浙江大学嵌入式嵌入式系统.pptx
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1、课件1嵌入式系统软件课件21.嵌入式操作系统n n嵌入式操作系统是个集合,而且是个无限集合监控程序监控程序常规操作系统常规操作系统(红外线红外线 紫外线紫外线)一维和多维一维和多维课件3n n嵌入式操作系统常常有实时要求早期早期:嵌入式操作系统嵌入式操作系统=实时操作系统实时操作系统近期近期:1)1)手持计算机和掌上计算机的出现手持计算机和掌上计算机的出现;2)CPU2)CPU速度的提高速度的提高;3)3)常规操作系统增加实时进程调度的支持常规操作系统增加实时进程调度的支持,如如POSIX.4POSIX.4嵌入式操作系统实时操作系统课件4n n许多嵌入式操作系统的内核是微内核结构n n许多嵌入
2、式操作系统都不带磁盘根本不支持文件系统根本不支持文件系统结构上为了设备驱动而支持文件系统,但不结构上为了设备驱动而支持文件系统,但不支持文件系统的文件存储功能支持文件系统的文件存储功能课件5n n许多嵌入式操作系统不采用存储管理技术,即不支持虚拟存储技术n n许多嵌入式操作系统不划分“系统空间”和“用户空间”操作系统的操作系统的“内核内核”与外围应用程序之间不与外围应用程序之间不再有物理的边界再有物理的边界;系统中所谓系统中所谓“进程进程”实际上全都是内核线程实际上全都是内核线程 静态连接、系统调用、进程调度静态连接、系统调用、进程调度/切换切换课件6对任何一个应用程序做细微的修改,都得重对任
3、何一个应用程序做细微的修改,都得重新生成整个系统,并且新生成整个系统,并且“下载下载”之;之;系统调用的界面太庞大;系统调用的界面太庞大;共享变量的访问,需要谨慎对待;共享变量的访问,需要谨慎对待;把通用操作系统上的应用移植过来需考虑把通用操作系统上的应用移植过来需考虑“可重入可重入”的问题;的问题;课件7n n不分系统空间和用户空间必须静态连接如如DOSDOS、CP/MCP/M的的INT21INT21n n不分系统空间和用户空间不能用页面映射技术但只用于不同进程之间,而非不同空间之间但只用于不同进程之间,而非不同空间之间n n即使采用了存储管理,基本上都不采用页面交换技术n n重启动技术(w
4、atchdog)课件82.RTOSn n是否实时一方面是多大程度上充分发挥硬件潜力,即一方面是多大程度上充分发挥硬件潜力,即综合速度快慢的问题;综合速度快慢的问题;另一方面同时也是反映的速度在多大的程度另一方面同时也是反映的速度在多大的程度上得到保证的问题上得到保证的问题课件9n n中断延迟(中断延迟(InterruptLatencyInterruptLatency)中断不可嵌套中断不可嵌套 LINUXLINUX的的BottomHalfBottomHalf 中断可嵌套:优先级中断中断可嵌套:优先级中断 大多微处理器不支持;大多微处理器不支持;LINUXLINUX不支持;不支持;UNIXUNIX
5、支持支持 与指令集有关与指令集有关 DMADMA操作有关操作有关 保证系统调用的原子性有关保证系统调用的原子性有关课件10n n调度延迟(SchedulingLatency)中断处理程序中断处理程序进程处理进程处理一般调度算法(一般调度算法(RoundRobinRoundRobin)不能及时选)不能及时选中中基于优先级调度算法,一般能及时选中基于优先级调度算法,一般能及时选中 如果目标进程优先级低呢?如果目标进程优先级低呢?可剥夺调度和不可剥夺调度可剥夺调度和不可剥夺调度 LINUXLINUX是属于什么调度?是属于什么调度?Linux既不是完全的可剥夺,也不是完全的不可剥夺课件11n n上下文
6、切换延迟(ContextSwitchLatency)大小取决于大小取决于CPUCPU和操作系统和操作系统采用采用MMUMMU不采用不采用MMUMMU课件12n n只要发生调度,就能选中目标进程吗?根据时间片的耗用调整优先级根据时间片的耗用调整优先级拉开距离,分等级拉开距离,分等级n n对实时进程而言,“应该没有问题”不够。n n是否可以不用中断、也不用调度,回到最简单的“监控程序”?课件13实时性实时性简介n n对于什么是实时系统,POSIX1003.b作了这样的定义:指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务n n实时系统根据其对于实时性要求的不同,可以分为软实时和硬实时两种类型n n一
