嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ).ppt

1、05:01,1,ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程,05:01,2,課程理論教學(xué)內(nèi)容安排,第1章 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識 第2章 ARM體系結(jié)構(gòu) 第3章 32 Bit RISC微處理器S3C2410A 第4章 嵌入式系統(tǒng)的存儲器系統(tǒng) 第5章 嵌入式系統(tǒng)輸入/輸出設(shè)備接口 第6章 嵌入式系統(tǒng)總線接口 第7章 嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口 第8章 嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ) 第9章 ARM匯編語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 第10章 Bootloader設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 第11章 Linux操作系統(tǒng)基礎(chǔ) 第12章 嵌入式Linux軟件設(shè)計(jì) 第13章 圖形用戶接口（GUI）,05:01,3,第8章 嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ),8.1嵌

2、入式軟件基礎(chǔ) 4-10 8.2嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)11-23 8.3嵌入式系統(tǒng)的任務(wù)管理24-54 8.4嵌入式系統(tǒng)的存儲管理55-71 8.5I/O設(shè)備管理72-80,05:01,4,8.1嵌入式軟件基礎(chǔ),8.1.1嵌入式軟件的特點(diǎn) 8.1.2嵌入式軟件的分類 8.1.3嵌入式軟件的體系結(jié)構(gòu) 8.1.4嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動層 8.1.5嵌入式中間件,05:01,5,8.1.1嵌入式軟件的特點(diǎn),應(yīng)用在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中的各種軟件統(tǒng)稱為嵌入式軟件，作為嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，目前嵌入式軟件的種類和規(guī)模都得到了極大的發(fā)展，形成了一個(gè)完整、獨(dú)立的體系。除了具有通用軟件的一般特性，同時(shí)還具有一些與嵌

3、入式系統(tǒng)密切相關(guān)的特點(diǎn)，如： （l）規(guī)模較小 （2）開發(fā)難度大 （3）高實(shí)時(shí)性和可靠性要求 （4）軟件固化存儲,05:01,6,8.1.2嵌入式軟件的分類,1系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件控制和管理嵌入式系統(tǒng)資源，為嵌入式應(yīng)用提供支持的各種軟件，如設(shè)備驅(qū)動程序、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式中間件等。 2應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件是嵌入式系統(tǒng)中的上層軟件，它定義了嵌入式設(shè)備的主要功能和用途，并負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行交互。應(yīng)用軟件是嵌入式系統(tǒng)功能的體現(xiàn)，如飛行控制軟件、手機(jī)軟件、MP3播放軟件、電子地圖軟件等，一般面向于特定的應(yīng)用領(lǐng)域。 3支撐軟件 支撐軟件指輔助軟件開發(fā)的工具軟件，如系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)工具、在線仿真工具、交叉編譯器、源

4、程序模擬器和配置管理工具等。 在嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運(yùn)行在目標(biāo)平臺的（即嵌入式設(shè)備上），而對于各種軟件開發(fā)工具來說，它們大部分都運(yùn)行在開發(fā)平臺（PC機(jī)）上，運(yùn)行Windows或Linux操作系統(tǒng)。,05:01,7,8.1.3嵌入式軟件的體系結(jié)構(gòu),1無操作系統(tǒng)的嵌入式軟件 早期在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍主要集中在控制領(lǐng)域，硬件的配置比較低，嵌入式軟件的設(shè)計(jì)主要是以應(yīng)用為核心，應(yīng)用軟件直接建立在硬件上，沒有專門的操作系統(tǒng)，軟件的規(guī)模也很小。 無操作系統(tǒng)的嵌入式軟件采用循環(huán)輪轉(zhuǎn)和中斷(前后臺)兩種實(shí)現(xiàn)方式。 （1）循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式 （2）中斷方式,05:01,8,2.有操作系統(tǒng)的嵌入式軟件,嵌

5、入式軟件體系結(jié)構(gòu),05:01,9,8.1.4嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動層,嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動層用來完成嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)備所需要的一些軟件初始化和管理。設(shè)備驅(qū)動層直接對硬件進(jìn)行管理和控制，并為上層軟件提供所需的驅(qū)動支持。 1.板級支持包 2.BootLoader （1）片級初始化 （2）板級初始化 （3）加載內(nèi)核 3.設(shè)備驅(qū)動程序,05:01,10,8.1.5嵌入式中間,中間件是一種軟件平臺技術(shù)，在銀行、證券、電信等行業(yè)的大型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。近年來，中間件技術(shù)也被引入到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，并與實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)緊密結(jié)合。利用中間件技術(shù)可以使用戶把精力集中到系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的

6、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。 嵌入式中間件是指不包括操作系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件在內(nèi)的所有系統(tǒng)軟件。嵌入式中間件把原本屬于應(yīng)用軟件層的一些通用的功能模塊抽取出來，形成獨(dú)立的一層軟件，為應(yīng)用軟件提供一個(gè)靈活、安全、移植性好、相互通信、協(xié)同工作的平臺。 嵌入式中間件可分為消息中間件、對象中間件、遠(yuǎn)程過程調(diào)用(Remote Procedure Calls，RPC)、數(shù)據(jù)庫訪問中間件、安全中間件等不同類型。 一些公司可提供嵌入式中間件集成解決方案,如Sun的嵌入式Java,微軟的.NET Compact Frame-work,OMG(Object Management Group)嵌入式CORBA等,05

7、:01,11,8.2嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ),8.2.1嵌入式操作系統(tǒng)的功能8.2.2嵌入式操作系統(tǒng)的分類8.2.3常見的嵌入式操作系統(tǒng)簡介,05:01,12,8.2.1嵌入式操作系統(tǒng)的功能,在嵌入式系統(tǒng)中工作的操作系統(tǒng)稱為EOS（Embedded Operating System，嵌入式操作系統(tǒng)），EOS的基本功能主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： 1.構(gòu)成一個(gè)易于編程的虛擬機(jī)平臺 EOS構(gòu)成一個(gè)虛擬機(jī)平臺，EOS把底層的硬件細(xì)節(jié)封裝起來，為運(yùn)行在它上面的軟件（如中間件軟件和各種應(yīng)用軟件）提供了一個(gè)抽象的編程接口。軟件開發(fā)在這個(gè)編程接口的上進(jìn)行，而不直接與機(jī)器硬件層打交道。EOS所提供的編程接口實(shí)際上就是操

8、作系統(tǒng)對外提供的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。 2.系統(tǒng)資源的管理者 EOS是系統(tǒng)資源的管理者,負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中各種軟硬件資源,如處理器、內(nèi)存、各種I/O設(shè)備、文件和數(shù)據(jù)等,使得整個(gè)系統(tǒng)能夠高效、可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)。,05:01,13,8.2.2嵌入式操作系統(tǒng)的分類,EOS可以按照系統(tǒng)的類型、響應(yīng)時(shí)間和軟件結(jié)構(gòu)等不同的標(biāo)準(zhǔn)來分類。 1按系統(tǒng)的類型分類 可以把EOS分為商業(yè)化系統(tǒng)、專用系統(tǒng)和開放源代碼系統(tǒng)三大類。 （1）商業(yè)化系統(tǒng) 商業(yè)化的EOS有風(fēng)河公司(WindRiver)VxWorks，微軟Windows CE，Palm的PalmOS等,特點(diǎn)是功能強(qiáng),性能穩(wěn)定,輔助軟件工具齊全，應(yīng)用廣，成本高。 （2）專用系統(tǒng) 專

9、用系統(tǒng)是一些專業(yè)廠家為本公司產(chǎn)品特制的嵌入式操作系統(tǒng)，一般不提供給應(yīng)用開發(fā)者使用。 （3）開放源代碼系統(tǒng) 開放源代碼的嵌入式操作系統(tǒng)有C/OS和各類嵌入式Linux系統(tǒng)等，具有免費(fèi)、開源、性能優(yōu)良、資源豐富、技術(shù)支持強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是近年來發(fā)展迅速的一類操作系統(tǒng)。,05:01,14,2.按響應(yīng)時(shí)間分類,按照系統(tǒng)對響應(yīng)時(shí)間的敏感程度，EOS可以分為RTOS（Real Time Operating Systems，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）和非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)兩大類。 RTOS對響應(yīng)時(shí)間有非常嚴(yán)格的要求，當(dāng)某一個(gè)外部事件或請求發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的任務(wù)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的處理。RTOS可以分為硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)兩種情形。

