实时操作系统(RTOS)培训.ppt

1、深圳国微技术有限公司 2005-07-11,实时操作系统(RTOS)培训,实时系统,概念 实时系统是指在确定的时间内完成规定功能，并能对外部异步事件作出正确响应的计算机系统 实时系统分类 硬实时系统:结果迟到产生灾难性结果 FIRM 实时系统:结果迟到会产生难以接受的质量上的降低 软实时系统:结果迟到会引起质量下降,系统可以自行恢复 衡量系统实时性的3个指标： 响应时间（Response Time） 生存时间（Survival Time） 吞吐量（Throughput）,嵌入式系统,嵌入式系统通常都是实时系统,其特征为 系统的正确性不但依赖于运行逻辑结果的正确性,而且依赖于得到结果所花费的时间

2、 系统对于各种外部输入在预定时间内能得到可以预测的结果 嵌入式系统通常使用RTOS,其特征为 在不同的系统负载下,行为可以预测 支持基于优先级的调度 MEMORY模型对于RTOS的性能十分重要 通常都需要一个时钟来处理任务的同步,S-STATIC D-DYNAMIC,比较,嵌入式系统（续）,硬件特性 体积小，集成效率高 面向特定应用 低功耗，能在恶劣环境下工作 软件特性 软件的研发与硬件紧密相关 软件代码要求高效率和高可靠性 软件一般固化在FLASH或ROM中 应用 工业过程控制 军事电子设备和现代武器 网络通信设备 消费电子产品,嵌入式实时系统软件特征,实时性：反应时间要快，按要求的间隔输出

3、正确时间信号给实时的控制设备 多任务并发性：利用适当的策略控制多任务的执行，提高资源的利用效率 有处理异步事件的能力 快速启动，并有出错处理和自动复位功能 嵌入式实时软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序 嵌入式实时软件的开发需要独立的开发平台和交叉开发环境,主要的嵌入式实时操作系统,VxWorks 使用最广、市场占有率最高的嵌入式实时操作系统，美国WindRiver公司产品 VRTX 老牌嵌入式实时操作系统 pSOS ISI公司推出，现已被WindRiver公司收购 WinCE Microsoft公司推出，实时性不太好，主要用于掌上系统 Palm OS 3Com公司推出，在PDA市场占

4、有很大份额 嵌入式Linux 源代码免费开放，eCOS是Redhat推出的一款嵌入式LINUX操作系统,前后台系统,通常应用于不复杂的小型系统 应用程序是一个无限的循环，这部分可以看成后台行为(background) 中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为（foreground） 后台也可以叫做任务级，前台也叫中断级,前后台系统（续）,多任务系统,CPU在许多任务之间转换、调度，轮番服务于一系列任务中的某一个 优点： 使CPU 的利用率得到最大的发挥 使应用程序模块化 可以将很复杂的应用程序层次化 应用程序 将更容易设计与维护,RTOS组成,操作系统是硬件与用户之间的一层系统软件,

5、负责管理整个系统,同时将硬件细节与用户隔离开来为用户提供一个更容易理解和进行程序设计的接口操作 系统的质量以它的体系结构为基础,确保系统的性能、可靠性、灵活性、可移植性、可扩展性等，同时定义了硬件与软件的界面，操作系统内部各构件的组织关系系统与用户的接口 RTOS资源分配必须考虑到实时性要求 合理分配优先级 支持优先级抢占 提供任务同步和互斥 支持不同任务之间的数据共享 支持外部事件(中断)响应 系统可剪裁，由于资源限制，所采用的操作系统应该有极强的针对性，因此操作系统功能够用即可 易于扩展，由于嵌入式设备的功能多样化，要求嵌入式操作系统除提供基本的内核支持外，还需提供越来越多的可扩展功能模块

