第五章 程序的执行管理

1、信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系1信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 5.1 程序的执行级别 5.2 程序执行管理基本原则 5.3 程序执行周期的确定 5.4 时间表 5.5 基本级的队列调度2信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 执行管理程序是面向实时交换的操作系统。执行管理程序是面向实时交换的操作系统。 执行管理程序功能执行管理程序功能（1）进程管理；）进程管理；（2）处理机管理；）处理机管理；（3）存储器管理；）存储器管理；（4）I/O设备管理；设备管理；（5）文件管理；）文件管理； 3信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 进程管理进程管理操作系统对多任务的

2、调度管理。操作系统对多任务的调度管理。 处理机管理处理机管理对处理机内部控制器的配置管理。对处理机内部控制器的配置管理。4信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 存储器管理存储器管理即内存管理，操作系统利用内存分配算法，使即内存管理，操作系统利用内存分配算法，使用内存分区、内存池和内存块等概念来管理内用内存分区、内存池和内存块等概念来管理内存，对外向用户提供一些内存操作存，对外向用户提供一些内存操作API函数，函数，方便用户创建内存分区和申请内存块。方便用户创建内存分区和申请内存块。 由于嵌入式系统的实时性和可靠性要求，在程由于嵌入式系统的实时性和可靠性要求，在程序设计时应尽量避免使用动态

3、内存分配。序设计时应尽量避免使用动态内存分配。5信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系6信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系I/O设备管理设备管理嵌入式操作系统为嵌入式操作系统为I/O设备提供简单、统一、设备提供简单、统一、与任何设备无关的接口。这些设备包括：与任何设备无关的接口。这些设备包括：面向字节设备，例如显示终端或通信线面向字节设备，例如显示终端或通信线随机块存取设备，例如磁盘随机块存取设备，例如磁盘虚拟设备，例如程序内部的通信管道和套接虚拟设备，例如程序内部的通信管道和套接字字控制和监视设备，例如数字和模拟控制和监视设备，例如数字和模拟I/O设备设备可以访问远端设备的网络设

4、备可以访问远端设备的网络设备7信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 文件管理文件管理嵌入式操作系统在文件系统和设备驱动嵌入式操作系统在文件系统和设备驱动程序之间使用一种标准的程序之间使用一种标准的I/O操作接口。操作接口。这使得操作系统可以运行多个相同或不这使得操作系统可以运行多个相同或不同种类的文件系统。依据这些标准接口同种类的文件系统。依据这些标准接口协议，用户可以为嵌入式操作系统编写协议，用户可以为嵌入式操作系统编写用户自己的文件系统，并可以将文件系用户自己的文件系统，并可以将文件系统与设备驱动程序自由组合。统与设备驱动程序自由组合。8信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 嵌

5、入式系统支持的几种文件系统（以嵌入式系统支持的几种文件系统（以VXWORKS为例）为例） dosFs文件系统文件系统适用于块存取设备（磁盘）的实时操作，与适用于块存取设备（磁盘）的实时操作，与MS-DOS文件系统兼容。文件系统兼容。 rawFs文件系统文件系统提供一种简单的原始文件系统。该文件系统将磁盘当提供一种简单的原始文件系统。该文件系统将磁盘当作一个单独的大文件。作一个单独的大文件。 tapeFs文件系统文件系统适用于不使用标准文件或目录结构的磁带设备。实际适用于不使用标准文件或目录结构的磁带设备。实际上将磁带盘当作一个原始设备并将整个磁带盘当作一上将磁带盘当作一个原始设备并将整个磁带盘

6、当作一个大文件。个大文件。9信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 cdromFs文件系统文件系统允许应用程序从按造允许应用程序从按造ISO 9660标准文件系统格标准文件系统格式化的式化的CD-ROM设备上读取文件。设备上读取文件。 TSFS目标服务器文件系统目标服务器文件系统通过通过Tornado软件中的目标服务器，使得目标软件中的目标服务器，使得目标机可以访问主机系统中的文件。机可以访问主机系统中的文件。 TrueFFS文件系统文件系统支持闪存设备的文件读、写。支持闪存设备的文件读、写。10信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 程序的执行管理的实质就是把程序划分程序的执行管理的