10、（1）硬實(shí)時(shí)系統(tǒng) 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)對響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格的要求，如果響應(yīng)時(shí)間不能滿足可能會引起系統(tǒng)的崩潰或致命的錯(cuò)誤。 （2）軟實(shí)時(shí)系統(tǒng) 軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)對響應(yīng)時(shí)間有要求，如果響應(yīng)時(shí)間不能滿足，將需要支付能夠接受的額外代價(jià)。 非實(shí)時(shí)系統(tǒng)對響應(yīng)時(shí)間沒有嚴(yán)格的要求，各個(gè)進(jìn)程分享處理器，以獲得各自所需要的運(yùn)行時(shí)間。,05:01,15,3.按軟件結(jié)構(gòu)分類,按軟件體系結(jié)構(gòu),EOS可分為單體結(jié)構(gòu)、分層結(jié)構(gòu)和微內(nèi)核結(jié)構(gòu)三大類。 （1）單體結(jié)構(gòu) 單體結(jié)構(gòu)是一種常見的組織結(jié)構(gòu)，嵌入式Linux操作系統(tǒng)、Jbed RTOS、C/OS-II和PDOS都屬于單體內(nèi)核系統(tǒng)。在單體結(jié)構(gòu)（monolithic）的操作系統(tǒng)中，中間件和設(shè)備驅(qū)動

11、程序通常就集成在系統(tǒng)內(nèi)核當(dāng)中，整個(gè)系統(tǒng)通常只有一個(gè)可執(zhí)行文件，里面包含了所有的功能組件。 單體結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)由一組功能模塊組成，系統(tǒng)的各個(gè)模塊之間可以相互調(diào)用，通信開銷比較小，系統(tǒng)高度集成和相互關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)剪裁、修改、調(diào)試和維護(hù)不方便。 （2）分層結(jié)構(gòu) 采用分層結(jié)構(gòu)（layered）的操作系統(tǒng)內(nèi)部分為若干個(gè)層次（0N），各個(gè)層次之間的調(diào)用關(guān)系是單向的，即某一層次上的代碼只能調(diào)用比它低層的代碼。分層結(jié)構(gòu)要求在每個(gè)層次上都要提供一組API接口函數(shù)，增加了系統(tǒng)的額外開銷，但系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)較為簡單。典型代表有MS-DOS，其結(jié)構(gòu)就是一個(gè)有代表性的、組織良好的分層結(jié)構(gòu)。,05:01,16,單體和分層結(jié)構(gòu)

12、操作系統(tǒng)框架,單體結(jié)構(gòu) 分層結(jié)構(gòu),05:01,17,(3)微內(nèi)核結(jié)構(gòu),微內(nèi)核(microkernel)結(jié)構(gòu)把操作系統(tǒng)的大部分功能都剝離出去，在內(nèi)核中只保留最核心的功能單元(如進(jìn)程管理和存儲管理),大部分的系統(tǒng)功能都位于內(nèi)核之外,例如,將所有的設(shè)備驅(qū)動程序都被置于內(nèi)核之外,如下圖。 在微內(nèi)核操作系統(tǒng)中，大部分的系統(tǒng)功能被放置在內(nèi)核之外，客戶單元和服務(wù)器單元的內(nèi)存地址空間是相互獨(dú)立的，系統(tǒng)具有更高的安全性。新的功能組件也可以被動態(tài)地添加進(jìn)來，擴(kuò)展、調(diào)試、移植方便。在微內(nèi)核操作系統(tǒng)中，核內(nèi)組件與核外組件之間的通信方式是消息傳遞，而不是直接的函數(shù)調(diào)用，運(yùn)行速度可能會慢一些。另外，由于它們的內(nèi)存地址空間

13、是相互獨(dú)立的，在切換的時(shí)候，也會增加額外的開銷。,05:01,18,8.2.3常見的嵌入式操作系統(tǒng)簡介,嵌入式操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，許多公司從事相關(guān)方面的研究，開發(fā)了數(shù)以百計(jì)各具特色的嵌入式操作系統(tǒng),其中較有影響的有VxWorks、嵌入式Linux、Windows CE、C/OS-II和PalmOS等。 1.VxWorks 美國WindRiver System公司開發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks采用基于微內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)由四百多個(gè)相對獨(dú)立、短小精練的目標(biāo)模塊組成，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇適當(dāng)?shù)哪K，進(jìn)行裁減和配置。VxWorks采用GNU類型的編譯和調(diào)試器

14、，專有的API函數(shù)，支持x86、Motorola MC68xxx、Coldfire、PowerPC、MIPS、ARM、i960等主流的32位處理器，具有良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性，是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場占有率最高的商業(yè)系統(tǒng)之一。,05:01,19,VxWorks操作系統(tǒng),在VxWorks操作系統(tǒng)中，主要包含有實(shí)時(shí)微內(nèi)核Wind、I/O處理系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)處理模塊、虛擬內(nèi)存模塊VxVMI、板級支持包BSP等功能模塊。其中： 實(shí)時(shí)微內(nèi)核Wind包括基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間的通信、同步和互斥、中斷處理、定時(shí)器和內(nèi)存管理機(jī)制等功能。與ANSI C兼容的I/O系統(tǒng)包括UNIX標(biāo)準(zhǔn)

15、的緩沖I/O和POSIX標(biāo)準(zhǔn)的異步I/O。文件系統(tǒng)主要包括與MS-DOS兼容的文件系統(tǒng)、與RT-11兼容的文件系統(tǒng)、Raw Disk文件系統(tǒng)和SCSI磁帶設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)處理模塊能與如TCP/IP、NFS、UDP、SNMP、FTP等許多運(yùn)行其他協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。虛擬內(nèi)存模塊VxVMI主要用于對指定內(nèi)存區(qū)的保護(hù)，以加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。板級支持包BSP由初始化和驅(qū)動程序兩部分組成，用來管理硬件的功能模塊，對各種板卡的硬件功能提供統(tǒng)一的接口。,05:01,20,2.嵌入式Linux,嵌入式Linux（Embedded Linux）是指對標(biāo)準(zhǔn)Linux進(jìn)行小型化剪裁處理之后，可固化在存儲器或單片機(jī)中，適合于

16、特定嵌入式應(yīng)用場合的專用Linux操作系統(tǒng)。常見的嵌入式Linux有Clinux、RT-Linux、Embedix和Hard Hat Linux等，具有如下特點(diǎn)： 具有高性能、可裁剪的內(nèi)核，其獨(dú)特的模塊機(jī)制使用戶可以根據(jù)自己的需要，實(shí)時(shí)地將某些模塊插入到內(nèi)核或從內(nèi)核中移走，很適合于嵌入式系統(tǒng)的小型化的需要。 具有完善的網(wǎng)絡(luò)通信和文件管理機(jī)制，支持所有標(biāo)準(zhǔn)的Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持ext2，fat16, fat32, romfs等文件系統(tǒng)。 提供完整的工具鏈(Tool Chain),用GNU的gcc做編譯器,用gdb, kgdb, xgdb做調(diào)試工具,能夠方便地實(shí)現(xiàn)從操作系統(tǒng)到應(yīng)用軟件各個(gè)

17、級別的調(diào)試。 嵌入式Linux是開放源碼的自由操作系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用需要方便地對內(nèi)核進(jìn)行修改和優(yōu)化。,05:01,21,嵌入式Linux, 支持x86、ARM、MIPS、Alpha、PowerPC等多種體系結(jié)構(gòu)，支持各種主流硬件設(shè)備和最新硬件技術(shù)。 幾乎每一種通用程序在Linux上都能找到，具有豐富的軟件資源。 Clinux主要針對沒有MMU的微處理器；RT-Linux是最早實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)支持的Linux版本；Embedix采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，方便系統(tǒng)剪裁；Hard Hat Linux是一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，可以針對硬件環(huán)境進(jìn)行配置，以獲得最佳的性能和最小的容量。,05:01,22,3.

