嵌入式操作系統(tǒng)基礎培訓

第1頁，共42頁。嵌入式操作系統(tǒng)基礎培訓日期：Wednesday,November30,2022版次：v1.0第2頁，共42頁。培訓內(nèi)容嵌入式操作系統(tǒng)基本概念vxWorks操作系統(tǒng)介紹運行支撐MAP和IAP簡介第3頁，共42頁。培訓內(nèi)容嵌入式操作系統(tǒng)基本概念第4頁，共42頁。實時計算機系統(tǒng)實時計算機系統(tǒng)簡稱為實時系統(tǒng)(real-timesystem)，指能夠在確定和限定的時間內(nèi)執(zhí)行其功能并對外部的異步事件作出響應的計算機系統(tǒng)。三個衡量指標：

響應時間(ResponseTime) 生存時間(SurvivalTime) 吞吐量(Throughput)第5頁，共42頁。實時操作系統(tǒng)實時多任務操作系統(tǒng)(RealTimeOperatingSystem)對規(guī)模較大的實時系統(tǒng)，需要使用實時多任務操作系統(tǒng)來加以管理。實時操作系統(tǒng)是指具有實時性，能支持實時控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。重要特點是要滿足對時間的限制和要求。實時操作系統(tǒng)可以分為：

一般實時操作系統(tǒng) 嵌入式實時操作系統(tǒng)第6頁，共42頁。嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)(EmbeddedSystem)：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。交叉開發(fā)——“宿主機/目標機”方式第7頁，共42頁。嵌入式實時操作系統(tǒng)嵌入式實時操作系統(tǒng)具備了實時操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的特征。即采用的是交叉開發(fā)的方式，同時要滿足實時操作系統(tǒng)對時間的限制和要求。常用的商用實時操作系統(tǒng)

1.Tornado/VxWorks 2.pSOSystem 3.WindowsCE第8頁，共42頁。任務任務(task)RTOS的任務是由計算機所執(zhí)行的一項活動，也就是一段程序，該程序可以認為CPU完全只屬于該程序自己。第9頁，共42頁。任務（續(xù)）任務的特點： 動態(tài)性 并發(fā)性 異步獨立性任務的狀態(tài)： 運行態(tài)(Executing) 就緒態(tài)(Ready) 等待(waiting，通常又稱為掛起，suspend) 休眠(Dormant)第10頁，共42頁。狀態(tài)遷移圖第11頁，共42頁?；コ饣コ庥糜诖_保當一個任務使用一個共享資源時，其它任務不能做同樣的操作的手段。與共享資源打交道時，使之滿足互斥條件最一般的方法有：關中斷使用測試并置位指令禁止做任務切換利用信號量第12頁，共42頁。同步同步在實時系統(tǒng)中通常幾個任務是協(xié)同工作的，需要在確定的時間里執(zhí)行各自的功能，這就產(chǎn)生同步問題。對于單個任務，所謂同步就是使它能在指定的時間執(zhí)行。一個任務可以通過系統(tǒng)調(diào)用來使自己掛起一段時間或者掛起到某一指定的時刻。通常我們所謂的任務同步，主要是指兩個或兩個以上的任務需要協(xié)調(diào)執(zhí)行的情況。實現(xiàn)同步主要有兩種方式：信號量和事件。第13頁，共42頁。任務間通信任務間通信主要有兩種途徑共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-全局變量-緩沖區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)消息給另一個任務-郵箱-消息隊列第14頁，共42頁。中斷中斷處理中斷是一種硬件機制，用于通知CPU有個異步事件發(fā)生了。異步事件是指無一定時序關系的隨機發(fā)生的事件。中斷一旦被識別，CPU就保存部分(或全部)上下文，即部分或全部寄存器值，跳轉(zhuǎn)到專門的子程序，稱為中斷服務子程序(ISR)。中斷服務子程序做事件處理，處理完成后，程序回到：在前后臺系統(tǒng)中，程序回到后臺程序?qū)Ψ菗屨純?nèi)核，程序回到被中斷的任務對搶占內(nèi)核，讓進入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務開始運行第15頁，共42頁。時鐘節(jié)拍時鐘節(jié)拍

