第7章-嵌入式操作系统PPT课件.ppt

第七章嵌入式操作系统 2020 3 27 内容提要 嵌入式Linux操作系统 实时操作系统 常见嵌入式操作系统 嵌入式操作系统概述 2020 3 27 操作系统的发展 计算机系统由硬件和软件构成 在发展初期并没有操作系统这个概念 用户使用监控程序来使用计算机 随着计算机技术的发展 计算机系统的硬件 软件资源越来越丰富 监控程序已不能适应计算机应用的要求 于是在六十年代中期监控程序进一步发展形成了操作系统 到目前为止 主流的操作系统有三种 多道批处理 分时和实时操作系统 2020 3 27 嵌入式操作系统结构 操作系统分类微内核 micro kernel 单晶内核 monolithickernel 混合内核 hybridkernel Kernel MemoryMgmt I OSystem NetworkStack DeviceDrivers FileSystems 2020 3 27 2020 3 27 2020 3 27 各式各样的操作系统 桌面机Windows 9X XPHome XP 2000Pro Mac服务器Windows XP 2000Server AdvancedServer UnixVarieties嵌入式Many 2020 3 27 嵌入式操作系统概念 嵌入式操作系统EOS EmbeddedOperatingSystem 是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件 是嵌入式系统的重要组成部分 嵌入式系统是使用特定嵌入式软件完成特定功能的计算机系统 嵌入式操作系统作为软件的组成部分 为嵌入式软件的开发和运行提供良好的环境 嵌入式系统可以是基于ROM或者是磁盘的系统 类似PC 但它并不能替代通用计算机系统 2020 3 27 模块化可升级可配置小内存损耗CPU支持设备驱动等等 2020 3 27 嵌入式操作系统作用 具有通用操作系统的功能 EOS负责嵌入系统的全部软 硬件资源的分配 调度 控制 协调并发活动 能够把硬件虚拟化 简化开发人员的工作它必须体现其所在系统的特征 能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能 能够提供库函数 驱动程序 工具集以及应用程序 2020 3 27 嵌入式操作系统分类 基于或与Windows兼容 WindowCE 嵌入式Linux EPOC工业与通信 传统 类 VxWorks pSOS QNX Neculeus VRTX单片机类 iRMX CMX C OS面向Internet类 PalmOS Visor Hopen PPSM 2020 3 27 嵌入式操作系统特点 可定制性一般需提供可添加或可裁剪的内核及其他功能 让用户按需配置 如调度算法 存储管理 设备驱程序 可移植性应该能够支持多种国际主流微处理器等硬件平台 给用户硬件选择的灵活性 实时性大多数嵌入式系统工作在实时性要求很高的环境中 要求嵌入式操作系统必须将实时性作为一个重要的指标来考虑 低资源占有性在保证其功能的前提下 尽可能减少系统对资源的占用 2020 3 27 使用嵌入式操作系统的优缺点 优点使程序的设计和扩展变得容易 大大提高了开发效率 充分发挥32位CPU多任务的潜力 实现多任务设计 能够充分利用硬件资源和实现资源共享 实时性和健壮性能够得到更好的保证 缺点嵌入式操作系统增加ROM RAM等额外开销 5 10 的CPU额外负荷 2020 3 27 嵌入式操作系统的发展趋势 体系结构向微内核方向发展可伸缩 可移植 可剪裁 可配置行业的标准 多种操作系统平台 应用决定操作系统结构紧凑 功能强大高可用 HighAvailable 高可靠 HighReliable 支持多处理器和分布式计算可动态加载和升级软件与开发工具有机的结合起来 2020 3 27 ExternalMemory CPU Address Data 扩展芯片 内核 core 处理器存储器子系统 SoC的片内外设 系统的片外设备 2020 3 27 嵌入式操作系统的选择 应用需求实时性开发工具CPU种类价格和技术支持和服务 2020 3 27 一些典型的应用实例 goReaderInterneteBook SamsungAnyWebInternetScreenPhone eRemoteIntelligentHomeController TektronixTDS7000DigitalOscilloscopes NixvueDigitalAlbumDigitalPhotoAlbum 2020 3 27 内容提要 嵌入式Linux操作系统 实时操作系统 常见嵌入式操作系统 嵌入式操作系统概述 2020 3 27 WindowsEmbedded WindowsCE 一种针对小容量 移动式 智能化 32位 连接设备的模块化实时嵌入式操作系统 缩减的Win95 针对掌上设备 无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台 