18、Windows CE,Windows CE是一個(gè)基于優(yōu)先級的多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng),提供256個(gè)優(yōu)先級別,基本內(nèi)核至少需200KB的ROM,支持Win32API子集、支持多種用戶界面硬件、支持多種串行和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。Windows CE不是一個(gè)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 Windows CE主要包含內(nèi)核模塊、內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用接口模塊、文件系統(tǒng)模塊、圖形窗口和事件子系統(tǒng)及通信五個(gè)功能模塊。其中:內(nèi)核模塊支持進(jìn)程和線程處理及內(nèi)存管理等服務(wù)。內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用接口模塊允許應(yīng)用軟件訪問操作系統(tǒng)提供的服務(wù)。文件系統(tǒng)模塊支持DOS等格式的文件系統(tǒng)。圖形窗口和事件子系統(tǒng)模塊控制圖形顯示,并提供Windows GUI圖形界面。通信模塊

19、允許同設(shè)備進(jìn)行信息交換。 Windows CE操作系統(tǒng)集成了大量的Windows XP Professional的特性，能提供與PC機(jī)類似的桌面、任務(wù)欄、窗口、圖標(biāo)、控件等圖形界面和各種應(yīng)用程序。熟悉Windows操作系統(tǒng)的用戶可以很快地使用基于Windows CE的嵌入式設(shè)備。另外，微軟公司提供了Visual Studio.NET、Embedded Visual C+、Embedded Visual Basic等一組功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序開發(fā)工具，專門用于對Windows CE操作系統(tǒng)的開發(fā)。,05:01,23,4.C/OS-II,C/OS-II是一種免費(fèi)、開放源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、基于可搶占優(yōu)先級

20、調(diào)度的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能。C/OS-II(微控制器操作系統(tǒng)),它通常也稱為MUCOS或者UCOS。 C/OS-II內(nèi)核在2KB10KB數(shù)量級，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，主要面向中小型嵌入式系統(tǒng)。C/OS-II內(nèi)核提供最基本的系統(tǒng)服務(wù)，例如信號量、郵箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、中斷管理等。C/OS-II內(nèi)核本身并不支持文件系統(tǒng)，但它具有良好的擴(kuò)展性能，可以根據(jù)需要自行加入。C/OS-II具有良好的可移植性。C/OS-II的大部分代碼都是用C語言寫成的，只有與處理器的硬件相關(guān)的一部分代碼采用匯編

21、語言編寫。C/OS-II并不是一個(gè)商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但C/OS-II的穩(wěn)定性和實(shí)用性卻被數(shù)百個(gè)商業(yè)級的應(yīng)用所驗(yàn)證，C/OS-II已在眾多的商業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。 C/OS-II支持ARM、PowerPC、MIPS、68k/ColdFire和x86等多種體系結(jié)構(gòu),05:01,24,8.3嵌入式系統(tǒng)的任務(wù)管理,8.3.1單道程序設(shè)計(jì)和多道程序設(shè)計(jì) 8.3.2進(jìn)程、線程和任務(wù) 8.3.3任務(wù)的實(shí)現(xiàn) 8.3.4任務(wù)的調(diào)度 8.3.5實(shí)時(shí)系統(tǒng)調(diào)度,05:01,25,8.3.1單道程序設(shè)計(jì)和多道程序設(shè)計(jì),嵌入式操作系統(tǒng)可以分為單道程序設(shè)計(jì)和多道程序設(shè)計(jì)（mufti-programming）兩種類型。

22、 1單道程序設(shè)計(jì)類型 采用單道程序設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)在任何時(shí)候只能有一個(gè)程序在運(yùn)行。 例如：有兩個(gè)程序甲和乙，它們在運(yùn)行過程中都要用到CPU和I/O設(shè)備。如圖8.3.1所示，圖中我們采用不同的方框來表示這兩個(gè)程序?qū)煞N資源的使用情況，方框的長度表示使用的時(shí)間。 在單道程序設(shè)計(jì)的環(huán)境下，在任何時(shí)候，系統(tǒng)中只能有一個(gè)程序在運(yùn)行，因此，甲和乙這兩個(gè)程序只能一個(gè)接一個(gè)的執(zhí)行。如圖8.3.1所示，首先執(zhí)行程序甲，從t0時(shí)刻開始，到t6時(shí)刻結(jié)束。然后再執(zhí)行程序乙，從t6時(shí)刻開始，一直到它所有的工作都已完成。,05:01,26,2.多道程序設(shè)計(jì)類型,采用多道程序設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)允許多個(gè)程序同時(shí)存在并運(yùn)行，采用多道

23、程序技術(shù)可以有效提高系統(tǒng)資源的利用率。 在多道程序設(shè)計(jì)的環(huán)境下，允許多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)程序在訪問I/O設(shè)備時(shí)，會主動把CPU交出來，讓另一個(gè)程序去運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)資源的使用效率。如圖8.3.1所示，從t0到t1，甲在使用I/O設(shè)備，乙處于等待狀態(tài)。在到達(dá)了t1時(shí)刻后，甲釋放剛剛占用的I/O設(shè)備，交給程序乙去使用。因此，在t1到t2期間，程序甲在使用CPU，程序乙在使用I/O設(shè)備。在到達(dá)t2時(shí)刻后，乙釋放剛剛占用的I/O設(shè)備，交給程序甲去使用。因此，在t2到t3期間，甲和乙兩個(gè)程序相互交換資源，繼續(xù)執(zhí)行。同樣的情形也發(fā)生在t3時(shí)刻和t4時(shí)刻。但是在t5時(shí)刻，甲已經(jīng)使用完了I/O設(shè)備，而乙

24、仍然在使用CPU，所以甲只能處于等待狀態(tài)，等到t6時(shí)刻再交換資源。這樣一直進(jìn)行下去，在t7時(shí)刻，甲執(zhí)行完畢，在t8時(shí)刻，乙也執(zhí)行完畢。 從圖8.3.1可見，由于CPU和I/O設(shè)備的使用是并行進(jìn)行的，在總的執(zhí)行時(shí)間上要明顯少于單道程序系統(tǒng)。,05:01,27,單道程序與多道程序的運(yùn)行過程,05:01,28,8.3.2進(jìn)程、線程和任務(wù),1進(jìn)程 進(jìn)程（process）是在描述多道系統(tǒng)中并發(fā)活動過程引入的一個(gè)概念。進(jìn)程和程序是兩個(gè)既有聯(lián)系又有區(qū)別的概念，兩者不能混為一談。例如：一個(gè)程序主要由代碼和數(shù)據(jù)兩部分內(nèi)容組成。而進(jìn)程是正在執(zhí)行的程序，它是由程序和該程序的運(yùn)行上下文兩部分內(nèi)容組成。程序是靜態(tài)的，而

25、進(jìn)程是一個(gè)動態(tài)的，變化的。進(jìn)程和程序之間并不是一一對應(yīng)的。一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行的時(shí)候可以啟動一個(gè)或多個(gè)程序，同一個(gè)程序也可能由多個(gè)進(jìn)程同時(shí)執(zhí)行。程序可以以文件的形式存放在硬盤或光盤上，作為一種軟件資源長期保存。而進(jìn)程則是一次執(zhí)行過程，它是暫時(shí)的，是動態(tài)地產(chǎn)生和終止的。 一個(gè)進(jìn)程通常包含有以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： 相應(yīng)的程序：進(jìn)程是一個(gè)正在運(yùn)行的程序，有相應(yīng)程序的代碼和數(shù)據(jù)。,05:01,29,進(jìn)程,CPU上下文：程序在運(yùn)行時(shí)，CPU中含有PC（Program Counter，程序計(jì)數(shù)器）、PSW（Program Status Word, 程序狀態(tài)字）、通用寄存器、段寄存器、棧指針寄存器等各種寄存器的當(dāng)前