在實時系統(tǒng)中，一般不能缺少實時時鐘，它是實時軟件運行的必不可少的硬件設施。實時時鐘單純地提供一個規(guī)則的脈沖序列，脈沖之間的間隔可以作為系統(tǒng)的時間基準稱為時基，時基的大小代表了實時時鐘的精度，這個精度取決于系統(tǒng)的要求。軟時鐘方法硬件所做的工作第16頁，共42頁。死鎖死鎖若一個進程集合中的每一個進程都在等待只能由本集合中的另一個進程才能引發(fā)的事件，則這種情況被視為死鎖(deadlock)。例：系統(tǒng)有兩個信號量，初始值都是1，任務1和任務2優(yōu)先級相同。任務1申請到信號量1，此時系統(tǒng)調(diào)度到任務2，任務2申請到了信號量2，此時，任務2又想申請信號量1，由于任務1沒有釋放而阻塞。系統(tǒng)調(diào)度任務1運行，任務1想申請信號量2，同樣由于任務2沒有釋放而阻塞。這樣一來，任務1和任務2都想獲得對方占用的資源，永遠都不可能繼續(xù)執(zhí)行下去，引起了死鎖。申請信號量1…申請信號量2申請信號量1申請信號量2獲得信號量1…獲得信號量2任務1任務2調(diào)度阻塞第17頁，共42頁。調(diào)度策略實時調(diào)度策略任務調(diào)度就是從就緒狀態(tài)的任務中，挑選一個任務到處理器上運行。常見的調(diào)度算法有：1.先進先出2.短任務優(yōu)先3.輪循調(diào)度4.基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度第18頁，共42頁。培訓內(nèi)容vxWorks操作系統(tǒng)介紹第19頁，共42頁。任務的定義代碼＋上下文（context）第20頁，共42頁。任務上下文內(nèi)存位置：TCB內(nèi)容： CPU的寄存器（PC+SP+…..） 堆棧 I/O輸入，輸出分配的I/O。 延時定時器 時間片定時器 內(nèi)核的控制結(jié)構(gòu) 信號句柄 其它用于調(diào)試和監(jiān)控的值第21頁，共42頁。任務的狀態(tài)及轉(zhuǎn)換任務狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖第22頁，共42頁?；趦?yōu)先級可搶占調(diào)度算法第23頁，共42頁。時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法第24頁，共42頁。搶占禁止taskLock()/taskUnlock()執(zhí)行時間長 不禁止中斷 intLock()/intUnlock() 執(zhí)行時間短 會增加系統(tǒng)的中斷時延 不會關掉任務調(diào)度（semTake會調(diào)度）第25頁，共42頁。消息隊列第26頁，共42頁。消息隊列使用注意使用消息隊列發(fā)送和接受消息時都存在著內(nèi)存拷貝。因此要注意效率。如果傳遞的是指針的話要注意堆棧的問題。注意消息隊列的大小。中斷中可以調(diào)用msgQSend，但必須使用NO_WAIT的方式。第27頁，共42頁。二進制信號量二進制信號量能夠滿足兩種類型的任務協(xié)調(diào)需要：互斥和同步。二進制信號量需要的系統(tǒng)開銷最小，因而特別適用于高性能的需求。二進制信號量可以處于兩種狀態(tài)：FULL態(tài)或者EMPTY態(tài)。FULL態(tài)代表信號量可用，一般量化為1；EMPTY態(tài)代表信號量不可用，對應的量化為0。用于互斥時信號量的初始值必須是1（FULL）用于同步時信號量的初始值必須是0（EMPTY）第28頁，共42頁?；コ庑盘柫炕コ庑盘柫浚河脕斫鉀Q任務的優(yōu)先級繼承、安全刪除和對資源的遞歸訪問等問題。互斥信號量使用有一些特別要求：1）它只能用于互斥2）它只能被取走它的任務釋放，且可以嵌套調(diào)用3）它不能被中斷服務程序使用4）不能用semFlush()函數(shù)對它進行操作第29頁，共42頁。計數(shù)信號量計數(shù)信號量是任務同步和互斥的另一種實現(xiàn)方式。計數(shù)信號量除了保留信號量被釋放的次數(shù)的跟蹤以外，其他功能和二進制信號量是一樣的。每次信號量被釋放一次，計數(shù)增加1；每次信號量被占用一次，計數(shù)減少1。當計數(shù)減少為0時，要求得到信號量的任務被阻塞。第30頁，共42頁。中斷服務第31頁，共42頁。中斷使用注意不能調(diào)用那些由可能引起阻塞的程序（malloc、free、printf等）不允許通過VxWorks的驅(qū)動來執(zhí)行其它I/O操作浮點寄存器（自己保存和恢復）請注意能被中斷中調(diào)用的系統(tǒng)函數(shù)（semGive，logMsg，msgQSend，intLock等）第32頁，共42頁。內(nèi)存劃分LOCAL_MEM_LOCAL_ADRS到RAM_LOW_ADRS之間的空間用于存放一些與具體CPU相關的系統(tǒng)信息如中斷向量等；RAM_LOW_ADRS到FREE_RAM_ADRS之間用于存放VxWorksimage（映像文件）；WDB_POOL_SIZE段專供調(diào)試使用；SYSTEMMEMORYPOOL與USER_RESERVED_MEM段可供用戶使用。

