第四章 ucos操作系統(tǒng)概述.ppt

1、第四章 C/OS-II操作系統(tǒng)概述,內(nèi)容,4.1 C/OS-II簡介 4.2 C/OS-II的特點(diǎn) 4.3 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的概念,4.1 C/OS-II簡介,C/OS-II來源于術(shù)語Micro-Controller Operating System (微控制器操作系統(tǒng))。它通常也稱為MUCOS或者UCOS。 C/OS-II是Jean J.Labrosse在1990年前后編寫的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。 任務(wù)管理、任務(wù)調(diào)度、任務(wù)的同步與通信、時(shí)間管理、內(nèi)存管理 未包括輸入輸出管理、文件管理、網(wǎng)絡(luò)等服務(wù)，由用戶提供 實(shí)時(shí)系統(tǒng)概念、多任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間與內(nèi)存管理 主要應(yīng)用于高校教學(xué),4.2 C/OS-II的

2、特點(diǎn),公開的源代碼： C/OS-II的源代碼共約5500行，由匯編語言和C語言編寫。 使用者使用的是C/OS-II的源程序而不是編譯后的程序文件。,4.2 C/OS-II的特點(diǎn),可移植性： 可使用在多種處理器平臺(tái)的特性。 可移植性的基礎(chǔ)是編寫操作系統(tǒng)的語言的可移植性。 匯編語言編寫的與處理器特性相關(guān)的部分，必須經(jīng)過修改。 ANSI C語言編寫的部分通過不同的編譯器編譯鏈接后可直接使用。,4.2 C/OS-II的特點(diǎn),可固化： C/OS-II通過編譯、鏈接后可以下載并固化在嵌入式設(shè)備中的存儲(chǔ)介質(zhì)中。 可裁減： 可以根據(jù)應(yīng)用的需求使用C/OS-II所提供的不同的服務(wù)。 C/OS-II通過條件編譯實(shí)

3、現(xiàn)裁減。,4.2 C/OS-II的特點(diǎn),可搶占性： C/OS-II操作系統(tǒng)內(nèi)核是完全可搶占性實(shí)時(shí)內(nèi)核。 多任務(wù)： C/OS-II可以管理最多64個(gè)任務(wù)，根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)不同進(jìn)行管理。,4.2 C/OS-II的特點(diǎn),可確定性： 函數(shù)調(diào)用和服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間是可以確定的。 用戶可以知道C/OS-II的絕大多數(shù)函數(shù)和服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。,4.2 C/OS-II的特點(diǎn),任務(wù)棧： C/OS-II允許每個(gè)任務(wù)都有單獨(dú)的?？臻g。 系統(tǒng)服務(wù)： C/OS-II提供許多系統(tǒng)服務(wù)，比如信號(hào)量、互斥信號(hào)量、事件標(biāo)志、消息郵箱、消息隊(duì)列、時(shí)間管理等等,4.2 C/OS-II的特點(diǎn),中斷管理： 中斷可以使正在執(zhí)行的任務(wù)暫時(shí)掛起。

4、如果優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)被該中斷喚醒，則高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在中斷嵌套全部退出后立即執(zhí)行，中斷嵌套層數(shù)可以達(dá)255層 穩(wěn)定性和可靠性： 比較可靠的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),4.2 C/OS-II的特點(diǎn),公開的源代碼 可移植性、可固化、可裁減、可搶占性、多任務(wù) 可確定性、任務(wù)棧、系統(tǒng)服務(wù)、穩(wěn)定性和可靠性,4.3 實(shí)時(shí)系統(tǒng)概念,4.3.1 系統(tǒng)級(jí)概念 4.3.2 代碼相關(guān)的概念 4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念 4.3.4 中斷相關(guān)的概念 4.3.5 時(shí)鐘節(jié)拍 4.3.6 對(duì)存儲(chǔ)器的需求 4.3.7 使用實(shí)時(shí)內(nèi)核的優(yōu)缺點(diǎn),4.3.1 系統(tǒng)級(jí)概念,軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)： 使各個(gè)任務(wù)運(yùn)行得越快越好，并不要求限定某一任務(wù)的完成時(shí)