26、值內(nèi)容，例如：在PC中記錄的將要取出的指令的地址，在PSW中用于記錄處理器的運(yùn)行狀態(tài)信息，通用寄存器存放的數(shù)據(jù)或地址；段寄存器存放的程序中各個(gè)段的地址；棧指針寄存器記錄的棧頂?shù)漠?dāng)前位置。 一組系統(tǒng)資源：包括操作系統(tǒng)用來管理進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、進(jìn)程的內(nèi)存地址空間、進(jìn)程正在使用的文件等。 總而言之，進(jìn)程包含了正在運(yùn)行的一個(gè)程序的所有狀態(tài)信息。進(jìn)程具有動態(tài)性，進(jìn)程是一個(gè)正在運(yùn)行的程序，程序的運(yùn)行狀態(tài)都在不斷地變化，如PC寄存器的值、堆和棧的內(nèi)容、通用寄存器存放數(shù)據(jù)和地址等。進(jìn)程具有獨(dú)立性，一個(gè)進(jìn)程是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，占有計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源，每個(gè)進(jìn)程都有自己的運(yùn)行上下文和內(nèi)部狀態(tài)，在它運(yùn)行的時(shí)候獨(dú)立于其他的進(jìn)

27、程。進(jìn)程具有并發(fā)性，在系統(tǒng)中同時(shí)有多個(gè)進(jìn)程存在，它們相互獨(dú)立地運(yùn)行。,05:01,30,2.線程,線程（thread）是一個(gè)比進(jìn)程更小的能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位。所謂的線程，就是進(jìn)程當(dāng)中的一條執(zhí)行流程。 從資源組合的角度來看，進(jìn)程把一組相關(guān)的資源組合起來，構(gòu)成了一個(gè)資源平臺（資源環(huán)境），其中包括運(yùn)行上下文、內(nèi)存地址空間、打開的文件等。從程序運(yùn)行的角度來看，進(jìn)程就是一個(gè)正在運(yùn)行的程序，在圖8.3.2中用一條帶有箭頭的線段來表示?？梢园堰M(jìn)程看成是程序代碼在這個(gè)資源平臺上的一條執(zhí)行流程（線程），也就是可以認(rèn)為進(jìn)程等于線程加上資源平臺。 在一個(gè)進(jìn)程當(dāng)中，或者說在一個(gè)資源平臺上，可以同時(shí)存在多個(gè)線程?？梢杂?/p>

28、線程來作為CPU的基本調(diào)度單位，使得各個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。對于同一個(gè)進(jìn)程當(dāng)中的各個(gè)線程來說，運(yùn)行在相同的資源平臺上，可以共享該進(jìn)程的大部分資源（如內(nèi)存地址空間、代碼、數(shù)據(jù)、文件等），但也有一小部分資源是不能共享的，每個(gè)線程都必須擁有各自獨(dú)立的一份（如CPU運(yùn)行上下文（如PC寄存器、PSW寄存器、通用寄存器和棧指針等）和棧）。,05:01,31,線程與進(jìn)程的資源關(guān)系,05:01,32,3.任務(wù),在一些嵌入式系統(tǒng)中，把能夠獨(dú)立運(yùn)行的實(shí)體稱為“任務(wù)”（task），并沒有使用“進(jìn)程”或“線程”這兩個(gè)概念。任務(wù)到底是進(jìn)程還是線程，在研究一個(gè)具體的嵌入式操作系統(tǒng)的時(shí)候，要注意加以區(qū)分。 在任務(wù)的創(chuàng)建過

29、程需要定義的主要參數(shù)有任務(wù)的優(yōu)先級、棧空間的大小和函數(shù)名。任務(wù)具有獨(dú)立的優(yōu)先級和棧空間，CPU上下文一般也是存放在?？臻g中。對于不同的任務(wù)，它們也能夠訪問相同的全局變量，在這些任務(wù)之間，可以很方便地、直接地去使用共享的內(nèi)存，而不需要經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)核來進(jìn)行通信。 通常認(rèn)為，在嵌入式操作系統(tǒng)中“任務(wù)”就是線程，如在VxWorks、C/OS-II、 Jbed、嵌入式Linux等嵌入式操作系統(tǒng)中。,05:01,33,8.3.3任務(wù)的實(shí)現(xiàn),1任務(wù)的層次結(jié)構(gòu) 任務(wù)的層次結(jié)構(gòu)如圖8.3.3所示。在多道程序的嵌入式操作系統(tǒng)中，同時(shí)存在著多個(gè)任務(wù)，嵌入式內(nèi)核啟動時(shí)，只有一個(gè)任務(wù)存在，然后由該任務(wù)派生出其他所有任務(wù)，

30、這些任務(wù)采用層狀結(jié)構(gòu)，存在著父子關(guān)系。,05:01,34,2.任務(wù)的創(chuàng)建與終止,（1）任務(wù)的創(chuàng)建 在一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)中，在系統(tǒng)初始化、任務(wù)運(yùn)行過程中、人機(jī)交互等過程中都可以創(chuàng)建任務(wù)。 在系統(tǒng)初始化時(shí)，一般都會創(chuàng)建系統(tǒng)與用戶進(jìn)行交互的一些前臺任務(wù)，以及完成鍵盤掃描、系統(tǒng)狀態(tài)檢測、時(shí)間統(tǒng)計(jì)等一些特定功能的后臺任務(wù)。在任務(wù)運(yùn)行過程中，也能夠使用相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建新的任務(wù)，以幫助它完成自己的工作。在一些具有交互功能的嵌入式系統(tǒng)中，用戶可以通過輸入命令或單擊圖標(biāo)的方式，讓系統(tǒng)啟動一個(gè)新的任務(wù)。 創(chuàng)建任務(wù)的基本方法是在一個(gè)已經(jīng)存在的任務(wù)當(dāng)中，通過調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)函數(shù)來創(chuàng)建一個(gè)新的任務(wù)。 在嵌入式操作系統(tǒng)

31、當(dāng)中，任務(wù)的創(chuàng)建主要采用fork/exec和spawn兩種模型。fork/exec模型源于IEEE/ISO POSIX 1003.1標(biāo)準(zhǔn)，而spawn模型是從它派生出來的。,05:01,35,任務(wù)的創(chuàng)建,兩種模型創(chuàng)建任務(wù)的過程非常相似，包括為新任務(wù)分配相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存放各種管理信息，分配內(nèi)存空間，存放任務(wù)的代碼和數(shù)據(jù)。當(dāng)這個(gè)新任務(wù)準(zhǔn)備就緒后，就可以啟動它運(yùn)行了。 在fork/exec模型，首先調(diào)用fork函數(shù)為新任務(wù)創(chuàng)建一份與父任務(wù)完全相同的內(nèi)存空間，然后再調(diào)用exec函數(shù)裝入新任務(wù)的代碼，并用它來覆蓋原有的屬于父任務(wù)的內(nèi)容。對于新創(chuàng)建的子任務(wù)來說，它可以從父任務(wù)那里繼承代碼、數(shù)據(jù)等各種屬性

32、。而spawn模型在創(chuàng)建新任務(wù)的時(shí)，直接為它分配一個(gè)全新的地址空間，然后將新任務(wù)的代碼裝入并運(yùn)行。,05:01,36,(2)任務(wù)的終止,任務(wù)的終止可能有多種原因，正常退出、錯(cuò)誤退出、被其他任務(wù)踢出等情況可以使任務(wù)終止。 當(dāng)一個(gè)任務(wù)完成了所有的工作，需要結(jié)束運(yùn)行，提出退出要求，稱為正常退出。 當(dāng)一個(gè)任務(wù)在執(zhí)行過程中，出現(xiàn)了致命的錯(cuò)誤（例如執(zhí)行了非法指令、內(nèi)存訪問錯(cuò)誤等），系統(tǒng)中止該任務(wù)的運(yùn)行，強(qiáng)制性地讓該任務(wù)退出，稱為錯(cuò)誤退出。 在一些操作系統(tǒng)中可以提供一些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，用來把一個(gè)任務(wù)從系統(tǒng)中清除出局，稱為被其他任務(wù)踢出。 在一些嵌入式系統(tǒng)中，某些任務(wù)被設(shè)計(jì)為“死循環(huán)”的模式，任務(wù)不會自行終止。