7、个计算机系统为了提供对于实时性的支持,它的操作系统必须对于CPU和其他资源进行有效的调度和管理,即实时调度课件14实时调度分类n n各种实时操作系统的实时调度算法从调度策略各种实时操作系统的实时调度算法从调度策略上可以分为如下三种类别:基于优先级的调度上可以分为如下三种类别:基于优先级的调度算法(算法(Priority-drivenscheduling-PDPriority-drivenscheduling-PD)、基于)、基于CPUCPU使用比例的共享式的调度算法(使用比例的共享式的调度算法(Share-Share-drivenscheduling-SDdrivenscheduling-SD
8、)、以及基于时间的进程)、以及基于时间的进程调度算法(调度算法(Time-drivenscheduling-TDTime-drivenscheduling-TD)n n从调度方式上来讲可以分为:可抢占、不可抢从调度方式上来讲可以分为:可抢占、不可抢占;从时间片来分:固定时间片、可变时间片占;从时间片来分:固定时间片、可变时间片 课件15实时性改造实时性改造n n对操作系统实时性的扩展可以从两方面进行:向外扩展和向上扩展n n向外扩展是从范围上扩展,让实时系统支持的范围更广,支持的设备更多n n向上扩展是扩充操作系统内核,从功能上扩充系统的实时处理课件16实时多任务OSRTOSn n单片机无无o
9、sos主程序主程序n nRTOS资源包装资源包装APIAPI可移植(只要可移植(只要1 14%)4%)课件17实时系统n n在实时计算中,系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果而且依赖于结果产生的时间n n响应时间限定n n可预知课件18实时操作系统与I/On n实时操作系统还需要有效的中断处理能力来处理异步事件和高效的I/O能力来处理有严格时间限制的数据收发应用。就是:n n系统应该有在事先定义的时间范围内识别和处理离散的事件的能力。n n系统能够处理和存储控制系统所需要的大量的数据。课件19n n周期性的系统n n非周期性系统n n硬实时系统灾难后果灾难后果n n软实时系统性能下降性能下降
10、课件20RTOS与分时系统n n事件响应时间限定n n事件随机到达n n系统可确定性课件21Rtos的历史n n1)早早期的监控系统系统系统initinit时钟时钟简单的任务调度简单的任务调度n n2)专用实时OS依赖于特定硬件依赖于特定硬件移植性不好移植性不好n n3)通用RTOS课件22嵌入式软件开发平台n nRTOSn n标准化n n可移植n n设备独立课件23RTOS基本structn n实时多任务实时多任务corecore 任务管理任务管理:多任务和基于优先级的任务调度多任务和基于优先级的任务调度 定时器定时器:系统的实时时钟服务,以及各个定时任务的系统的实时时钟服务,以及各个定时任
11、务的调入等调入等 Mem:Mem:管理系统的内存资源,如管理系统的内存资源,如DRAM,ROM,FLASHRAMDRAM,ROM,FLASHRAM等等 资源管理资源管理:管理系统的各种资源如系统的各种设备,管理系统的各种资源如系统的各种设备,端口,中断等;端口,中断等;事件和消息管理:管理各种系统级的事件,如实时事件和消息管理:管理各种系统级的事件,如实时中断响应,各种异常等;任务间同步和通信(信号中断响应,各种异常等;任务间同步和通信(信号量和邮箱等)以及各种系统消息和应用程序之间的量和邮箱等)以及各种系统消息和应用程序之间的通讯通讯课件24n nRTOS的系统调用n n90%以上的设备独立
12、n nRTOS的任务分时系统Process课件25实时带来的问题1-时间n n在实时系统中最基本的是系统应该能够提供对时间正确性进行指定的方法n n系统提供一种指定时间尺度的方法n n通用系统的延时不能满足课件26问题2实时系统的结构n n实时系统的体系结构必须满足:实时系统的体系结构必须满足:n n 高运算速度高运算速度n n 高速的中断处理高速的中断处理n n 高的高的I/OI/O吞吐率吞吐率n n 合理的处理器和合理的处理器和I/OI/O设备的拓扑连接设备的拓扑连接n n 高速可靠的和有时间约束的通信高速可靠的和有时间约束的通信n n 体系结构支持的出错处理,体系结构支持的出错处理,n
