第一章 实时操作系统介绍.doc

第二篇 实时操作系统第一章 实时操作系统介绍1.1 引言本章提供：操作系统的简要历史；RTOS的定义；调度器的描述；对象的讨论；服务的讨论RTOS的关键特性。1.2 操作系统的简要历史20世纪60和70年代，UNIX。20世纪80年代，Microsoft 引入Windows操作系统。9年代，即后PC （postPC）、嵌入式计算时代：商业RTOS，例如VxWorks。典型的RTOS和通用目的操作系统（GPOS）之间一些相似的功能如下：多任务级别；软件和硬件资源管理；为应用提供基本的OS服务；从软件应用抽象硬件。RTOS从GPOS中分离出来的某些不同的功能如下：嵌入式应用上下文中具有更好的可靠性；满足应用需要的上下剪裁能力；更快的特性；减少内存需求；为实时嵌入式系统提供可剪裁的调度策略；支持无盘化嵌入系统，允许从ROM或RAM上引导和运行；对不同硬件平台具有更好的可移植性。1.3 定义RTOS实时操作系统（RTOS）是一个程序，它按时序方式调度执行、管理系统资源，并为开发应用代码提供一致的基础。图1.1 RTOS的高层视图（含内核和嵌入式系统的其他部件）1.3.1 嵌入式操作系统功能及特点嵌入式操作系统一般由内核、嵌入式TCP/IP网络系统和嵌入式文件系统等组成。（1） 内 核嵌入式实时操作系统内核主要有如下功能：l 任务管理；l 中断管理；l 时间管理；l 对共享资源的互斥管理；l 任务间的同步与通信管理；l 内存管理；l I/O管理；l 出错处理；l 用户扩展管理；l 电源管理。2. 嵌入式TCP/IP网络系统图3.1 TCP/IP协议3. 嵌入式文件系统通用操作系统的文件系统通常具有以下功能：l 提供用户对文件操作的命令；l 提供用户共享文件的机制；l 管理文件的存储介质；l 提供文件的存取控制机制，保障文件及文件系统的安全性；l 提供文件及文件系统的备份和恢复功能；l 提供对文件的加密和解密功能。l 设置、修改对文件和目录的存取权限；l 提供建立、修改、改变和删除目录等服务；l 提供创建、打开、读、写、关闭和撤消文件等服务。 1.3.2 RTOS内核的部件大多数RTOS内核包括下面的部件：调度器（scheduler）包含在每个RTOS中，一组算法决定何时执行哪个任务。常见的调度算法包括时间轮换（roundrobin）和抢占（preemptive）调度。对象（object）是特殊的内核构件，帮助开发者创立实时嵌入式系统的应用。常见的内核对象包括任务、信号灯和消息队列。服务（service）是内核在对象上执行的操作或通用的操作，如计时、中断处理和资源管理。图1.2 RTOS内核中的公共部件(含对象、调度器和某些服务)1.4 调度器调度器是每个内核的心脏。调度器提供决定何时必须执行哪个任务的算法。1.4.1 可调度实体可调度实体（schedulable entity）是一个可以依据预定义的调度算法，竞争到系统执行时间的内核对象。例如：任务（task）.调度器如何精确地操作多个必须同时运行的可调度实体呢？答案是用多任务。1.4.2 多任务多任务是操作系统在设定的死线内处理多个活动的能力。实时内核可以具有多个必须调度运行的任务。（图3）调度器必须保证适当的任务在恰当的时间运行。图1.3 多个任务使用上下文切换1.4.3 上下文切换每个任务具有自己的上下文，它是每次被调度运行时所要求的CPU寄存器的状态。当调度器从一个任务切换到另一个任务时，发生上下文切换。每次新任务被创立时，内核也创立和维护一个相关的任务控制块TCB(Task Control Block)。TCB是内核用来维护任务特定信息的系统数据结构。TCB包含内核需要知道的关于特定任务的每个事情。当任务运行时，其上下文是高度动态的。在TCB中维护此动态上下文。任务不运行时，在TCB中冻结上下文，以便保存作为下一次运行时使用。