33、,05:01,37,3.任務(wù)的狀態(tài),在多道程序系統(tǒng)中，任務(wù)是獨(dú)立運(yùn)行的實(shí)體，需要競爭系統(tǒng)資源，而任務(wù)所擁有的資源是在不斷變化中的，使得任務(wù)的狀態(tài)也在不斷的變化。一般來說，任務(wù)具有運(yùn)行（running）、就緒（ready）和阻塞（blocked）三種基本狀態(tài)。 任務(wù)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)占有CPU并在CPU上運(yùn)行，在任何一個(gè)時(shí)刻，處于運(yùn)行狀態(tài)的任務(wù)個(gè)數(shù)必須小于或等于CPU的數(shù)目。如果在一個(gè)系統(tǒng)中只有一個(gè)CPU的話，那么最多只能有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。 當(dāng)一個(gè)任務(wù)已具備運(yùn)行條件，但由于CPU正在運(yùn)行其他的任務(wù)，暫時(shí)不能運(yùn)行該任務(wù)時(shí)，稱為就緒狀態(tài)。不過，只要把CPU分給該任務(wù)，它就能夠立刻執(zhí)行。,05:01,

34、38,任務(wù)的狀態(tài),任務(wù)因?yàn)檎诘却撤N事件的發(fā)生而暫時(shí)不能運(yùn)行稱為阻塞狀態(tài)，也叫等待狀態(tài)。此時(shí)，即使CPU已經(jīng)空閑下來了，該任務(wù)也還是不能運(yùn)行。 如圖8.3.4所示，在一定條件下，任務(wù)會在不同的狀態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，存在運(yùn)行阻塞、運(yùn)行就緒、就緒運(yùn)行、阻塞就緒四種轉(zhuǎn)換關(guān)系。,05:01,39,4.任務(wù)控制塊,TCB（Task Control Block，任務(wù)控制塊）是在操作系統(tǒng)當(dāng)中用來描述和管理一個(gè)任務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過對各個(gè)任務(wù)的TCB的操作來實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理。利用TCB這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以描述任務(wù)的基本情況，以及它的運(yùn)行變化過程?？梢园裈CB看成是任務(wù)存在的唯一標(biāo)志。當(dāng)需要創(chuàng)建一個(gè)新任務(wù)的時(shí)候，就為它生成

35、一個(gè)TCB，并初始化這個(gè)TCB的內(nèi)容；當(dāng)需要終止一個(gè)任務(wù)的時(shí)候，只要回收它的TCB即可。對任務(wù)的組織和管理可以通過對它們的TCB的組織和管理來實(shí)現(xiàn)。TCB主要包括任務(wù)的管理信息、CPU上下文信息、資源管理信息等內(nèi)容。,05:01,40,任務(wù)控制塊,（1）任務(wù)的管理信息 任務(wù)的管理信息包括任務(wù)的標(biāo)識ID、任務(wù)的狀態(tài)、任務(wù)的優(yōu)先級、任務(wù)的調(diào)度信息、任務(wù)的時(shí)間統(tǒng)計(jì)信息、各種隊(duì)列指針等。 （2）CPU上下文信息 CPU上下文信息包括通用寄存器、PC寄存器、程序狀態(tài)字、棧指針等各種CPU寄存器的當(dāng)前值。在實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)中，CPU上下文信息不一定直接存放在TCB當(dāng)中，而是存放在任務(wù)的棧當(dāng)中，可以通過相應(yīng)

36、的棧指針來訪問。 （3）資源管理信息 在操作系統(tǒng)中，任務(wù)表示的是進(jìn)程，則還應(yīng)包含一些資源管理方面的信息，如段表地址、頁表地址等存儲管理方面的信息，根目錄、文件描述字等文件管理方面的信息。,05:01,41,5.任務(wù)切換,任務(wù)切換（context switching）是指一個(gè)任務(wù)正在CPU上運(yùn)行，由于某種原因，系統(tǒng)需要調(diào)度另一個(gè)任務(wù)去運(yùn)行，那么這時(shí)就需要進(jìn)行把當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)行上下文保存起來，并設(shè)置新任務(wù)的上下文，這一過程稱為任務(wù)切換。 任務(wù)切換通常包含有以下幾個(gè)基本步驟： （1）將處理器的運(yùn)行上下文保存在當(dāng)前任務(wù)的TCB中； （2）更新當(dāng)前任務(wù)的狀態(tài)，從運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)或阻塞狀態(tài)。 （3）按照

37、一定的策略，從所有處于就緒狀態(tài)的任務(wù)中選擇一個(gè)去運(yùn)行。 （4）修改新任務(wù)的狀態(tài)，從就緒狀態(tài)變成運(yùn)行狀態(tài)。 （5）根據(jù)新任務(wù)的TCB的內(nèi)容，恢復(fù)它的運(yùn)行上下文環(huán)境。,05:01,42,6.任務(wù)隊(duì)列,在一個(gè)多任務(wù)的操作系統(tǒng)中，各個(gè)任務(wù)的狀態(tài)是經(jīng)常變化的，有時(shí)處于運(yùn)行狀態(tài)，有時(shí)處于就緒狀態(tài)，有時(shí)又處于阻塞狀態(tài)。通常采用任務(wù)隊(duì)列的方式來組織它的所有任務(wù)，以提高對這些任務(wù)的管理效率。 操作系統(tǒng)用一組隊(duì)列來表示系統(tǒng)當(dāng)中所有任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)。例如，處于運(yùn)行狀態(tài)的所有任務(wù)構(gòu)成了運(yùn)行隊(duì)列，處于就緒狀態(tài)的所有任務(wù)構(gòu)成了就緒隊(duì)列，而對于處于阻塞狀態(tài)的任務(wù)，則要根據(jù)它們阻塞的原因，分別構(gòu)成相應(yīng)的阻塞隊(duì)列。不同的狀態(tài)用不

38、同的隊(duì)列來表示。然后，對于系統(tǒng)當(dāng)中的每一個(gè)任務(wù)，根據(jù)它的狀態(tài)把它的TCB加入到相應(yīng)的隊(duì)列當(dāng)中去。如果一個(gè)任務(wù)的狀態(tài)發(fā)生變化，就要把它的TCB從一個(gè)狀態(tài)隊(duì)列中脫離出來，加入到另一個(gè)隊(duì)列當(dāng)中去。,05:01,43,8.3.4任務(wù)的調(diào)度,1任務(wù)調(diào)度概述 在多道程序操作系統(tǒng)中，當(dāng)有兩個(gè)或多個(gè)任務(wù)同時(shí)處于就緒狀態(tài)時(shí)，而系統(tǒng)中只有一個(gè)CPU而且這個(gè)CPU己經(jīng)空閑下來了，就會出現(xiàn)多個(gè)任務(wù)同時(shí)去競爭這個(gè)CPU的情況。通常利用調(diào)度器（scheduler）選擇就緒隊(duì)列中的那些任務(wù)中的一個(gè)去運(yùn)行，調(diào)度器是CPU這個(gè)資源的管理者。調(diào)度器在決策過程中所采用的算法稱為調(diào)度算法。 一般來說，在一個(gè)新的任務(wù)被創(chuàng)建時(shí)、在一個(gè)任