13、n 体系结构支持的调度体系结构支持的调度n n 体系结构支持的操作系统,体系结构支持的操作系统,n n 体系结构支持的实时语言特性。体系结构支持的实时语言特性。课件27问题3容错与分布n n稳定性n n容错n n分布式应用课件28问题4实时通讯n n逻辑正确n n要有确定的延迟时间课件29问题5其他问题n n 时间特性的指定和确正,这点与实际系统设时间特性的指定和确正,这点与实际系统设计相同。计相同。n n 实时的调度理论。由于实时系统应用的特殊实时的调度理论。由于实时系统应用的特殊性以往通用系统中以大吞吐量为目标的调度算性以往通用系统中以大吞吐量为目标的调度算法必须改进以适应实时应用的需要。
14、主要要求法必须改进以适应实时应用的需要。主要要求是满足时间的正确性,然后提供高度动态的,是满足时间的正确性,然后提供高度动态的,满足在线需求的,适应性的实时调度。满足在线需求的,适应性的实时调度。n n 实时操作系统的设计和实现。在设计上首要实时操作系统的设计和实现。在设计上首要目标是提供保证实时性的方法,包括一系列的目标是提供保证实时性的方法,包括一系列的经典问题的针对实时系统的解决方案。实现上经典问题的针对实时系统的解决方案。实现上要求操作系统的低开销,而且必须保证内核以要求操作系统的低开销,而且必须保证内核以及其他关键的可重入性。及其他关键的可重入性。课件30n n实时的编程语言和设计方
15、法。在编程语言级完成或提供实时应用所需要的方法。n n比如象Ada语言,FORTH语言。n n分布式的实时数据库。n n系统的容错。n n实时时钟的同步。n n实时系统中的人工智能课件31与通用计算机区别n n通用:方便用户管理计算机资源方便用户管理计算机资源追求系统资源最大利用率追求系统资源最大利用率n nRTOS调度的实时性调度的实时性响应时间可确定性响应时间可确定性高可靠性高可靠性课件32性能衡量标准n n对传统的通用系统对传统的通用系统:大的系统吞吐量大的系统吞吐量 合理的响应速度合理的响应速度 对每个系统用户相对公平的进行计算资源的分配对每个系统用户相对公平的进行计算资源的分配 n
16、n实时系统实时系统 实时的数据吞吐取代了以吞吐量为目标的标准。实时的数据吞吐取代了以吞吐量为目标的标准。对硬实时应用的优先响应取代了对每个用户的恰当对硬实时应用的优先响应取代了对每个用户的恰当的反应速度。的反应速度。系统的计算资源和其他外设资源必须优先满足实时系统的计算资源和其他外设资源必须优先满足实时应用的要求应用的要求课件33RTOS的衡量指标n n 系统响应时间系统响应时间(Systemresponsetime)(Systemresponsetime):系统:系统发出处理要求到系统给出应答信号的时间发出处理要求到系统给出应答信号的时间;n n 任务切换时间任务切换时间(Context-s
17、witchingtime):(Context-switchingtime):任务之任务之间切换而使用的时间间切换而使用的时间;n n 中断延迟中断延迟(Interruptlatencytime):(Interruptlatencytime):是计算机接是计算机接收到中断信号到操作系统作出响应,并完成换收到中断信号到操作系统作出响应,并完成换道转入中断服务程序的时间道转入中断服务程序的时间;课件34RTOS的任务调度机制n n决定了多任务能力与实时性n n通用模式:调度策略:优先级调度、时间片轮转调度调度策略:优先级调度、时间片轮转调度调度方式:抢占式、不可抢占式、选择可抢调度方式:抢占式、不可
18、抢占式、选择可抢占式占式时间片:定长时间片与变长时间片时间片:定长时间片与变长时间片n nRTOS一般使用抢占式任务调度课件35时间限定的任务调度算法n n速度单调算法工作由定期任务组织工作由定期任务组织 任务时间定长度任务时间定长度使用频率高的优先级高使用频率高的优先级高n n时限驱动算法工作定期与不定期工作定期与不定期执行时长随着时间变化执行时长随着时间变化下一个要安排执行的任务是时限最早的任务下一个要安排执行的任务是时限最早的任务课件36n nMMUn n实模式n n保护模式Mem管理课件37最小mem开销n nPricen n256KRAMn nn n4Mn nn n32MRAM课件3
19、8中断禁止时间n n用户态中断态课件39中断延时时间n n确认中断-中断服务第一语句执行n n三部分n nMicroprocessor的硬件延时n nRTOS由中断将权利交给相关代码的时间n n中断禁止时间课件40可中断式内核n n中断发生时;即使运行核心服务也保证一定时间内响应n n缩短中断延时时间课件41任务切换时间n n控制权取回n n交给另外一任务课件42两个主要评价实时性的指标:n n最大中断禁止时间任务切换时间课件43任务n n分时系统以进程(线程)为基本单位分时系统以进程(线程)为基本单位n nRTOSRTOS以任务为基本单位以任务为基本单位n n组成:组成:任务控制块任务控制块
