嵌入式系统原理与设计 课件 第十四讲RTOS

1单片机与嵌入式系统第十四讲本次课主要内容第三章嵌入式系统软件基础（三）——嵌入式实时操作系统的基本概念2嵌入式实时操作系统基本概念！嵌入式系统软件基础（三）

——嵌入式实时操作系统的基本概念1.本次课要达到的目标2.实时系统及其特点3.计算机实时操作系统4.嵌入式实时操作系统5.常见的嵌入式实时操作系统6.小结7.2009年考题简析31.本次课要达到的目标熟悉嵌入式实时操作系统的基本概念。452.实时系统及其特点2.1什么是实时系统2.2实时系统的特点

大多数情况下，人们使用计算机来解决问题时，主要关注的是计算机的计算结果是否正确，而对运算时间并不十分在意。但在一部分实际应用中，计算机系统得到结果所花费时间的长短与结果的正确性同等重要，甚至有时更为重要。2.1什么是实时系统

如果一个系统能及时响应外部事件的请求，并能在规定的时间内完成对事件的处理，这种系统称为实时系统。对实时系统的两个基本要求：实时系统的计算必须产生正确的结果，称为逻辑或功能正确。实时系统的计算必须在预定的时间内完成，称为时间正确。8实时系统的实例（一）9计算机系统礁石实时系统的实例（二）10对计算机系统来说，主要靠软件来保证系统的实时性。因此，在计算机系统中所说的实时性，指的是计算机的软件是否能够充分发挥计算机硬件的潜力，从而使计算机解决某一问题所需的时间在可能的情况下最短。11从工程应用的角度来讲，如果计算机系统完成任务所需的时间可预知，并且小于完成任务所要求的最低时限的系统就叫实时系统。122.2实时系统的特点（1）实时任务具有确切的完成时限必须在有限的时间内完成的任务称实时任务.用来完成实时任务的系统称实时系统.相对来说,如果系统完成任务的期限要求不十分严格,这种系统称软实时系统.（2）实时任务的活动是不可逆的（3）实时任务大多数由外部事件激活的（4）实时系统的基本要求:功能正确时间正确143计算机实时操作系统3.1实时操作系统3.2可剥夺型内核3.3实时调度3.4实时进程的可调度性3.5实时系统的时钟3.6实时系统的存储管理3.1实时操作系统

在一个系统中保证系统实时性的主要是软件，特别是操作系统。

为提高系统的实时性，实时操作系统的设计应满足五个条件：（1）实时操作系统必须是多任务系统（2）实时操作系统内核应该是可剥夺型的（3）进程调度的延时可预测并尽可能小（4）系统提供的服务时间可预知（5）中断延时尽可能小3.2可剥夺型内核可剥夺型：当一个进程正在被处理器所运行时，其他就绪进程可以按照事先规定的规定的规则，强行剥夺正在运行进程的处理器使用权，而使自己获得处理器使用权并得以运行。可剥夺型内核的一个重要特点，就是系统中的每个进程都有一个表示其紧急程度的优先级别，以使调度器可根据等待进程的优先级别来决定是否要剥夺当前进程的处理器使用权。193.3实时调度实时操作系统的调度器必须采用基于优先级的调度算法。两种类型:静态优先级调度算法动态优先级调度算法3.3.1静态优先级调度算法3.3.2动态优先级调度算法213.3.1静态优先级调度算法静态优先级调度算法系统中所有进程都静态地分配一个优先级。优先级的分配可根据应用的属性来进行，例如：进程的周期、用户优先级等。典型算法：单调速率RM（Rate-Monotonic）算法22单调速率RM算法主要是用来处理周期性实时进程的，它根据进程执行的频度来决定进程的优先级别。关键：进程优先级别判别：prio=k×1/Tprio为进程的优先级别；k为比例系数；T为进程的周期23工业锅炉压力和温度数据采集处理系统示意图压力采集系统和温度采集系统哪一个优先级高？例：一个事件发生周期为T＝200ms，一般需要运行50ms才完毕。试按RM算法确定该进程的优先级别prio。答：如果取k=1,根据T=200ms=0.2S,则prio=k×1/T=5253.3.2动态优先级调度算法根据进程的资源需求动态地分配进程的优先级。目的在于资源分配和调度时有更大的灵活性。典型算法：截止期限最早优先算法可达截止期限最早优先算法26截止期限最早优先算法

该算法认为，进程截止期限越近，则该进程紧急程度越高。因此，在确定系统中进程优先级别时是按照进程截止期限的远近来确定的，在具体实现时也按照优先级来排队。27三个进程的截止期限及其运行28