当内核调度器确定必须停止Task1的运行，开始Task2的运行时，采取下面的步骤： 内核将Task1的上下文信息保存到它的TCB中。 从Task2的TCB中装入它的上下文信息，Task2变成当前执行的线程。 在Task2执行时，Task1的上下文被冻结；但是，如果调度器必须再次运行Task1，则Task1将从其上下文切换前的离开点继续运行。调度器从一个任务切换到另一个任务所开销的时间称为上下文切换时间。当调度器决定上下文切换有必要时，则依靠相关的模块（称为分发器（dispatcher），进行上下文切换。1.4.4 分发器分发器是调度器的一部分，执行上下文切换并改变执行的流程。在RTOS运行的任何时候，执行的流程（也称为控制流）通过三个区域的其中之一，即通过一个应用任务、一个ISR或内核。调度器的调度算法决定下一步执行哪个任务；正是分发器完成上下文切换的实际工作并传递执行控制。1.4.5 调度算法大多数内核支持两种普遍的调度算法： 基于优先权的抢占调度（preemptive priority based scheduling）； 时间轮换调度（round robin scheduling）。1、 基于优先权抢占的调度大多数实时内核缺省使用基于优先权抢占算法。在任何时候运行的任务是所有准备运行的任务中具有最高优先权的任务。使用基于优先权抢占调度器，每个任务有优先权，最高优先权任务先运行。如果一个任务的优先权比当前准备运行任务的优先权高，那么内核立刻保存当前任务的上下文到其TCB中，并且切换到具有更高优先权的任务。任务的优先权可以用内核提供的调用进行动态更改。 图1.4 基于优先机抢占调度2、 时间轮换调度时间轮换调度为每个任务提供相等份额的CPU执行时间。纯粹的时间轮换调度不能满足实时系统的要求，基于优先权抢占调度扩充时间轮换调度。如果时间轮换循环圈中的一个任务被更高优先权任务抢占，那么保存其运行计数器，然后在合法执行时再恢复回来。图1.5 时间轮换和抢占调度1.5 对象内核对象（object）是特殊的构件，是实时嵌入式系统的应用开发的建造模块。最常见的RTOS内核对象是： 任务（task）是并发和独立执行的线程，可以竞争CPU执行时间。 信号灯（semaphore）像令牌（token）的对象，可以由任务递增和递减，用于同步（synchronization）和互斥(mutual exclusion)。消息队列（message queue）像缓冲区的数据结构，通过在任务之间传递消息，可以进行同步、互斥和数据交换。1.6 服务跟随着对象，大多数内核为开发者建立实时系统提供服务（service）。这些服务组成API调用集合，可用来执行内核对象上的操作或用来实现计时器管理、中断处理、设备I/O和内存管理，也提供其他服务。1.7 RTOS 的关键特性RTOS的一些公共属性是： 可靠性（reliability）； 可预测性(predictability)； 性能(performance)； 紧凑性(compactness)； 可剪裁性(scalability)。1.7.1 可靠性1.7.2可预测性1.7.3 性能 这项要求指示一个嵌入式系统必须执行得足够快，以满足时间要求。吞吐量（throughput）是系统根据输入产生输出的比率。1.7.4紧凑性RTOS必须小巧而且有效。必须了解RTOS和应用的静态和动态内存消耗。1.7.5 可剪裁性RTOS应当具有增加和减少模块化部件的能力，包括文件系统和协议栈。18 嵌入式实时内核的重要性能指标1）时间性能指标 中断延迟时间 中断响应时间 中断恢复时间 内核最大关中断时间 任务上下文切换时间 任务响应时间 系统调用的执行时间2）存储开销1.9 发展趋势系统今后的主要发展趋势有以下4点。1. 形成行业的标准2. 向高可用和高可靠方向发展3. 适应不同的嵌入式硬件平台4功能丰富1.10 本章要点 RTOS最适合于实时、应用特定的嵌入式