属于软实时操作系统 由于其Windows背景 界面比较统一认可 可以使用大多数Windows开发工具 如VB VC等 大多数Windows应用程序经过移植后就可以运行在WinCE平台上 操作系统的基本内核需要至少200K的ROM 2020 3 27 微软的移动平台 更强的功能 2020 3 27 WindowsEmbedded家族 2020 3 27 MicrosoftWindowsCE Microsoft公司的产品微内核 可剥夺采用页式存储管理 页面换入技术 可以锁定 内核映像既可以在ROM中 也可以在RAM中运行动态连接DLL中断处理分ISR与IST 不支持嵌套设备驱动也分两层Winsock提供网络接口GUI丰富 2020 3 27 VxWorks VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统 RTOS 具有良好的持续发展能力 高性能的内核以及友好的用户开发环境 在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地 VxWorks所具有的显著特点是 可靠性 实时性和可裁减性 它支持多种处理器 如x86 i960 SunSparc MotorolaMC68xxx MIPS POWERPC等等 2020 3 27 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 如火星探测器 1997年7月4日登陆火星表面 去掉了一些OS模块 因为这些模块在某种程度上会影响系统的实时性 如在内存管理中没有采用页面管理模式 采用的是平板式内存 2020 3 27 VxWorks 缺点 缺少某些OS特性保证时限要求是设计者自己的任务 系统的灵活性带来的弊端 不支持很多应用和APIs 只支持部分POSIX标准的函数集 尽管采用了平板式内存管理 但是由于内存的动态分配 仍然存在内存段 这样仍然存在时间上的不可预测性应用领域主要局限在对实时性要求较严格的硬实时系统中 2020 3 27 SymbianOS Symbian由诺基亚 西门子 索尼爱立信等几家大型移动通讯设备商共同出资组建的一个合资公司 专门研发手机操作系统 Symbian操作系统的前身是EPOC针对PDA及智能手机的 能够提供良好的软实时的操作系统 目前占有60 的智能手机市场与之竞争的有WindowsMobile PalmOS以及Linux主要版本Series60 90 80 40UIQ 2020 3 27 PalmOS PalmOS是著名的网络设备制造商3COM旗下的PalmComputing掌上电脑公司的产品 PalmOS是一套专门为掌上电脑编写的操作系统 充分考虑到了掌上电脑内存相对较小的情况 所以Palm操作系统本身所占的内存很小 基于Palm操作系统编写的应用程序所占的空间也很小 通常只有几十KB 因此基于Palm操作系统的掌上电脑虽然只有几兆内存却可以运行众多的应用程序 PalmOS在PDA市场上占有很大的市场份额 PalmOS的市场份额占到将近90 最近下降70 目前主要与WINCE进行激烈竞争 代表性的产品有Palmm505 Palmm500 PalmIII等 2020 3 27 QNX 加拿大QNX公司的产品 QNX是在X86体系上面开发出来的 这和别的RTOS不一样 别的好多RTOS都是从68K的CPU上面开发成熟 然后再移植到X86体系上面来的 QNX是一个实时的 可扩充的操作系统 它部分遵循POSIX相关标准 由于QNX具有强大的图形界面功能 因此很适合作为机顶盒 手持设备 手掌电脑 手机 GPS设备的实时操作系统使用 2020 3 27 C OS及 C OS II C OS MicroControllerOS C OS简介美国人JeanLabrosse1992年完成 已应用于数百种产品中 应用面覆盖了诸多领域 如照相机 医疗器械 音响设备 发动机控制 高速公路电话系统 自动提款机等1998年 C OS II 目前的版本 C OS IIV2 722000年 得到美国航空管理局 FAA 的认证 可以用于飞行器中是一个源码公开 可移植 可裁减 占用资源少 抢先式的实时多任务操作系统 其绝大部分源码采用ANSIC写的 移植性好 高校教学可免费使用 网站www ucos II com 2020 3 27 OSE OSE主要是由瑞典的ENEADataAB下属的ENEAOSESystemsAB负责开发和技术服务的 一直以来都充当着实时操作系统以及分布式和容错性应用的先锋 并保持良好的发展态势 OSE的客户深入到电信 数据 工控 航空邓领域 尤其在电信方面 该公司已经有了十余年的开发经验 同诸如爱立信 诺基亚 西门子等公司确立了良好的关系 目前手机市场占有率为15 左右 期望在未来3G手机市场占有率达到50 2020 3 27 嵌入式Linux Linux是源码开放的 不存在黑箱技术 Linux内核小 功能强大 运行稳定 系统健壮 