39、務(wù)運(yùn)行結(jié)束時(shí)、在一個(gè)任務(wù)由于I/O操作、信號量或其他原因被阻塞時(shí)、在一個(gè)I/O中斷發(fā)生時(shí)、在一個(gè)時(shí)鐘中斷發(fā)生時(shí)這五種調(diào)度時(shí)機(jī)都可能會發(fā)生任務(wù)的調(diào)度。,05:01,44,任務(wù)調(diào)度概述,任務(wù)調(diào)度存在可搶占調(diào)度(preemptive)和不可搶占調(diào)度(nonpreemptive）兩種調(diào)度方式。 （1）在可搶占調(diào)度方式，當(dāng)一個(gè)任務(wù)正在運(yùn)行的時(shí)候，出現(xiàn)調(diào)度時(shí)機(jī)當(dāng)中的五種情況之一，都有可能會發(fā)生調(diào)度。調(diào)度程序可以去打斷它，并安排另外的任務(wù)去運(yùn)行。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)大都采用可搶占的調(diào)度方式。 （2）在不可搶占調(diào)度方式，一個(gè)任務(wù)長時(shí)間地占用著CPU系統(tǒng)也不會強(qiáng)制它中止。當(dāng)出現(xiàn)新任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)運(yùn)行結(jié)束及任務(wù)被阻塞的調(diào)度

40、時(shí)機(jī)時(shí)，有可能會發(fā)生調(diào)度。而對于發(fā)生的各種中斷，并不會去調(diào)用調(diào)度程序，而是在中斷處理完成后，又會回到剛才被打斷的任務(wù)中繼續(xù)執(zhí)行。,05:01,45,調(diào)度算法, 調(diào)度器為一個(gè)就緒任務(wù)進(jìn)行上下文切換時(shí)所需的時(shí)間，以及任務(wù)在就緒隊(duì)列中的等待時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間（response time）。 一個(gè)任務(wù)從提交到完成所經(jīng)歷的時(shí)間稱為周轉(zhuǎn)時(shí)間(turnaround time)。 調(diào)度器在做出調(diào)度決策時(shí)所需時(shí)間和空間開銷稱調(diào)度開銷(overhead)。 公平性（fairness ）是指大致相當(dāng)?shù)膬蓚€(gè)任務(wù)所得到的CPU時(shí)間也應(yīng)該是大致相同的。另外，要防止饑餓（starvation）情況出現(xiàn)，即某一個(gè)任務(wù)始終得不到

41、處理器去運(yùn)行。 均衡性（balance）是指要盡可能使整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分（CPU，I/O）都忙起來，提高系統(tǒng)資源的使用效率。 單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)量稱為吞吐量（throughput ）。 對于一個(gè)調(diào)度算法來說，這些指標(biāo)中一些是共存的，而另一些是相互牽制的，這些指標(biāo)不可能全部都實(shí)現(xiàn)，而是需要根據(jù)系統(tǒng)的要求，綜合權(quán)衡和折中選擇。,05:01,46,2.先來先服務(wù)算法,FCFS（First Come First Served，先來先服務(wù)算法）是一種最簡單的調(diào)度算法。 FCFS的基本思想就是按照任務(wù)到達(dá)的先后次序來進(jìn)行調(diào)度，它是一種不可搶占的調(diào)度方式。FCFS也叫做FIFO（First In Fir

42、st Out，先進(jìn)先出算法）。 FCFS的最大優(yōu)點(diǎn)就是簡單，易于理解也易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是一批任務(wù)的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間取決于各個(gè)任務(wù)到達(dá)的順序，如果短任務(wù)位于長任務(wù)之后，那么將增大平均周轉(zhuǎn)時(shí)間。,05:01,47,3.短作業(yè)優(yōu)先算法,在SJF（Shortest Job First，短作業(yè)優(yōu)先算法）中，在各個(gè)任務(wù)在開始執(zhí)行前，事先預(yù)計(jì)好各任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，調(diào)度算法根據(jù)這些預(yù)計(jì)時(shí)間，安排執(zhí)行時(shí)間較短的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行?？梢宰C明，對于一批同時(shí)到達(dá)的任務(wù)，采用SJF算法將得到一個(gè)最小的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間。 SJF算法有不可搶占方式和可搶占方式兩種實(shí)現(xiàn)方案。在不可搶占方式，只有任務(wù)運(yùn)行完畢或者是被阻塞時(shí)，才會讓出CPU進(jìn)行新

43、的調(diào)度。而在可搶占方式，當(dāng)前任務(wù)正在運(yùn)行的時(shí)候，來了一個(gè)比它執(zhí)行時(shí)間更短的任務(wù)，而且它的運(yùn)行時(shí)間要小于當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)的剩余時(shí)間，那么這個(gè)新任務(wù)就會搶占CPU去運(yùn)行。這種方法也稱為SRTF（Shortest Remaining Time First，最短剩余時(shí)間優(yōu)先算法） 不可搶占的SJF算法如圖8.3.5所示，由于任務(wù)T3的執(zhí)行時(shí)間最短，所以首先被調(diào)度運(yùn)行，其次是T1和T2。,05:01,48,4.時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法,RR算法如圖8.3.6所示。在RR（Round Robin，時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法）中，把系統(tǒng)當(dāng)中的所有就緒任務(wù)按照先來先服務(wù)的原則進(jìn)行排列，然后，在每次調(diào)度的時(shí)候，處理器分派給隊(duì)列當(dāng)中

44、的第一個(gè)任務(wù)一小段CPU執(zhí)行時(shí)間（time slice，時(shí)間片）。當(dāng)這個(gè)時(shí)間片結(jié)束的時(shí)候，如果任務(wù)還沒有執(zhí)行完的話，將會發(fā)生時(shí)鐘中斷，調(diào)度器將會暫停當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行，并把這個(gè)任務(wù)送到就緒隊(duì)列的末尾，然后再執(zhí)行當(dāng)前的隊(duì)列的第一個(gè)任務(wù)。如果一個(gè)任務(wù)在分配給它的時(shí)間片結(jié)束前就已經(jīng)運(yùn)行結(jié)束了或者是被阻塞了，那么它就會立即讓出CPU給其他的任務(wù)。 采用RR算法，各個(gè)就緒任務(wù)平均地分配CPU的使用時(shí)間，例如有n個(gè)就緒任務(wù)，那么每個(gè)任務(wù)將得到1/n的CPU時(shí)間。 采用RR算法時(shí)，時(shí)間片q既不能太大，也不能太小。q太大，每個(gè)任務(wù)都在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)完成，這就失去了RR算法的意義。如果q太小，每個(gè)任務(wù)都需要更多的時(shí)間

45、片才能運(yùn)行完，增加了在任務(wù)之間的切換次數(shù)，增大了系統(tǒng)的管理開銷，降低了CPU的使用效率。,05:01,49,時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法示意圖,05:01,50,5.優(yōu)先級算法,優(yōu)先級調(diào)度算法中，給每一個(gè)任務(wù)設(shè)置一個(gè)優(yōu)先級，然后在任務(wù)調(diào)度的時(shí)候，在所有處于就緒狀態(tài)的任務(wù)中選擇優(yōu)先級最高的那個(gè)任務(wù)去運(yùn)行。例如，在短作業(yè)優(yōu)先算法中，以時(shí)間為優(yōu)先級，運(yùn)行時(shí)間越短，優(yōu)先級越高。 優(yōu)先級算法分可搶占和不可搶占兩種方式?？蓳屨挤绞街?，當(dāng)一個(gè)任務(wù)正在運(yùn)行時(shí)，如來了一個(gè)新的任務(wù)，其優(yōu)先級更高，則立即搶占CPU去運(yùn)行這個(gè)新任務(wù)。而不可搶占方式則是需要等當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行完后再決定。 可以采用靜態(tài)方式和動態(tài)方式確定任務(wù)的優(yōu)先級。靜態(tài)