7、实质就是把程序划分为几种不同的优先级，按实时性要求调为几种不同的优先级，按实时性要求调度各程序的执行，实际就是对处理机的度各程序的执行，实际就是对处理机的管理。管理。11信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 嵌入式操作系统提供多任务机制，用于嵌入式操作系统提供多任务机制，用于响应现实世界中多重的、离散的时间。响应现实世界中多重的、离散的时间。 多任务机制构造出多线程并发执行的假多任务机制构造出多线程并发执行的假象，但实际上，系统内核是根据某种调象，但实际上，系统内核是根据某种调度算法交错执行的。度算法交错执行的。12信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 任务的上下文任务的上下文每个

8、任务拥有各自的上下文，即拥有各每个任务拥有各自的上下文，即拥有各自的自的CPU环境和系统资源（指任务被内环境和系统资源（指任务被内核调度执行时所使用的资源）。上下文核调度执行时所使用的资源）。上下文切换时，任务的上下文保存在任务控制切换时，任务的上下文保存在任务控制块（块（TCB）中。）中。13信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 任务的上下文包括：任务的上下文包括：任务的执行点，即任务的程序计数器；任务的执行点，即任务的程序计数器；CPU中的寄存器和浮点寄存器（可选）；中的寄存器和浮点寄存器（可选）；动态变量和函数调用所需的堆栈；动态变量和函数调用所需的堆栈；I/O操作分配的标准输入、

9、标准输出和标准错误输出操操作分配的标准输入、标准输出和标准错误输出操作；作；一个延时定时器；一个延时定时器；一个时间片定时器；一个时间片定时器；内核控制结构；内核控制结构；信号句柄；信号句柄；用于调试和性能监视的值。用于调试和性能监视的值。14信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 任务状态转变任务状态转变状态符号描述就绪（READY）该状态时任务仅等待CPU的状态，不等待其他任何资源阻塞（PEND）任务由于一些资源不可用而被阻塞时的状态睡眠（DELAY）处于睡眠时的任务状态挂起（SUSPEND）该状态时任务不执行，主要用于调试。挂起仅仅约束任务的执行，并不约束状态的转变。表5-1 任务状

10、态符号15信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系阻塞就绪睡眠挂起Taskinit()图5-0-0 任务状态转换16信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 基于优先级的抢占式任务调度基于优先级的抢占式任务调度使用基于优先级的抢占式任务调度算法，使用基于优先级的抢占式任务调度算法，当一个新任务优先级高于系统当前执行当一个新任务优先级高于系统当前执行任务的优先级时，它将抢占任务的优先级时，它将抢占CPU执行。执行。因此系统内核将确保因此系统内核将确保CPU分配给就绪状分配给就绪状态的具有高优先级的任务执行。态的具有高优先级的任务执行。17信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系T1T2T3

11、T2T1时间优先级高低= 任务结束= 任务抢占图5-0-1 优先级抢占18信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 基于优先级的抢占式任务调度的缺点基于优先级的抢占式任务调度的缺点当多个相同优先级的任务需要共享一台当多个相同优先级的任务需要共享一台处理器时，如果某个执行的任务永不阻处理器时，如果某个执行的任务永不阻塞，那么它将一直独占处理器，其他相塞，那么它将一直独占处理器，其他相同优先级的任务都没有机会执行。同优先级的任务都没有机会执行。19信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 轮转式调度轮转式调度当所有相同优先级的任务处于就绪状态当所有相同优先级的任务处于就绪状态时，轮转算法趋向于

12、平均使用时，轮转算法趋向于平均使用CPU。 轮转调度算法对所有相同优先级的任务，轮转调度算法对所有相同优先级的任务，通过时间片获得相同的通过时间片获得相同的CPU处理时间。处理时间。在一组相同优先级的任务里，每个任务在一组相同优先级的任务里，每个任务将在规定的时间间隔或时间片内执行。将在规定的时间间隔或时间片内执行。20信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系T4T3T2时间优先级高低= 任务结束= 任务抢占T2T3T2T1时间片图5-0-2 轮转调度21信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系5.1.1 程序级别程序级别程序级别程序级别（按照实时性要求分）（按照实时性要求分）故障级故障级