6、(含用户扩展),如:针对特有应用提供的协议支持、协议扩展，功耗控制等等,RTOS组成(续),HAL,RTOS 基本内核 线程线程管理 时钟管理 中断设备驱动管理 通信管理 存储管理,RTOS扩展内核 接口协议管理 其它,API,RTOS组成(续),基本内核：嵌入式RTOS 中最核心最基础的部分 任务（线程/线程）管理：负责系统中任务状态的变迁 中断（包括时钟中断）管理：开关中断，完成现场切换和保持 任务（线程/线程）通信管理：信号量、事件、消息队列等 存储管理：分配存储器空间 扩展内核：为方便用户使用而对RTOS 进行的扩展 根据具体应用不同所做的扩展不同 CAM应用中表现为对CI接口协议进行

7、管理 设备驱动程序接口：RTOS 内核与外部硬件之间的一个硬件抽象层 定义软件与硬件的界限，方便RTOS 的移植升级 应用编程接口：建立在RTOS 编程接口之上的面向应用领域的编程接口 方便用户编写特定领域的嵌入式应用程序,RTS的响应时间,及时性是实时系统最为重要的特性 设计者应该能预测实时系统的行为 同步任务由时钟来同步 异步事件通常由中断驱动,一个多任务RTOS的事例,Resource allocation P(s2); P(s1) ; 从缓冲区取产品; 送产品到缓冲区; V(s1); V(s2); 消费产品; ; ;,S1初值为1，S2初值为0,多个缓冲区的生产者和消费者,P：i =

8、0;while (true) 生产产品; P(S1); 往Buffer i放产品; V(S2); i = (i+1) % n; ;,Q： j = 0; while (true) P(S2); 从Bufferj取产品; V(S1); 消费产品; j = (j+1) % n; ;,S1初值为n，S2初值为0,Q： j = 0; while (true) P(S2); P(mutex2); 从Bufferj取产品; V(mutex2); V(S1); 消费产品; j = (j+1) % n; ;,n个缓冲区、m个生产者和k个消费者,P：i = 0;while (true) 生产产品; P(S1);

9、P(mutex1); 往Buffer i放产品; V(mutex1); V(S2); i = (i+1) % n; ;,错误,S1初值为n，S2初值为0,线程数为m,线程数为k,Q： j = 0; while (true) P(S2); P(mutex2); 从Bufferj取产品; j = (j+1) % n; V(mutex2); V(S1); 消费产品; ;,n个缓冲区、m个生产者和k个消费者,P：i = 0;while (true) 生产产品; P(S1); P(mutex1); 往Buffer i放产品; i = (i+1) % n; V(mutex1); V(S2); ;,正确,S

10、1初值为n，S2初值为0,线程数为m,线程数为k,1) 信号量的物理含义： S0表示有S个资源可用 S=0表示无资源可用 S0则| S |表示S等待队列中的线程个数 P(S)：表示申请一个资源 V(S)：表示释放一个资源。信号量的初值应该大于等于0,信号量及P、V操作讨论,2) P.V操作必须成对出现，有一个P操作就一定有一个V操作 当为互斥操作时，它们同处于同一线程 当为同步操作时，则不在同一线程中出现 如果P(S1)和P(S2)两个操作在一起，那么P操作的顺序至关重要,一个同步P操作与一个互斥P操作在一起时同步P操作在互斥P操作前 而两个V操作无关紧要,信号量及P、V操作讨论（续1）,3）

11、P.V操作的优缺点 优点： 简单，而且表达能力强（用P.V操作可解决任何同步互斥问题） 缺点： 不够安全；P.V操作使用不当会出现死锁；遇到复杂同步互斥问题时实现复杂,信号量及P、V操作讨论（续2）,【思考题】,1.用P.V操作解决下图之同步问题:,get,copy,put,f,s,t,g,用P.V操作解决司机与售票员的问题,信号量管理,创建信号量（SemCreate） 释放信号量（SemPost） 等待信号量（SemPend） 信号量为0时任务挂起，永久或有限等待 无等待取信号量（SemAccept） 信号量为0时任务不会挂起，返回0,eCos的信号量管理(sidsa API),sm_cre