易于定制裁减 价格上极具优势Linux支持CPU较多开发工具gccgdb得到IBM SUN等的支持 逐渐形成了可与WindowsCE等抗衡的局面 目前正在开发的嵌入式系统中 49 的项目选择Linux作为嵌入式操作系统 2020 3 27 内容提要 嵌入式Linux操作系统 实时操作系统 常见嵌入式操作系统 嵌入式操作系统概述 2020 3 27 基本概念 前后台系统 对基于芯片的开发来说 应用程序一般是一个无限的循环 可称为前后台系统或超循环系统 很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计 例如微波炉 电话机 玩具等 在另外一些基于微处理器应用中 从省电的角度出发 平时微处理器处在停机状态 所有事都靠中断服务来完成 2020 3 27 前后台系统 中断服务程序处理异步事件 这部分可以看成前台行为 前台也叫中断级 时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务程序来保证的 循环中调用相应的函数完成相应的操作 这部分可以看成后台行为 后台也可以叫做任务级 这种系统在处理的及时性上比实际可以做到的要差 2020 3 27 基本概念 资源 程序运行时可使用的软 硬件环境统称为资源 资源可以是输入输出设备 例如打印机 键盘 显示器 资源也可以是一个变量 一个结构或一个数组等 2020 3 27 基本概念 共享资源 可以被一个以上任务使用的资源叫做共享资源 为了防止数据被破坏 每个任务在与共享资源打交道时 必须独占该资源 这叫做互斥 访问共享资源之前申请信号量 其它任务访问受阻而不能使用共享资源 得到允许后 才能使用共享资源 2020 3 27 基本概念 非占先式内核 非占先式内核要求每个任务自我放弃CPU的所有权 非占先式调度法也称作合作型多任务 各个任务彼此合作共享一个CPU 异步事件还是由中断服务来处理 中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪状态 但中断服务以后控制权还是回到原来被中断了的那个任务 直到该任务主动放弃CPU的使用权时 那个高优先级的任务才能获得CPU的使用权 2020 3 27 基本概念 占先式内核 当系统响应时间很重要时 要使用占先式内核 因此绝大多数商业上销售的实时内核都是占先式内核 最高优先级的任务一旦就绪 总能得到CPU的控制权 当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入了就绪状态 当前任务的CPU使用权就被剥夺了 或者说被挂起了 那个高优先级的任务立刻得到了CPU的控制权 如果是中断服务子程序使一个高优先级的任务进入就绪态 中断完成时 中断了的任务被挂起 优先级高的那个任务开始运行 2020 3 27 基本概念 中断 中断是一种硬件机制 用于通知CPU有个异步事件发生了 中断一旦被识别 CPU保存部分 或全部 上下文即部分或全部寄存器的值 跳转到专门的子程序 称为中断服务子程序 ISR 中断服务子程序做事件处理 处理完成后 程序回到 1 在前后台系统中 程序回到后台程序 2 对非占先式内核而言 程序回到被中断了的任务 3 对占先式内核而言 让进入就绪态的优先级最高的任务开始运行 2020 3 27 中断 2020 3 27 基本概念 实时操作系统 RTOS 实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序 用户的应用程序是运行于RTOS之上的各个任务 RTOS根据各个任务的要求 进行资源 包括存储器 外设等 管理 消息管理 任务调度 异常处理等工作 在RTOS支持的系统中 每个任务均有一个优先级 RTOS根据各个任务的优先级 动态地切换各个任务 保证对实时性的要求 2020 3 27 是否实时 一方面是多大程度上充分发挥硬件潜力 即综合速度快慢的问题另一方面同时也是反映的速度在多大的程度上得到保证的问题 2020 3 27 实时性简介 对于什么是实时系统 POSIX1003 b作了这样的定义 指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务实时系统根据其对于实时性要求的不同 可以分为软实时和硬实时两种类型一个计算机系统为了提供对于实时性的支持 它的操作系统必须对于CPU和其他资源进行有效的调度和管理 即实时调度 2020 3 27 实时调度分类 各种实时操作系统的实时调度算法从调度策略上可以分为如下三种类别 基于优先级的调度算法 Priority drivenscheduling PD 基于CPU使用比例的共享式的调度算法 Share drivenscheduling SD 以及基于时间的进程调度算法 Time drivenscheduling TD 从调度方式上来讲可以分为 可抢占 不可抢占 从时间片来分 固定时间片 可变时间片 2020 3 27 实时性改造 