46、優(yōu)先級方式根據(jù)任務(wù)的類型或重要性，在創(chuàng)建任務(wù)的時(shí)候就確定任務(wù)的優(yōu)先級，并且一直保持不變直到任務(wù)結(jié)束。動態(tài)優(yōu)先級方式在創(chuàng)建任務(wù)的時(shí)候確定任務(wù)的優(yōu)先級，但是該優(yōu)先級可以在任務(wù)的運(yùn)行過程中動態(tài)改變，以便獲得更好的調(diào)度性能。動態(tài)優(yōu)先級方式可以克服在靜態(tài)優(yōu)先級方式中高優(yōu)先級的任務(wù)一直占用著CPU，而那些低優(yōu)先級的任務(wù)可能會長時(shí)間地得不到CPU的情況。 在優(yōu)先級算法中，對于優(yōu)先級相同的兩個(gè)任務(wù)，通常是把任務(wù)按照不同的優(yōu)先級進(jìn)行分組，然后在不同組的任務(wù)之間使用優(yōu)先級算法，而在同一組的各個(gè)任務(wù)之間使用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法。,05:01,51,8.3.5實(shí)時(shí)系統(tǒng)調(diào)度,許多嵌入式操作系統(tǒng)都是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），實(shí)時(shí)

47、系統(tǒng)的調(diào)度追求的是實(shí)時(shí)性，RTOS調(diào)度器要讓每個(gè)任務(wù)都在其最終時(shí)間期限（deadline）之前完成，而各任務(wù)之間的公平性并不是最重要的指標(biāo)。RTOS調(diào)度器多采用基于優(yōu)先級的可搶占調(diào)度算法。,05:01,52,1.RTOS任務(wù)模型,RTOS任務(wù)模型如下圖，模型中，每一個(gè)任務(wù)用一個(gè)三元組來表示（執(zhí)行時(shí)間、周期、時(shí)間期限）。其中：執(zhí)行時(shí)間E(i)是指對于第i個(gè)任務(wù)，當(dāng)它所需要的資源都己具備時(shí)，它的執(zhí)行所需要的最長時(shí)間。周期(period)P(i)是指第i個(gè)任務(wù)的連續(xù)兩次運(yùn)行之間的最小時(shí)間間隔。時(shí)間期限是指D(i)第i個(gè)任務(wù)所允許的最大響應(yīng)時(shí)間(從任務(wù)啟動到運(yùn)行結(jié)束所需的時(shí)間)。一般來說，一個(gè)任務(wù)的周

48、期時(shí)間同時(shí)也是它的時(shí)間期限，因?yàn)樵撊蝿?wù)必須在它的下一個(gè)周期開始之前，完成此次運(yùn)行。啟動時(shí)間t(i)是指第i個(gè)任務(wù)的第i次執(zhí)行的開始時(shí)間。,05:01,53,2.單調(diào)速率調(diào)度算法,單調(diào)速率調(diào)度算法是一種靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法。 RMS算法假設(shè)：所有的任務(wù)都是周期性任務(wù)；任務(wù)的時(shí)間期限等于它的周期；任務(wù)在每個(gè)周期內(nèi)的執(zhí)行時(shí)間是一個(gè)常量；任務(wù)之間不進(jìn)行通信，也不需要同步；任務(wù)可以在任何位置被搶占，不存在臨界區(qū)的問題。 RMS算法的基本思路是任務(wù)的優(yōu)先級與它的周期表現(xiàn)為單調(diào)函數(shù)的關(guān)系，任務(wù)的周期越短，優(yōu)先級越高；任務(wù)的周期越長，優(yōu)先級越低。 RMS算法是一種最優(yōu)調(diào)度算法。如果存在一種基于靜態(tài)優(yōu)先級的調(diào)度順

49、序，使得每個(gè)任務(wù)都能在其期限時(shí)間內(nèi)完成，那么 RMS算法總能找到這樣的一種可行的調(diào)度方案。 在任務(wù)比較多的情況下，RMS可調(diào)度的CPU使用率上限為ln20.69，CPU使用率如此低，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說是不可接受的。另外，在一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)中，任務(wù)之間通常都需要進(jìn)行通信和同步。,05:01,54,3.最早期限優(yōu)先算法,最早期限優(yōu)先（Earliest Deadline First,EDF）調(diào)度算法是一種動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法。 EDF算法的基本思路是：根據(jù)任務(wù)的截止時(shí)間來確定其優(yōu)先級，對于時(shí)間期限最近的任務(wù)，分配最高的優(yōu)先級。當(dāng)有一個(gè)新的任務(wù)處于就緒狀態(tài)時(shí)，各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級就有可能要進(jìn)行調(diào)整。 EDF算

50、法假設(shè)條件除了它不要求系統(tǒng)中的任務(wù)都必須是周期任務(wù)外，其他的假設(shè)條件與RMS相同。 EDF算法可調(diào)度上限為100。對于給定的一組任務(wù)，只要它們的CPU使用率小于或等于1，EDF就能找到合適的調(diào)度順序，使得每個(gè)任務(wù)都能在自己的時(shí)間期限內(nèi)完成。,05:01,55,8.4嵌入式系統(tǒng)的存儲管理,8.4.1嵌入式存儲管理方式的特點(diǎn)8.4.2存儲管理的實(shí)模式與保護(hù)模式8.4.3分區(qū)存儲管理8.4.4地址映射8.4.5頁式存儲管理8.4.6虛擬頁式存儲管理,05:01,56,8.4.1嵌入式存儲管理方式的特點(diǎn),嵌入式系統(tǒng)的存儲管理方式與系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域及硬件環(huán)境密切相關(guān)，不同的嵌入式系統(tǒng)采用不同的存儲管理

51、方式，需要考慮硬件條件、實(shí)時(shí)性要求、系統(tǒng)規(guī)模、可靠性要求等因素。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求直接影響到存儲管理的實(shí)現(xiàn)方式，為了確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，快速和確定是內(nèi)存管理的基本要求，即在存儲管理方面的開銷不能太大，對于每一項(xiàng)工作都要有明確的實(shí)時(shí)約束，即必須在某個(gè)限定的時(shí)刻之前完成。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，存儲管理方法就比較簡單，甚至不提供存儲管理功能。而對一些實(shí)時(shí)性要求不高，可靠性要求比較高、比較復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)對操作系統(tǒng)或任務(wù)的保護(hù)，在存儲管理方式上就相對較為復(fù)雜。,05:01,57,嵌入式存儲管理方式的特點(diǎn),在嵌入式微處理器中，MMU（Memory Management Unit, 存儲管理單元）提供了一種內(nèi)

52、存保護(hù)的硬件機(jī)制。內(nèi)存保護(hù)用來防止地址越界和操作越權(quán)。采用內(nèi)存保護(hù)機(jī)制的每個(gè)應(yīng)用程序都有自己獨(dú)立的地址空間，當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序要訪問某個(gè)內(nèi)存單元時(shí)，由硬件檢查該地址是否在限定的地址空間內(nèi)，如果不是的話就要進(jìn)行地址越界處理；二是防對于允許多個(gè)應(yīng)用程序共享的某塊存儲區(qū)域，每個(gè)應(yīng)用程序都有自己的訪問權(quán)限，如果違反了權(quán)限規(guī)定，則要進(jìn)行操作越權(quán)處理。 操作系統(tǒng)通常利用MMU來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)核與應(yīng)用程序的隔離，以及應(yīng)用程序與應(yīng)用程序之間的隔離。防止應(yīng)用程序去破壞操作系統(tǒng)和其他應(yīng)用程序的代碼和數(shù)據(jù)，防止應(yīng)用程序?qū)τ布闹苯釉L問。MMU通常只在一些對安全性和可靠性的要求比較高、系統(tǒng)比較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中存在。,05:

53、01,58,8.4.2存儲管理的實(shí)模式與保護(hù)模式,實(shí)模式和保護(hù)模式是嵌入式操作系統(tǒng)中常見的兩個(gè)存儲管理方式。 1實(shí)模式存儲管理 實(shí)模式存儲管理中,不使用MMU；不劃分“系統(tǒng)空間”和“用戶空間”，整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)地址空間，即物理內(nèi)存地址空間；應(yīng)用程序和系統(tǒng)程序都能直接對內(nèi)存單元隨意訪問，無須進(jìn)行地址映射；操作系統(tǒng)的內(nèi)核與外圍應(yīng)用程序在編譯連接后,兩者通常被集成在同一個(gè)系統(tǒng)文件中;系統(tǒng)中的 “任務(wù)”或“進(jìn)程”均是內(nèi)核線程,只有運(yùn)行上下文和棧是獨(dú)享的,其他資源都是共享的。 在實(shí)模式存儲管理方式中，系統(tǒng)的內(nèi)存地址空間一般可以分為text、data、bss、堆、棧五個(gè)部分。其中：.text:（代碼段）用