5、間。 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)： 任務(wù)不僅要執(zhí)行無誤而且要準(zhǔn)時(shí)完成。,4.3.1 系統(tǒng)級(jí)概念,前后臺(tái)系統(tǒng)超循環(huán)系統(tǒng) 后臺(tái)（任務(wù)級(jí)）：應(yīng)用程序是一個(gè)無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作。 前臺(tái)（中斷級(jí)）：中斷服務(wù)程序處理異步事件,4.3.2 代碼相關(guān)的概念,代碼的臨界段 也稱為臨界區(qū)，指處理時(shí)不可分割的代碼。 一旦這部分代碼開始執(zhí)行，不允許任何中斷打斷執(zhí)行過程。 解決方法： 執(zhí)行前關(guān)中斷，執(zhí)行后開中斷。,4.3.2 代碼相關(guān)的概念,可重入性 一個(gè)函數(shù)可以被多個(gè)任務(wù)調(diào)用，而不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)的破壞。,int Temp; void swap(int *x， int *y) Temp = *x; *x = *y

6、; *y = Temp; ,4.3.2 代碼相關(guān)的概念,4.3.2 代碼相關(guān)的概念,使函數(shù)具有可重入性的方法 將Temp定義為局部變量 調(diào)用Swap（）函數(shù)之前關(guān)中斷，調(diào)用后開中斷 用信號(hào)量禁止該函數(shù)在使用過程中被再次調(diào)用,4.3.3任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,任務(wù)與多任務(wù) 內(nèi)核 調(diào)度 不可剝奪型內(nèi)核 可剝奪型內(nèi)核,任務(wù)優(yōu)先級(jí) 互斥條件 信號(hào)量 死鎖(或抱死) 同步 事件標(biāo)志任務(wù)間的通訊 消息郵箱 消息隊(duì)列,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,任務(wù) 一個(gè)任務(wù)，也稱作一個(gè)線程，是一個(gè)簡單的程序，該程序可以認(rèn)為CPU完全只屬該程序自己。 每個(gè)任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，有它自己的一套CPU寄存器和自己的棧空間

7、。,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,多任務(wù) 多任務(wù)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上是靠CPU(中央處理單元)在許多任務(wù)之間轉(zhuǎn)換、調(diào)度。 CPU只有一個(gè)，輪番服務(wù)于一系列任務(wù)中的某一個(gè)。 多任務(wù)運(yùn)行使CPU的利用率得到最大的發(fā)揮，并使應(yīng)用程序模塊化。,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,任務(wù)與多任務(wù) 實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程，包括如何把問題分割成多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都是整個(gè)應(yīng)用的某一部分，每個(gè)任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，有它自己的一套CPU寄存器和自己的棧空間。,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,內(nèi)核 內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。 多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或者說為每個(gè)任務(wù)分配CPU時(shí)間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的

8、通訊。 之所以使用實(shí)時(shí)內(nèi)核可以大大簡化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是因?yàn)閷?shí)時(shí)內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個(gè)任務(wù)，由實(shí)時(shí)內(nèi)核來管理它們。,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,調(diào)度 內(nèi)核的主要職責(zé)之一，就是要決定該輪到哪個(gè)任務(wù)運(yùn)行了。 多數(shù)實(shí)時(shí)內(nèi)核是基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度法的。每個(gè)任務(wù)根據(jù)其重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級(jí)。 基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度法指：CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,不可剝奪型內(nèi)核 不可剝奪型內(nèi)核要求每個(gè)任務(wù)自我放棄CPU的所有權(quán)。 中斷服務(wù)可以使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷服務(wù)以后控制權(quán)還是回到原來被中斷了的那個(gè)任務(wù)，直到該任務(wù)主動(dòng)放棄CP

9、U的使用權(quán)時(shí)，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才能獲得CPU的使用權(quán)。,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,任務(wù)在運(yùn)行過程之中 產(chǎn)生中斷 進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，中斷服務(wù)子程序做事件處理 使一個(gè)有更高級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)。 中斷服務(wù)完成以后，中斷返回指令， 使CPU回到原來被中斷的任務(wù) 接著執(zhí)行該任務(wù)的代碼，直到該任務(wù)完成，調(diào)用一個(gè)內(nèi)核服務(wù)函數(shù)以釋放CPU控制權(quán)， 由內(nèi)核將控制權(quán)交給那個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的、并已進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)， 這個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)才開始處理中斷服務(wù)程序標(biāo)識(shí)的事件,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,可剝奪型內(nèi)核 最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的控制權(quán)。 當(dāng)一個(gè)運(yùn)行著的任務(wù)使一個(gè)比它優(yōu)先級(jí)高的任