12、ate ULONG sm_create(char name4, ULONG count, ULONG flags, ULONG *smid) sm_delete ULONG sm_delete(ULONG smid) sm_p ULONG sm_p(ULONG smid, ULONG flags, ULONG timeout) sm_v ULONG sm_v(ULONG smid),eCos的信号量管理(kernel API),cyg_semaphore_init cyg_semaphore_destroy cyg_semaphore_wait cyg_semaphore_timed_wait

13、 cyg_semaphore_trywait cyg_semaphore_post cyg_semaphore_peek,互斥量（Mutex）,一个互斥量就是一个同步对象，用于多任务串行访问共享数据 只有一个任务可以获得和拥有一个互斥量，也只有这个任务随后才能释放这个互斥量 互斥量是取值为0-1的二元信号量,互斥量管理,创建互斥量（MutexCreate） 删除互斥量（MutexDelete） 等待互斥量（MutexPend） 释放互斥量（MutexPost） 无等待获取互斥量（MutexAccept）,互斥量管理(sidsa API),NA,互斥量管理(kernel API),cyg_mut

14、ex_init cyg_mutex_destroy cyg_mutex_lock cyg_mutex_trylock cyg_mutex_unlock cyg_mutex_release cyg_mutex_set_ceiling cyg_mutex_set_protocol,事件标志(Event Flags),事件标志用于任务与多个事件的同步 独立型同步(即逻辑或关系)：任务需要与任何事件之一发生同步 关联型同步(逻辑与关系)：任务需要与若干事件都发生了同步 事件标志通常为32位变量，每个事件占一位(bit)，当一个标志处于设置状态（1）时，表示相关事件已经发生,事件标志组管理,创建事件标志

15、组（FLagCreate） 置位事件标志（FlagPost） 等待事件标志位（FlagPend） 无等待获取事件标志位（FlagAccept） 清除事件标志位（FlagClear） 在再次发送事件标志前，应先清除该标志,事件标志组管理(sidsa API),ev_send ULONG ev_send(ULONG tid, ULONG events) ev_receive ULONG ev_receive(ULONG events, ULONG flags, ULONG timeout, ULONG *events_r),事件标志组管理(kernel API),cyg_flag_init cyg

16、_flag_destroy cyg_flag_setbits cyg_flag_maskbits cyg_flag_wait cyg_flag_timed_wait cyg_flag_poll cyg_flag_peek cyg_flag_waiting,消息邮箱（Message Box）,消息邮箱也称作交换消息，是用一个指针型变量放到邮箱，该指针指向的内容就是那则消息 消息邮箱用于一个线程向另一个线程发送消息，实现线程间通信 用一个I 字表示邮箱符号,消息邮箱管理,创建邮箱（MboxCreate） 发送消息（MboxPost） 消息放入邮箱后，或者是把消息传给等待消息的任务表中优先级最高的那

17、个任务(基于优先级)，或者是将消息传给最先开始等待消息的任务(基于先进先出) 邮箱只能保存一个消息，试图向已存有消息的邮箱发送消息会导致“邮箱满”错误 等待消息（MboxPend） 等待消息的任务会因为邮箱是空的而被挂起，且被记录到等待消息的任务表中，直到收到消息 无等待取消息（MboxAccept） 如果邮箱是空的任务也不会挂起，此时返回值为NULL表示无消息,消息邮箱管理(sidsa API),NA,消息邮箱管理(kernel API),cyg_mbox_create cyg_mbox_delete cyg_mbox_get cyg_mbox_timed_get cyg_mbox_tryg

18、et cyg_mbox_peek cyg_mbox_peek_item cyg_mbox_put cyg_mbox_timed_put cyg_mbox_tryput cyg_mbox_waiting_to_get cyg_mbox_waiting_to_put,消息队列（Message Queue）,消息队列实际上是邮箱阵列 任务先得到的是最先进入消息队列的消息，即先进先出原则(FIFO) 用2个I 字表示邮箱队列符号,消息队列管理,创建消息队列（QCreate） 发送消息（QPost） 消息放入消息队列后，或者是把消息传给等待消息的任务表中优先级最高的那个任务(基于优先级)，或者是将消息传