由于进程A的紧急程度最高，所以它的优先级别也最高，进程B次之，进程C最低。

这种算法没有考虑进程运行时间的影响，有一个明显的缺点，就是从进程获得的处理器使用权限时间必须在截至期限前运行完毕，否则该进程不能完整的运行。29A优先级最高、B次之、C优先级最低结果：进程A超出截止期限，连带进程B超出期限。造成两个进程的运行结果没有意义或可信度降低。30如何改进？可达截止期限最早优先算法可达截止期限最早优先算法在调度时，先观察所有被激活的进程里是否有进程在该进程的截止期限内干不完的事情，如果有，那么这种进程就不运行了，而去运行那些能把工作做完的进程。31判断进程是否有可能超出截止期限的算法：d=D-(t1+E)≥0D为进程的截止期限t1为系统当前时间E为设计时估算的时间d为进程的截止裕度如果d≥0，意味着该进程在截止期限到来之前可以运行完毕，其计算结果时间正确，这种进程叫做截止期限可达的进程，否则叫做截止期限不可达的进程。32在激活进程事件来到时，各进程的截止裕度。其中dA小于0，进程A为截至期限不可达，而进程B,C均为截至期限可达。因此夭折进程A，并按优先级别运行进程B和进程C。从而保证有两个进程正确运行。33进程B运行结束时，进程C的截止裕度。343.4实时进程的可调度性

实时进程的可调度性是指多个实时进程是否可经过适当的调度使它们都能正确地完成工作。

对于RM算法，若满足下列条件：

则这个进程集被称为可调度的。

式中：C为若干个进程的周期；P为它们任务所需的时间

例

假如有三个同时发生的周期型进程；进程1，进程2，进程3，周期分别为P1=70ms，P2=80ms，P3=30ms，它们完成任务的时间分别为：C1=20ms，C2=15ms，C3=10ms。试判断该进程是否为可调度的。

答：不满足公式要求，所以三个进程是不可调度的。36

对于截止期优先算法或最小裕度算法，若满足下列条件：

则这个进程集被称为可调度的。

式中：C为进程的周期；P为它们任务所需的时间37

例假如有三个同时发生的周期型进程；进程1，进程2，进程3，周期分别为P1=70ms，P2=80ms，P3=30ms，它们完成任务的时间分别为：C1=20ms，C2=15ms，C3=10ms。试判断该进程是否为可调度的。

答：

满足公式要求，所以三个进程是可调度的383.5实时系统的时钟实时时钟由硬件定时器来实现39实时时钟在系统中的重要意义在按时间片实施调度的实时系统中，时钟中断控制进程调度，实现并发运行。在每次中断服务程序中，通过时钟对进程状态进行切换处理。实时时钟的精度时钟周期越小，时钟计时就越细密，越精确。实时操作系统中的系统时钟是通过时钟中断来实现的，当时钟周期小到一定程度，处理器只处理时钟中断而不能进行其他处理了。41时钟中断的频率越高，时钟的精度就会越高，但处理器付出的时间代价就越大。实时操作系统的实时时钟设计时，要根据具体情况具体分析。通常，实时操作系统实时时钟的频率应比同类的通用操作系统的时钟频率高5倍左右。423.6实时系统的存储管理一般不采用硬盘通常采用闪存(FlashMemory)随机读写存储器RAM逻辑磁盘(RAMDisk)由于闪存写入速度限制，操作系统在进行页面交换时，尤其是进行页面换出时速度太低，这是实时系统所不能忍受的。因此，在实时性要求较高的系统中，不采用这种虚拟存储技术。3.7实时系统与普通系统的比较.4.嵌入式实时操作系统4.1什么是嵌入式实时操作系统4.2微内核结构4.3嵌入式实时操作系统的可裁剪性及其实现464.1什么是嵌入式实时操作系统