13、周期级周期级基本级基本级22信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 故障级主要负责识别故障并紧急处理之。故障级主要负责识别故障并紧急处理之。 故障级对时间要求非常严格，一般要求故障级对时间要求非常严格，一般要求一旦设备故障，就应立即进行故障处理，一旦设备故障，就应立即进行故障处理，所以它的执行级别最高。所以它的执行级别最高。23信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 也叫时钟级，严格按周期执行程序，如也叫时钟级，严格按周期执行程序，如拨号脉冲扫描程序。拨号脉冲扫描程序。 各种扫描程序以及超时判断程序都属于各种扫描程序以及超时判断程序都属于周期级。周期级。 周期级程序在定时中断的间隔执行

14、，其周期级程序在定时中断的间隔执行，其周期性由定时中断保证。周期性由定时中断保证。 不同的周期级程序，其执行周期是定时不同的周期级程序，其执行周期是定时中断的整数倍。中断的整数倍。24信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 基本级程序：实时要求低，没有周期性基本级程序：实时要求低，没有周期性要求的程序。可以等待插空执行，可以要求的程序。可以等待插空执行，可以由队列启动，如内部处理程序。由队列启动，如内部处理程序。25信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 故障级程序优先级最高；故障级程序优先级最高； 其次是周期级程序；其次是周期级程序； 基本级程序级别最低。基本级程序级别最低。故障级故

15、障级周期级周期级基本级基本级优先级优先级高高低低26信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系（1）正常情况下，由定时器发出定时中断；（2）启动中断服务程序；（3）由中断服务程序调度，首先执行周期级程序；（4）中断返回，转而执行基本级程序，等待下一次定时中断的到来。以上过程中，只要有故障，立即进行现场保护，进入故障级程序。27信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系28信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 从基本级程序处理完，到下一个定时中断到来，一般都有一段空余时间（见图5.1）。 空闲时间的长短随话务量的变化而变化。 为了避免CPU超负荷运算，规定处理机的呼叫处理能力应使得在忙时的

16、大多数情况下，能在下次时钟到来前执行完基本级的处理任务，也就是存在一点空余时间。29信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 与话路无关部分，例如执行管理程序的执行。与话路无关部分，例如执行管理程序的执行。 周期级程序，执行时长与话路设备数及话务量周期级程序，执行时长与话路设备数及话务量有关。有关。 基本级程序，主要决定于话务量。基本级程序，主要决定于话务量。 可推迟性工作，如例行测试和查核程序。对于可推迟性工作，如例行测试和查核程序。对于此类工作，空余时间长就多执行一些，空闲时此类工作，空余时间长就多执行一些，空闲时间少就少执行或不执行。间少就少执行或不执行。30信息交换与通信网浙江大学宁

17、波理工学院信科系31信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系（1）基本级一般不在中断服务程序中执行，基本级程序可以看成是处理机所执行的基本程序。（2）基本级在执行中可被中断插入而转入中断处理程序；（3）中断级在执行中，只允许高级别中断进入；（4）基本级被时钟中断插入后的恢复处理应体现基本级中的级别。32信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系33信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系34信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 周期级程序包括输入处理和输出处理。周期级程序包括输入处理和输出处理。 输出处理周期确定输出处理周期确定如果话路设备动作时间为如果话路设备动作时间为t t（ms

18、ms），则话路设），则话路设备驱动输出程序的周期可稍大于备驱动输出程序的周期可稍大于t t（msms），一），一般与定时中断周期成整数倍。般与定时中断周期成整数倍。 输入处理周期确定输入处理周期确定其扫描周期取决于交换机容量、设备数量、计其扫描周期取决于交换机容量、设备数量、计算机的处理能力、外设参数等等。算机的处理能力、外设参数等等。若取若取8ms8ms中断一次，则周期中断一次，则周期级程序的执行周期一般取级程序的执行周期一般取8ms8ms的整数倍，如位间隔的的整数倍，如位间隔的扫描周期扫描周期96ms96ms，双音频号，双音频号码识别周期码识别周期16ms16ms等。等。35信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 周期性执行的程序有不同的执行周期，如何按照预定的计划，有条不紊地执行各种程序，以满足各种程序的不同执行周期的要求。 采用时间表是一种简便而有效的方法。36信息交换与通信网浙江大学宁波理工学院信科系 图图5.5表示时间表的基本概念。表示时间表的基本概念。 纵向对应时间，每向下进展一行代表一纵向对应时间，每向下进展一行代表一定的时间单位，实际上相当于时钟中断定的时间单位，实际上相当于时钟中断的周期。的周期。 横向代表所管理的程序类别，每一位代横向代表所管理的程序