19、给最先开始等待消息的任务(基于先进先出) 如果消息队列内的消息已满，会导致“消息满”错误 等待消息（QPend） 等待消息的任务会因为消息队列是空的而被挂起，直到收到消息 无等待取消息（QAccept） 如果邮箱是空的任务也不会挂起，此时返回值为NULL表示无消息,消息队列管理(sidsa API),q_create ULONG q_create(char name4, ULONG count, ULONG flags, ULONG *qid) q_delete ULONG q_delete(ULONG qid) q_send ULONG q_send(ULONG qid, ULONG msg

20、_buf4) q_receive ULONG q_receive(ULONG qid, ULONG flags, ULONG timeout, ULONG msg_buf4),消息队列管理(kernel API),NA,设备驱动程序概述,1、I/O的特点 （1）I/O性能经常成为系统性能的瓶颈 CPU性能不等于系统性能,响应时间也是一个重要因素 CPU性能越高，与I/O差距越大 弥补：更多的线程 线程切换多，系统开销大 （2）操作系统庞大复杂的原因之一是：资源多、杂，并发，均来自I/O 外设种类繁多，结构各异 输入输出数据信号类型不同 速度差异很大 （3）理解I/O的工作过程与结构是理解操作系

21、统的工作过程与结构的关键,（1）按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成I/O设备与内存之间的数据交换（包括设备分配与回收；设备驱动程序；设备中断处理；缓冲区管理），最终完成用户的I/O请求 设备分配与回收 记录设备的状态 根据用户的请求和设备的类型，采用一定的分配算法，选择一条数据通路 建立统一的独立于设备的接口 完成设备驱动程序，实现真正的I/O操作 处理外部设备的中断处理 管理I/O缓冲区,设备管理的目标和任务,（2）向用户提供使用外部设备的方便接口，使用户摆脱繁琐的编程负担 方便性 友好界面 透明性 屏蔽硬件细节（设备的物理细节，错误处理，不同I/O的差异性） （3）充分利用各种技术（

22、通道，中断，缓冲等）提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力，充分利用资源，提高资源利用率 并行性 均衡性（使设备充分忙碌）,设备管理的目标和任务(续),（4）保证多个线程竞争使用设备时，按一定策略分配和管理各种设备，使系统能有条不紊的工作 （5）保护 设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破坏的、保密的 （6）与设备无关性（设备独立性） 用户在编制程序时，使用逻辑设备名，由系统实现逻辑设备到物理设备（实际设备）的转换,用户能独立于具体物理设备而方便的使用设备,设备管理的目标和任务(续),用户申请使用设备时，只需要指定设备类型，而无须指定具体物理设备，系统根据当前的请求，及设备分配的情况

23、，在相同类别设备中，选择一个空闲设备，并将其分配给一个申请线程 统一性： 对不同的设备采取统一的操作方式，在用户程序中使用的是逻辑设备 优点： 设备忙碌或设备故障时，用户不必修改程序 改善了系统的可适应性和可扩展性,设备管理的目标和任务(续),设备独立的软件,虽然IO软件中一部分是设备专用的，但大部分软件是与设备无关的。设备驱动程序与设备独立软件之间的确切界限是依赖于具体系统的,1.独立于设备的软件的基本任务是实现所有设备都需要的功能，并且向用户级软件提供一个统一的接口 2.如何给文件和设备这样的对象命名是操作系统中的一个主要课题。独立于设备的软件负责把设备的符号名映射到正确的设备驱动上 3.设备保护 系统如何防止无权存取设备的用户存取设备呢？ 4.缓冲技术 5.设备分配 6.出错处理,设备独立的软件(续),（1）缓冲技术的引入