运行在嵌入式平台上，对整个系统及其部件，装置等资源进行同一协调指挥和控制的系统软件叫做：嵌入式操作系统。特点：微型化实时性可剪裁性高可靠性易移植性48嵌入式操作系统在嵌入式系统中的地位嵌入式系统应用软件嵌入式操作系统嵌入式系统硬件494.2微内核结构由于嵌入式操作系统的用户群、功能要求等具有某种程度的“专用”性，在一个特定的应用中，嵌入式操作系统需要哪些功能、不需要哪些功能是固定的。由于内存是嵌入式系统中的珍贵资源，作为需要常驻内存的操作系统的内核，在满足应用的前提下，越小越好。50为了满足不同的应用需要，嵌入式实时操作系统应支持可裁剪性，在结构设计上应高度模块化，并提供非常灵活的手段，让系统开发者能根据实际需要进行选用。51微内核并不是通过减少内核的服务功能模块而变小的，而是把内核中应提供的部分服务功能模块放到内核外来实现的。当进程有服务要求时，通过系统调用接口向内核提出申请，然后通过向内核外的服务程序发送一个消息来启动这个服务进程。524.3嵌入式实时操作系统的可裁剪性及其实现可剪裁(可配置)性：对一个规模大且功能齐全的操作系统，在结构上保证了用户可在其中有选择地保留某些模块，而删减掉一些模块的功能。53两种配置方法:（1）在系统进行编译连接时进行配置：在操作系统中设一个配置文件，通过修改一些配置常数来选择使用或不使用的模块；（2）在系统运行时进行配置：依靠系统在初始化运行时执行一些条件转移语句来实现配置。545.常见嵌入式实时操作系统5.1常见源码开放的嵌入式操作系统5.2常见商业嵌入式操作系统555.1常见源码开放的嵌入式操作系统5.1.1UC/OS-II5.1.2RTLinux5.1.3ARM-Linux5.1.4其他565.1.1UC/OS-II

uC/OS由美国人JeanJ.Labrosse于1992开始编写的一个嵌入式多任务实时操作系统,经过多年修改,已发展到uC/OS-II版本。通过严格的测试，获得了美国航空管理局的认证。可用于与人性命攸关的安全紧要系统,从而证明了它具有足够的稳定性和安全性。57UC/OS-II特点:绝大部分代码是由C语言编写，只有极少部分与处理器相关的代码是由汇编语言编写.所以只要做很少的工作就可以移植到8位、16位、32位处理器上；支持多任务；基于优先级的可剥夺内核；可剪裁；区分用户空间和系统空间，所以适合应用在比较简单的处理器上。58UC/OS-II体系结构595.1.2RTLinuxLinux是一个源码开放的通用操作系统，不支持实时进程。由于其多年的发展，具有较完善的服务，人们一直对它进行改造以支持实时任务。目前有多种在Linux基础上开发起来的嵌入式实时操作系统，RTLinux是其中较为成功的一种支持硬实时进程的嵌入式操作系统。60NewMexicoTech大学的RTLinux研制者开发了一个精巧的可剥夺型微内核，而把原来的Linux内核作为微内核的一个进程，并赋予其一个最低优先级别，使所有实时进程可以随时剥夺Linux内核的微处理器使用权。当没有就绪实时进程时，才运行普通Linux进程。615.1.3ARM-Linux由于ARM的成功，Linux也被成功移植到ARM体系的芯片上。AMR-Linux就是在ARM芯片上应用的嵌入式操作系统。625.1.4其他KURTLinux基础上改造的面向硬实时应用的嵌入式实时操作系统。时钟精度大幅度提高，可达us级。TimeSysLinux美国TimeSys公司在Linux基础上开发的一种比较完备的实时内核。Mach20世纪80年代，卡内基梅隆大学开发的一个微内核。支持UNIX编程接口，可在单处理机或多处理机系统上运行，适用于分布式环境。635.2常见商业嵌入式操作系统5.2.1VxWorks5.2.2QNX5.2.3pSOS5.2.4WindowsCE645.2.1VxWorksVxWorks操作系统是美国风河（WindRiver）公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是嵌入式开发环境的关键组成部分。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占据一席之地。65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-16、F/A-18战斗机、B-2隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至连1997年7月在火星表面登陆的火星探测器，2008年5月在火星表面上登陆的凤凰号火星探测器上也都使用到了VxWorks。665.2.2QNXQNX是由加拿大QNX软件系统有限公司开发的一个建立在微内核和完全地址空间保护基础之上的QNX实时操作系统，具有模块化程度高、裁剪自如、易于扩展的特点。QNX是一种商用的类Unix实时操作系统，遵从POSIX规范，目标市场主要是嵌入式系统。67POSIX表示可移植操作系统接口（PortableOperatingSystemInterface）。电气和电子工程师协会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）最初开发POSIX标准，是为了提高UNIX环境下应用程序的可移植性。然而，POSIX并不局限于UNIX。许多其它的操作系统，例如MicrosoftWindowsNT，都支持POSIX标准。68QNX通常被用于帮助控制保时捷跑车的音乐和媒体功能，同时也可用于核电站和美国陆军无人驾驶Crusher坦克的控制系统。而后还将用于RIM公司的PlayBook平板电脑。695.2.3pSOSpSOS是美国系统集成公司(IntegratedSystems,Inc.简称ISI公司)根据几十年从事嵌入式实时系统理论研究与实践活动而设计开发的。该产品推出时间比较早，因此比较成熟，可以支持多种处理器，曾是国际上应用最广泛的产品，主要应用领域是远程通信，航天，信息家电和工业控制。但该公司已经被风河公司（windriver）兼并，从VxWorks5.5开始，已将PSOS的主要特点融入VxWorks中。70作为嵌入式系统微内核设计的先驱者之一，ISI公司将pSOSystem构造成适于嵌入式应用系统开发、在嵌入式实时领域具有领导地位的实时操作系统。pSOSystem从ISI公司和许多第三厂家得到大量的支持。715.2.4WindowsCEWindowsCE是微软公司嵌入式、移动计算平台的基础，它是一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作系统，它是精简的Windows95，WindowsCE的图形用户界面相当出色。72其中CE中的C代表袖珍（Compact）、消费（Consumer）、通信能力（Connectivity)和伴侣（Companion）；E代表电子产品（Electronics）。73WindowsCE是所有源代码全部由微软自行开发的嵌入式新型操作系统，其操作界面虽来源于Windows95/98，但WindowsCE是基于WIN32API重新开发、新型的信息设备的平台。WindowsCE具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口和与处理器无关等特点。74WindowsCE不仅继承了传统的Windows图形界面，并且在WindowsCE平台上可以使用Windows95/98上的编程工具（如VisualBasic、VisualC++等）、使用同样的函数、使用同样的界面风格，使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在WindowsCE平台上继续使用。757.小结虚拟计算机系统调用进程、线程调度存储器的段页式管理操作系统的内核操作系统是由中断驱动的操作系统要经过引导、装载、启动三个阶段768.考核准备时间：初步定在12月24号，周五，1~2节考核方式：实验20分，笔试（开卷）80分。2009年试题分析2010年试题分析77一、单项选择题（共20小题，每小题2分，共40分）1．以下叙述不属于冯·诺依曼体系的特点的是（A）A．不需要输入和输出设备B．被大多数计算机所采用C．以存储程序原理为基础D．数据以二进制表示2.以下的仿真方式中，（B）方式不需要依赖目标板上的处理器就可以进行仿真。A、ROM仿真器B、ICE C、BDM D、JTAG3.下列那种嵌入式微处理器采用了精简指令集的架构（B）A.IntelX86B.ARM920TC.89C51D.TIDSP4.所有嵌入式软件程序都拥有如下的基本结构是（B）A.无限循环+代码临界区B.无限循环+中断