对操作系统实时性的扩展可以从两方面进行 向外扩展和向上扩展向外扩展是从范围上扩展 让实时系统支持的范围更广 支持的设备更多向上扩展是扩充操作系统内核 从功能上扩充系统的实时处理 2020 3 27 实时操作系统与I O 实时操作系统还需要有效的中断处理能力来处理异步事件和高效的I O能力来处理有严格时间限制的数据收发应用 就是 系统应该有在事先定义的时间范围内识别和处理离散的事件的能力 系统能够处理和存储控制系统所需要的大量的数据 2020 3 27 周期性的系统非周期性系统硬实时系统灾难后果软实时系统性能下降 2020 3 27 实时操作系统的特点 IEEE的实时UNIX分委会认为实时操作系统应具备以下的几点 异步的事件响应切换时间和中断延迟时间确定优先级中断和调度抢占式调度内存锁定连续文件同步 2020 3 27 总的来说实时操作系统是事件驱动的 能对来自外界的作用和信号在限定的时间范围内作出响应 它强调的是实时性 可靠性和灵活性 与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用 由它来管理和协调各项工作 为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境 从实时系统的应用特点来看实时操作系统可以分为两种 一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统 一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统 并且提供了开发 调试 运用一致的环境 嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统 而且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的 即开发环境与运行环境是不一致 嵌入式实时操作系统具有规模小 一般在几K 几十K内 可固化使用实时性强 在毫秒或微秒数量级上 的特点 2020 3 27 实时带来的问题1 时间 在实时系统中最基本的是系统应该能够提供对时间正确性进行指定的方法系统提供一种指定时间尺度的方法通用系统的延时不能满足 2020 3 27 问题2 实时系统的结构 实时系统的体系结构必须满足 高运算速度高速的中断处理高的I O吞吐率合理的处理器和I O设备的拓扑连接高速可靠的和有时间约束的通信体系结构支持的出错处理体系结构支持的调度体系结构支持的操作系统体系结构支持的实时语言特性 2020 3 27 问题3 容错与分布 稳定性容错分布式应用 2020 3 27 问题4 实时通讯 逻辑正确要有确定的延迟时间 2020 3 27 问题5 其他问题 时间特性的指定和确正 这点与实际系统设计相同 实时的调度理论 由于实时系统应用的特殊性以往通用系统中以大吞吐量为目标的调度算法必须改进以适应实时应用的需要 主要要求是满足时间的正确性 然后提供高度动态的 满足在线需求的 适应性的实时调度 实时操作系统的设计和实现 在设计上首要目标是提供保证实时性的方法 包括一系列的经典问题的针对实时系统的解决方案 实现上要求操作系统的低开销 而且必须保证内核以及其他关键的可重入性 2020 3 27 实时的编程语言和设计方法 在编程语言级完成或提供实时应用所需要的方法 如Ada语言 FORTH语言 分布式的实时数据库系统的容错实时时钟的同步实时系统中的人工智能 2020 3 27 嵌入式实时操作系统的特点 1 多任务 休眠 就绪 运行 挂起 被中断 CPU寄存器 CPU 寄存器 在实际应用中 多任务的最大特点是 开发人员可以将很复杂的应用程序层次化 2020 3 27 2 任务的事件驱动 任务 2020 3 27 3 中断与中断优先级 4 同步与异步 一系列事件相关事件称为同步事件 随机发生的事件称为异步事件 如中断 2020 3 27 5 资源与临界资源 共享内存 任务1 任务2 任务N 2020 3 27 内容提要 嵌入式Linux操作系统 实时操作系统 常见嵌入式操作系统 嵌入式操作系统概述 2020 3 27 嵌入式Linux的定义 嵌入式Linux EmbededLinux 是指对Linux经过小型化裁剪后 能够固化在容量只有几十万字节或几十亿字节的存储器芯片或单片机中 应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统 2020 3 27 嵌入式Linux的优势 Linux系统是层次结构且内核完全开放强大的网络支持功能Linux具备一整套工具链 容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境 并且可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍Linux具有广泛的硬件支持特性 2020 3 27 嵌入式Linux的特点 稳定性 实时性能 应用产品开发周期 软件移植 