10、務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了，或者說被掛起了，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。 如果是中斷服務(wù)子程序使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，中斷完成時(shí)，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級(jí)高的那個(gè)任務(wù)開始運(yùn)行。,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,不可剝奪型內(nèi)核 高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)已經(jīng)進(jìn)入就緒態(tài)，也許要等很長時(shí)間，直到當(dāng)前運(yùn)行著的任務(wù)釋放CPU后才能執(zhí)行。 不可剝奪型內(nèi)核的任務(wù)級(jí)響應(yīng)時(shí)間是不確定的，不知道什么時(shí)候最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才能拿到CPU的控制權(quán)，完全取決于應(yīng)用程序什么時(shí)候釋放CPU。,可剝奪型內(nèi)核 高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，立刻能夠執(zhí)行。 最高優(yōu)

11、先級(jí)的任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間是可知的。,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,任務(wù)優(yōu)先級(jí) 表征任務(wù)的重要程度的量。任務(wù)的優(yōu)先級(jí)越高，賦予的優(yōu)先級(jí)就越高。 靜態(tài)優(yōu)先級(jí)：應(yīng)用程序執(zhí)行的過程中，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)不變。 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)：應(yīng)用程序執(zhí)行過程中，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是可變的。,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,互斥條件 保證系統(tǒng)處理共享數(shù)據(jù)或共享資源的排他性的方法。 關(guān)中斷 使用測(cè)試并置位指令 禁止任務(wù)切換 利用信號(hào)量,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,信號(hào)量 在多任務(wù)內(nèi)核中普遍使用的約定機(jī)制。 控制共享資源的使用權(quán)（滿足互斥條件） 標(biāo)志某時(shí)間的發(fā)生 使兩個(gè)任務(wù)的行為同步 二進(jìn)制型 計(jì)數(shù)型,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的

12、概念,死鎖(或抱死) 指兩個(gè)任務(wù)無限期地互相等待對(duì)方控制著的資源。 設(shè)任務(wù)T1正獨(dú)享資源R1，任務(wù)T2在獨(dú)享資源R2，而此時(shí)T1又要獨(dú)享R2，T2也要獨(dú)享R1，于是哪個(gè)任務(wù)都沒法繼續(xù)執(zhí)行了，發(fā)生了死鎖。 先得到全部需要的資源再做下一步的工作 用同樣的順序去申請(qǐng)多個(gè)資源 釋放資源時(shí)使用相反的順序,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,同步 按照一定的時(shí)間順序執(zhí)行任務(wù)。 任務(wù)的執(zhí)行順序 單向同步 雙向同步 同步標(biāo)志用信號(hào)量實(shí)現(xiàn),4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,事件標(biāo)志 當(dāng)某任務(wù)要與多個(gè)事件同步時(shí)，要使用事件標(biāo)志。 若任務(wù)需要與任何事件之一發(fā)生同步，可稱為獨(dú)立型同步(即邏輯或關(guān)系)。 任務(wù)也可以與若干

13、事件都發(fā)生了同步，稱之為關(guān)聯(lián)型(邏輯與關(guān)系)。,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,任務(wù)間的通訊 在任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞 全局變量 發(fā)送消息,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,消息郵箱 典型的消息郵箱也稱作交換消息，是用一個(gè)指針型變量，通過內(nèi)核服務(wù)，一個(gè)任務(wù)或一個(gè)中斷服務(wù)程序可以把一則消息(即一個(gè)指針)放到郵箱里去。同樣，一個(gè)或多個(gè)任務(wù)可以通過內(nèi)核服務(wù)接收這則消息。發(fā)送消息的任務(wù)和接收消息的任務(wù)約定，該指針指向的內(nèi)容就是那則消息。,4.3.3 任務(wù)及內(nèi)核相關(guān)的概念,消息隊(duì)列 消息隊(duì)列實(shí)際上是郵箱陣列。通過內(nèi)核提供的服務(wù)，任務(wù)或中斷服務(wù)子程序可以將一條消息(該消息的指針)放入消息隊(duì)列。同樣，一個(gè)或多個(gè)

14、任務(wù)可以通過內(nèi)核服務(wù)從消息隊(duì)列中得到消息。發(fā)送和接收消息的任務(wù)約定，傳遞的消息實(shí)際上是傳遞的指針指向的內(nèi)容。通常，先進(jìn)入消息隊(duì)列的消息先傳給任務(wù)，也就是說，任務(wù)先得到的是最先進(jìn)入消息隊(duì)列的消息，即先進(jìn)先出原則(FIFO)。,4.3.4 中斷相關(guān)的概念,中斷 中斷延遲 中斷響應(yīng) 中斷恢復(fù)時(shí)間 中斷處理時(shí)間,4.3.4 中斷相關(guān)的概念,中斷 中斷是一種硬件機(jī)制，用于通知CPU有個(gè)異步事件發(fā)生了。 中斷一旦被識(shí)別，CPU保存部分(或全部)現(xiàn)場(chǎng)(Context)即部分或全部寄存器的值，跳轉(zhuǎn)到專門的子程序，稱為中斷服務(wù)子程序(ISR)。中斷服務(wù)子程序做事件處理，處理完成后，程序回到： 在前后臺(tái)系統(tǒng)中，程