C.BSP+BootloaderD.中断+中断服务程序785.下面有关交叉编译理解，不正确的是（D）A.在PC机上编译基于ARM微处理器的代码属于交叉编译B.软件的编译和执行在不同计算机平台上完成C.是嵌入式软件开发的典型特征

D.在PC机上开发VC代码属于交叉编译6.单片机的核心本质是（D）A.嵌入式系统B.嵌入式操作系统C.DSPD.嵌入式微控制器7.FPGA的基本组成结构中，不包括下述哪项？（A）A.全局总线B.可配置逻辑模块CLBC.输入输出模块IOBD.可编程开关矩阵PSM798.下面有关vxworks的描述，不正确的是（D）A．硬实时内核B．具有多任务处理能力C．可以用于飞行器控制等关键场合D．可以免费获得并使用9.对于嵌入式系统开发而言，下列哪项（B）与其他3项是不等价的？A．目标机B.开发环境C.嵌入式系统D.运行环境10.带电脑模糊控制的电饭煲严格的说属于（C）A.嵌入式微处理器B.嵌入式设备C.嵌入式系统D.嵌入式操作系统8011.以下嵌入式处理器哈佛体系结构和精简指令集的是（B）A.ARM7系

列B.ARM9系列C.TI的DSPD.MCS-51系列12.下面哪一种器件封装不是属于表面贴类型的（B）A.BGAB.DIPC.PLCCD.TSSOP13.因为能支持实时系统工作的操作系统才能称之为实时操作系统，所以下述操作系统不属于实时操作系统的是（A）A.WindowsXPB.VxWorksC.uC/OSIID.NucleusPlus8114．有关uC/OS操作系统的描述，不正确的是（A）A．采用了时间片调度法B.公开源代码C．基于优先级的抢占式调度D．具有可移植性15.一个嵌入式系统中，Flash上0x00000086地址上的数据0x70需要改写为0x71，那么系统需要擦除（C）A．1bitB.1字节C.0x00000086地址所在的逻辑数据块D.整块Flash16.下列场合需要系统具备实时性的是（D）A．PDAB.家用照明C.个人电脑D.飞行器控制系统8217.在嵌入式操作系统中，下列不属于任务的特点的是（