第33頁，共42頁。內(nèi)存分配方式從靜態(tài)存儲區(qū)域分配，固定長度的內(nèi)存池，如UB：userblock在棧上創(chuàng)建從堆上分配，即malloc，頻繁使用會造成內(nèi)存碎片第34頁，共42頁。培訓內(nèi)容運行支撐MAP和IAP簡介第35頁，共42頁。支撐系統(tǒng)位置系統(tǒng)位置應用模塊之下系統(tǒng)層面之上應用模塊支撐系統(tǒng)OS或CPU小系統(tǒng)第36頁，共42頁。支撐系統(tǒng)作用功能或作用約束上層應用（框架規(guī)范）簡化應用設計屏蔽系統(tǒng)層面差異資源控制，便于管理輔助故障診斷第37頁，共42頁。支撐系統(tǒng)組成支撐內(nèi)核模塊內(nèi)存管理進程調(diào)度進程通訊定時器管理支撐外圍模塊板間通訊版本加載系統(tǒng)控制其他輔助模塊支撐增強模塊內(nèi)存監(jiān)聽在線補丁進程私有頁面管理第38頁，共42頁。MAP平臺小型接入平臺用于DSL9806H項目的支撐系統(tǒng)VOS接口R層接口第39頁，共42頁。IAP平臺綜合接入平臺用于DSL9800v3.0、c200、msag6000等項目的支撐系統(tǒng)R層接口第40頁，共42頁。第41頁，共42頁。內(nèi)容梗概嵌入式操作系統(tǒng)基礎培訓。日期：Friday,November18,2022。簡稱為實時系統(tǒng)(real-timesystem)，指能夠在確定和限定的時間內(nèi)執(zhí)行其功能并對外部的異步事件作出響應的計算機系統(tǒng)。對規(guī)模較大的實時系統(tǒng)，需要使用實時多任務操。嵌入式實時操作系統(tǒng)具備了實時操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的特征。即采用的是交叉開發(fā)的方式，同時要滿足實時操作系統(tǒng)對時間的限制和要求。等待(waiting，通常又稱為掛起，suspend)。用于確保當一個任務使用一個共享資源時，其它任務不能做同樣的操作的手段。一個任務可以通過系統(tǒng)調(diào)用來使自己掛起一段時間或者掛起到某一指定的時刻。異步事件是指無一定時序關系