20、 程序区程序区 数据区数据区 堆栈区堆栈区 系统堆栈系统堆栈 用户堆栈用户堆栈课件44任务的状态n n运行n n就绪n n挂起n n休眠课件45任务的同步与通讯n n消息n n事件n n信号量n n信箱n n共享内存课件46消息n n系统公用数据交换区系统公用数据交换区 私有消息缓冲区私有消息缓冲区 公用消息缓冲池公用消息缓冲池n n消息机制消息机制 创建创建 删除删除 接受消息接受消息 发送消息发送消息 广播消息广播消息 紧急消息紧急消息n n消息可以是定长与不定长消息可以是定长与不定长课件47事件n n应用于同步,通讯数据量不大n n接受事件n n发送事件n nRTOS一般有1532个事件
21、课件48信号量n n创建n n删除n nP操作n nV操作n nRTOS需要解决优先级倒置问题课件49优先级倒置问题n n条件条件 高优先级任务高优先级任务H H 低优先级任务低优先级任务L L 中优先级任务中优先级任务MM 共享内存共享内存Y Y,写操作,写操作 信号量信号量S S,互斥,互斥n n步骤步骤n n1 1)L L取得取得S S(P P操作),但是未做操作),但是未做V V操作操作n n2 2)H H中断,中断,H H运行态运行态n n3 3)H H写写Y Y,但是,但是Y Y的的S S被占用被占用课件50n n4)L重新取得控制权n n5)M出现,取得控制权n n结果:n nM
22、比H优先如果不断的M出现,H不能执行课件51解决方法n n1、采用非抢占式任务管理n n2、优先级继承L L抢回控制权后,暂时继承抢回控制权后,暂时继承H H的优先级的优先级n n(priorityinheritance)设设S S为正占用着某项共享资源的进程为正占用着某项共享资源的进程P P以及所以及所有正在等待占用这个资源的进程的集合;有正在等待占用这个资源的进程的集合;找出这个集合中的优先级最高者,其优先级找出这个集合中的优先级最高者,其优先级为为P P 把进程把进程P P的优先级设置成的优先级设置成P P 课件52n n优先级封顶(优先级封顶(priorityceilingpriori
23、tyceiling)设设S S为所有可能竞争使用某项共享资源的进程的集为所有可能竞争使用某项共享资源的进程的集合。事先为这个集合规定一个优先级上限合。事先为这个集合规定一个优先级上限p p,使得,使得这个集合中所有进程的优先级都小于这个集合中所有进程的优先级都小于p p。注意。注意p p 并并不一定是整个系统中的最好优先级。不一定是整个系统中的最好优先级。在创建保护该项资源的信号量或互斥量时,将在创建保护该项资源的信号量或互斥量时,将p p 作作为一个参数。为一个参数。每当有进程通过这个信号量或互斥量取得共享资源每当有进程通过这个信号量或互斥量取得共享资源时,就将此进程的优先级暂时提高到时,就
24、将此进程的优先级暂时提高到p p,一直到释,一直到释放该项资源的时候才恢复其原有的优先级。放该项资源的时候才恢复其原有的优先级。课件53可以看出,操作系统的“实时”与否,并不仅仅取决于速度问题,甚至更多的是反应速度和处理时间的可预测性问题。课件54实时操作系统和通用操作系统区别n n对于通用操作系统,总体的效率是更高的目标,必要时宁可牺牲个别进程的反应速度来达到总体效率的提高;而实时操作系统却反过来,必要时宁可牺牲总体效率也要保证个别进程的反应速度。n n对于通用操作系统,公正性更为重要,必要时宁可“劫富济贫”。而实时操作系统,高优先级进程的运行更为重要,必要时宁可“劫贫济富”课件55n n对
25、于通用操作系统,性能的分析是统计分析、平均值分析。而实时操作系统性能分析则是“最坏情况”分析。n n通用操作系统充分利用CPU处理能力,而实时操作系统有意让CPU处理能力供过于求,以确保反应速度和任务的完成。课件563.微内核与单内核n n分层模拟n n通用计算机需要“大而全”的内核你不需要,别人可能需要你不需要,别人可能需要当局限于某个具体领域时,做些当局限于某个具体领域时,做些“裁减裁减”n n嵌入式系统的用户群以及对功能的要求是相对封闭的n n商业上考虑,大而全也不合适课件57n n“裁减”或“系统生成”没有根本上解决问题n n将内核中的部分内容移到内核外面,作为服务进程运行。代表:代表
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