）A.动态性B.并发性C.独立性D.同步性18.信号量是多任务环境下使用的一种设施,它负责协调各个任务,以保证它们能够正确、合理的使用（

）A.系统资源B.公共资源C.总线资源D.外设资源19.在RTOS中，当发生优先级反转时，可以采用（

）解决这一问题。A、优先级继承 B、优先级驱动 C、抢占临界资源 D、关中断20.当前主流的嵌入式实时操作系统都是使用（

）调度法。A.先来先服务法（FCFS）B.最短周期优先法（SBF）C.优先级法(Priority)D.轮转法(Round-Robin)8317.在嵌入式操作系统中，下列不属于任务的特点的是（D）A.动态性B.并发性C.独立性D.同步性18.信号量是多任务环境下使用的一种设施,它负责协调各个任务,以保证它们能够正确、合理的使用（B）A.系统资源B.公共资源C.总线资源D.外设资源19.在RTOS中，当发生优先级反转时，可以采用（A）解决这一问题。A、优先级继承 B、优先级驱动 C、抢占临界资源 D、关中断20.当前主流的嵌入式实时操作系统都是使用（C）调度法。A.先来先服务法（FCFS）B.最短周期优先法（SBF）C.优先级法(Priority)D.轮转法(Round-Robin)84二、多项选择题（共10小题，每小题2分，共20分）1.和普通微处理器相比，DSP处理器的独特之处包括（B、C、D）：A.具备丰富的外设接口资源和处理器支持

B.具备独立的DMA总线和控制器C.具备独立专用的专用的数据地址发生器（D、A、G）

D.具备独立的硬件乘法器2.硬件抽象层能够（A、B、C）A.它把系统软件与底层硬件部分隔离，使得应用程序与硬件相对独立B.它使得系统便于移植，同时可以提高开发效率C.它具备操作系统相关性，操作系统改变后必须重写D.它具备硬件独立性，硬件更改后不需重写853.关于嵌入式处理器的正确描述包括（B、C、D）：A.嵌入式处理器就是嵌入式系统

B.嵌入式处理器选型是嵌入式系统设计的重要环节C.嵌入式处理器只有和外围电路一起构成专用计算机系统才能成为嵌入式系统D.嵌入式处理器是嵌入式硬件组成的核心器件4.一个嵌入式操作系统的微内核包括以下哪些项？（A、C、D）A.任务管理模块B.文件系统C.存储器管理模块D.定时器管理模块865．片上系统SOC的特点包括（A、B、D）A.减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，加快微处理器处理速度。B.减少芯片对外管脚数，简化制造过程。C.使用独特的计算机体系结构，提高并行计算能力D.内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统干扰。6.操作系统的任务状态包括（A、B、C）A.就绪B.运行C.挂起D.断电877.典型的嵌入式系统架构包括（A、B、C、D）A.用户应用层B.板级支持包C.硬件层D.操作系统层8.线形稳压电源的基本特点是输入电压大于输出电压，两边的流过的电流基本相同。某处理器核心工作电压为1.8V，功耗2W，系统由一个5V、10W的外部电源供电，选择一个5V转1.8V的线形稳压电压模块，请问哪组参数符合转换模块的转换效率？（C）（A）80%（B）20%（C）36%（D）64%889．下列存储器件掉电后数据不丢失的有（A、B、C）A．NVRAMB.EEPROMC.FLASHD.SDRAM10．实现代码临界区的方法有（A、B）A.屏蔽中断B.使用信号量C.优先级倒置D.使用硬件指令89三、填空题（共6小题，每空1分，共20分）1．复杂指令集计算机和

精简指令集计算机是当前CPU的两种架构。它们的区别在于不同的CPU设计理念和方法。早期的CPU全部是复杂指令集计算机架构，它的设计目的是要用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务。今天只有Intel及其兼容CPU还在使用CISC架构。

精简指令集计算机

架构要求软件来指定各个操作步骤，这种架构可以降低CPU的复杂性以及允许在同样的工艺水平下生产出功能更强大的CPU，但对于编译器的设计有更高的要求。902．嵌入式实时操作系统包括

硬实时

和

软实时

两大类。

硬实时是指操作系统必须确保系统中的关键任务在确定的时间得到响应，不能有失败的情况，否则会出现严重后果；而软实时是指操作系统设