， 那么应用程序也就需要做更多的工作，也就越复杂。为了适应日益复杂的应用程序开发，操 作系统中的系统调用也越来越复杂，功能越来越强大，也越来越多。但是这一规律并不适用 于嵌入式操作系统，嵌入式操作系统的应用范围非常广泛，简单到调制解调器，复杂到卫星 地面接受站、航天飞机。这就决定了嵌入式操作系统所提供的系统调用的数量和功能是因应 用而不同的。尽管可裁减性是嵌入式操作系统的一个非常重要的特性，但是任何一个嵌入式 操作系统都不可能从具有各种完善功能、代码达到几百k b 裁减到只具有实时调度和信号量 操作的几k b 代码。所以嵌入式操作系统只能面向被嵌入系统的实际需求，确定系统调用， 以便达到在提供最有效的系统调