54、來存放操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的所有代碼。.data:（數(shù)據(jù)段）用來存放操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序當(dāng)中所有帶有初始值的全局變量。.bss:用來存放操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序當(dāng)中所有未帶初始值的全局變量。堆為動態(tài)分配的內(nèi)存空間，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以通過類似于malloc/free之類的函數(shù)來申請或釋放一段連續(xù)的內(nèi)存空間。棧用來保存運(yùn)行上下文以及函數(shù)調(diào)用時(shí)的局部變量和運(yùn)行參數(shù)。 對于實(shí)時(shí)系統(tǒng)來說，實(shí)模式方案簡單、存儲管理的開銷確定，比較適合于規(guī)模較小、簡單和實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是沒有存儲保護(hù)、安全性差，在應(yīng)用程序中出現(xiàn)的任何一個(gè)小錯(cuò)誤或蓄意攻擊都有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。,05:01,59,2.保護(hù)模式存儲管理,

55、在保護(hù)模式存儲管理方式中，微處理器必須具有MMU硬件并啟用它。 在保護(hù)模式存儲管理方式中，系統(tǒng)內(nèi)核和用戶程序有各自獨(dú)立的地址空間，操作系統(tǒng)和MMU共同完成邏輯地址到物理地址的映射；每個(gè)應(yīng)用程序只能訪問自己的地址空間，對于共享的內(nèi)存區(qū)域，也必須按照規(guī)定的權(quán)限規(guī)則來訪問，具有存儲保護(hù)功能。 保護(hù)模式存儲管理方式的安全性和可靠性較好，適合于規(guī)模較大、較復(fù)雜和實(shí)時(shí)性要求不太高的系統(tǒng)。,05:01,60,8.4.3分區(qū)存儲管理,分區(qū)存儲管理適合在多道程序操作系統(tǒng)中應(yīng)用。分區(qū)存儲管理把整個(gè)內(nèi)存劃分為系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)兩大區(qū)域，然后再把用戶區(qū)劃分為若干個(gè)分區(qū)，可以同時(shí)有多個(gè)任務(wù)在系統(tǒng)中運(yùn)行，每個(gè)任務(wù)都有各自的地

56、址空間。 分區(qū)存儲管理又可以分為固定分區(qū)和可變分區(qū)兩類。 1.固定分區(qū)存儲管理 采用固定分區(qū)存儲管理方法時(shí)，各個(gè)用戶分區(qū)的個(gè)數(shù)、位置和大小一旦確定后，就固定不變，不能再修改了。為了滿足不同程序的存儲需要，各個(gè)分區(qū)的大小可以是相等的，也可以是不相等的。 固定分區(qū)存儲管理方法的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的開銷比較小，空閑空間的管理、內(nèi)存的分配和回收算法都非常簡單。其缺點(diǎn)是內(nèi)存的利用率不高，在任務(wù)所占用的分區(qū)內(nèi)部未被利用的空間的碎片（內(nèi)碎片）會造成很大的浪費(fèi)；分區(qū)的總數(shù)是固定的，限制了并行執(zhí)行的程序個(gè)數(shù)，N個(gè)分區(qū)最多只能有N個(gè)任務(wù)在同時(shí)運(yùn)行。,05:01,61,2.可變分區(qū)存儲管理,采用可變分區(qū)存儲管理方

57、法時(shí)，各分區(qū)不是預(yù)先劃分好的固定區(qū)域，而是系統(tǒng)動態(tài)創(chuàng)建的。系統(tǒng)生成后，操作系統(tǒng)會占用內(nèi)存的一部分空間，通常放在內(nèi)存地址的最低端，其余的空間成為一個(gè)完整的大空閑區(qū)。在裝入一個(gè)程序時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)它的需求和內(nèi)存空間的使用情況，從這個(gè)空閑區(qū)中劃出一塊來，分配給它，當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束后會釋放所占用的存儲區(qū)域。系統(tǒng)通過對內(nèi)存的分配和回收，將一個(gè)完整的空閑區(qū)劃分成若干個(gè)占用區(qū)和空閑區(qū)。 與固定分區(qū)相比，可變分區(qū)存儲管理的分區(qū)的個(gè)數(shù)、位置和大小都是隨著任務(wù)的進(jìn)出而動態(tài)變化的，非常靈活。每個(gè)分區(qū)都是按需分配的，分區(qū)的大小正好等于任務(wù)的大小。這樣就避免了在固定分區(qū)當(dāng)中由于分區(qū)的大小不當(dāng)所造成的內(nèi)碎片，從而提高了內(nèi)存的利

58、用效率。但可變分區(qū)存儲管理也可能會存在外碎片。所謂的外碎片，就是在各個(gè)占用的分區(qū)之間，難以利用的一些空閑分區(qū)。外碎片通常是一些比較小的空閑分區(qū)。 在具體實(shí)現(xiàn)可變分區(qū)存儲管理技術(shù)的時(shí)候，需要考慮內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)存的分配算法以及內(nèi)存的回收算法三個(gè)方面的問題。,05:01,62,可變分區(qū)存儲管理,在內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)會維護(hù)一個(gè)分區(qū)鏈表，來跟蹤記錄每一個(gè)內(nèi)存分區(qū)的情況，包括分區(qū)的狀態(tài)(已分配或空閑)、起始地址、長度等。 在內(nèi)存的分配算法上，當(dāng)一個(gè)新任務(wù)來到時(shí)，需要為它尋找一個(gè)空閑分區(qū)，其大小必須大于或等于該任務(wù)的要求。若是大于要求，則將該分區(qū)分割成兩個(gè)小分區(qū)，其中一個(gè)分區(qū)為要求的大小并標(biāo)

59、記為“占用”，另一個(gè)分區(qū)為余下部分并標(biāo)記為“空閑”。選擇分區(qū)的先后次序一般是從內(nèi)存低端到高端。通常的分區(qū)分配算法有：最先匹配法（first-fit）、下次匹配法（next-fit）、最佳匹配法( best-fit）和最壞匹配法（worst-fit）。 在內(nèi)存的回收算法上，當(dāng)一個(gè)任務(wù)運(yùn)行結(jié)束，并釋放它所占用的分區(qū)后，如果該分區(qū)的左右鄰居也是空閑分區(qū)，則需要將它們合并為一個(gè)大的空閑分區(qū)。與此相對應(yīng)，在分區(qū)鏈表上，也要將相應(yīng)的鏈接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并，并對其內(nèi)容進(jìn)行更新。,05:01,63,8.4.4地址映射,1物理地址和邏輯地址 地址映射涉及到物理地址和邏輯地址兩個(gè)基本概念。 （1）物理地址（physical address） 物理地址也叫內(nèi)存地址、絕對地址或?qū)嵉刂贰⑾到y(tǒng)內(nèi)存分割成很多個(gè)大小相等的存儲單元，如字節(jié)或字，每個(gè)單元給它一個(gè)編號，這個(gè)編號就稱為物理地址。操作時(shí)只有通過物理地址，才能對內(nèi)存單元進(jìn)行直接訪問。物理地址的集合就稱為物理地址空間，或者內(nèi)存地址空間。物理地址是一個(gè)一維的線性空間，例如，一個(gè)內(nèi)存的大小為256MB，那么它的內(nèi)存地址空間是從0 x0到0 x0FFFFFFF。,05:01,64,(2)邏輯地址,邏輯地址也叫相對地址或虛地址。用戶的程序經(jīng)過匯編或編譯后形成目標(biāo)代碼，而這些目標(biāo)代碼通常采用的就是相對地址的形式，其首地址為0，其余指令中的地址都是相對于這個(gè)首