15、序回到后臺(tái)程序 對(duì)不可剝奪型內(nèi)核而言，程序回到被中斷了的任務(wù) 對(duì)可剝奪型內(nèi)核而言，讓進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開始運(yùn)行 關(guān)中斷和開中斷 中斷嵌套，也就是說在中斷服務(wù)期間，微處理器可以識(shí)別另一個(gè)更重要的中斷，并服務(wù)于那個(gè)更重要的中斷,4.3.4 中斷相關(guān)的概念,中斷延遲 所有實(shí)時(shí)系統(tǒng)在進(jìn)入臨界區(qū)代碼段之前都要關(guān)中斷，執(zhí)行完臨界代碼之后再開中斷。關(guān)中斷的時(shí)間越長，中斷延遲就越長。 中斷延遲 = 關(guān)中斷的最長時(shí)間 + 開始執(zhí)行中斷服務(wù)子程序的第一條指令的時(shí)間,4.3.4 中斷相關(guān)的概念,中斷響應(yīng) 中斷響應(yīng)時(shí)間定義為從中斷發(fā)生到開始執(zhí)行用戶的中斷服務(wù)子程序代碼來處理這個(gè)中斷的時(shí)間。 中斷響應(yīng)是系統(tǒng)在

16、最壞情況下的中斷響應(yīng)時(shí)間。 中斷響應(yīng)時(shí)間 = 中斷延遲 + 保存CPU內(nèi)部寄存器的時(shí)間 中斷響應(yīng)時(shí)間 = 中斷延遲 + 保存CPU內(nèi)部寄存器的時(shí)間 + 內(nèi)核的進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間,4.3.4 中斷相關(guān)的概念,中斷恢復(fù)時(shí)間 中斷恢復(fù)時(shí)間定義為微處理器返回到被中斷了的程序代碼所需要的時(shí)間。 中斷恢復(fù)時(shí)間 = 恢復(fù)CPU內(nèi)部寄存器值的時(shí)間 + 執(zhí)行中斷返回指令的時(shí)間 中斷恢復(fù)時(shí)間 = 判定是否有優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)的時(shí)間 + 恢復(fù)那個(gè)優(yōu)先級(jí)更高任務(wù)的CPU內(nèi)部寄存器的時(shí)間 + 執(zhí)行中斷返回指令的時(shí)間,4.3.4 中斷相關(guān)的概念,中斷處理時(shí)間 中斷服務(wù)的處理時(shí)間應(yīng)該盡可能的短，但是對(duì)處理

17、時(shí)間并沒有絕對(duì)的限制。 如果中斷服務(wù)是在任何給定的時(shí)間開始，且中斷服務(wù)程序代碼是應(yīng)用程序中最重要的代碼，則中斷服務(wù)需要多長時(shí)間就應(yīng)該給它多長時(shí)間。 分析事件處理的時(shí)間和消息傳遞的時(shí)間。,4.3.5時(shí)鐘節(jié)拍,時(shí)鐘節(jié)拍 時(shí)鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷。 中斷之間的時(shí)間間隔取決于不同的應(yīng)用，一般在10mS到200mS之間。 時(shí)鐘的節(jié)拍式中斷使得內(nèi)核可以將任務(wù)延時(shí)若干個(gè)整數(shù)時(shí)鐘節(jié)拍，以及當(dāng)任務(wù)等待事件發(fā)生時(shí)，提供等待超時(shí)的依據(jù)。時(shí)鐘節(jié)拍率越快，系統(tǒng)的額外開銷就越大（節(jié)拍服務(wù)子程序）。,4.3.6 對(duì)存儲(chǔ)器的需求,前后臺(tái)系統(tǒng)，對(duì)存儲(chǔ)器容量的需求僅僅取決于應(yīng)用程序代碼。 使用多任務(wù)內(nèi)核 總代碼量 = 應(yīng)用程序代碼 + 內(nèi)核代碼 RAM總需求 = 應(yīng)用程序的RAM需求 + (任務(wù)棧需求 + 最大中斷嵌套棧