网络特性 技术支持 购买费用 版权费 嵌入式Linux操作系统 专用嵌入式实时操作系统 2020 3 27 嵌入式Linux的体系结构 嵌入式Linux内核可以分为六部分 进程调度 内存管理 文件系统 进程间通信 网络 设备驱动 硬件抽象层 网络 文件系统 进程调度 驱动程序 进程间通信 内存管理 表示依赖关系 控制CPU资源的分配 Linux实现基于优先级的抢占式多任务 有些嵌入式的Linux通过改变进程调度来实现实时调度 调度算法在所有硬件平台上实现都是相同的 进程调度的代码主要在kernel sched c中实现 与硬件相关的代码在arch arm kernel目录下 管理系统管理计算机的内存资源 Linux在具有内存管理部件 MMU 的硬件中支持虚拟内存 使用了硬件提供的分页机制 uC linux就是专门为没有MMU的CPU改造的Linux系统 Linux文件系统的结构和Unix系统类似 有一套虚拟文件系统 VFS 接口 真正的文件系统都挂接在虚拟文件系统下 主要的进程间通信方式有 管道 pipe 文件锁 SystemVIPC 信号 signal 共享内存 2020 3 27 嵌入式Linux的发展方向 系统裁剪减小内核减小动态链接库减小应用程序实时扩展修改进程调度算法使用双内核结构 2020 3 27 Linux的实时性 一般的通用Linux已经具备一定的实时性但无法满足硬实时的要求运行于Linux内核空间的进程 核心态 不能被抢先在Linux中 中断有时候会出于保护临界区操作的目的而被屏蔽通用Linux的时间滴答长度为10ms 硬件时钟频率100HZ 但是这对于时间精度要求很高 微秒级 的实时进程来说是不够的 2020 3 27 嵌入式Linux的实时性改造 可以引入一个双内核结构对Linux内核代码作一些修改Linux本身的任务以及Linux内核本身作为一个优先级最低的任务 而实时任务作为优先级最高的任务以Linux的内核模块 LoadableKernelModule LKM 的形式存在的资源核方法 这种方法是为解决传统实时操作系统中固定优先级抢占式调度策略的局限性而产生的 2020 3 27 Linux2 6内核实时性分析 2 6中内核自身是可抢占的 它允许自身在执行任务时被打断2 6版本的Linux内核使用了由IngoMolnar开发的新的调度器算法 称为O 1 算法 2020 3 27 嵌入式Linux面临的挑战 1 扩充Linux的实时系统内核不支持事件优先级和抢占实时特性对Linux实时性的扩展可以从两方面进行 向外扩展 让实时系统支持的范围更广 支持的设备更多 向上扩展 扩充Linux内核 从功能上扩充Linux的实时处理和控制系统 2020 3 27 RT Linux的做法Linux本身的任务以及Linux内核本身作为一个优先级最低的任务实时任务作为优先级最高的任务实时任务以Linux的内核模块 LoadableKernelModule LKM 的形式存在 2020 3 27 2 改变Linux内核的体系结构Monolithic内核体系MicroKernel体系执行效率内核的体积升级 维护和移植3 完善Linux的集成开发环境Linux在基于图形界面的特定系统定制平台的研究上 与Windows操作系统相比还存在差距 2020 3 27 RTLinux简介 RTLinux是一硬实时操作系统实现了一个微内核的小的实时操作系统 而将普通Linux系统作为一个该操作系统中的一个低优先级的任务来运行普通Linux系统中的任务可以通过FIFO和实时任务进行通信通过软件来模拟硬件的中断控制器RT Linux通过将系统的实时时钟设置为单次触发状态 可以提供十几个微秒级的调度粒度 2020 3 27 调度算法实时任务的调度方式主要有两种 周期性调度与中断唤醒 API函数rt task make periodic 可以指定任务的周期 RTLinux带一个纯优先级调度器 用户可以根据需要编写自己的调度器开发与调试环境采用RTLinux实现嵌入式设计 需要自主开发编译与调试工具 现阶段一般沿用GCC GDB等工具 缺乏实时专用的编译与调试工具RTLinux主要支持的机型是PC based和ALPHA型机RTLinux兼容POSIX1003 1b规范 2020 3 27 内核结构 RT kernel对硬件中的中断进行处理 并用软件模拟中断控制器 对于编程而言 Linux内核对软件中断控制器的操作就如同原来它对硬件中断一样 但它不能禁止RT kernel响应中断 实时任务不同于Linux的进程 首先它相当于线程 使上下文切换延迟缩短 其次系统为它静态分配内存并锁定 不使用虚拟内存 第三 任务的模式高于Linux的系统模式与用户模式 RT kernel本身是不可抢占 但是由于它非常短小精悍 造成的延迟比较短 硬件环境 Linux进程 Linux内核 RTLinux内核 实时任务 2020 3 27 操作系统比较 2020 3 27 2020 3 27 嵌入式Linux开发 最小的嵌入式Lin