《嵌入式系統(tǒng)》課件

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1、第5章 嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)基礎(chǔ) 5.1 嵌入式軟件基礎(chǔ)n 5.1.1 嵌入式軟件的特點n應(yīng)用在嵌入式計算機系統(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，形成了一個完整、獨立的體系。除了具有通用軟件的一般特性，同時還具有一些與嵌入式系統(tǒng)密切相關(guān)的特點，如：n（l）規(guī)模較小n在一般情況下，嵌入式系統(tǒng)的資源多是比較有限的，要求嵌入式軟件必須盡可能地精簡，多數(shù)的嵌入式軟件都在幾MB以內(nèi)。 n（2）開發(fā)難度大n嵌入式系統(tǒng)由于硬件資源的有限，使得嵌入式軟件在時間和空間上都受到嚴(yán)格的限制，需要開發(fā)人員對編程語言、編譯器和操作系統(tǒng)有深刻的

2、了解，才有可能開發(fā)出運行速度快、存儲空間少、維護成本低的軟件。嵌入式軟件一般都要涉及到底層軟件的開發(fā)，應(yīng)用軟件的開發(fā)也是直接基于操作系統(tǒng)的，這就要求開發(fā)人員具有扎實的軟、硬件基礎(chǔ)，能靈活運用不同的開發(fā)手段和工具，具有較豐富的開發(fā)經(jīng)驗。嵌入式軟件的運行環(huán)境和開發(fā)環(huán)境比PC機復(fù)雜，嵌入式軟件是在目標(biāo)系統(tǒng)上運行的，而嵌入式軟件的開發(fā)工作則是在另外的開發(fā)系統(tǒng)中進行，當(dāng)應(yīng)用軟件調(diào)試無誤后，再把它放到目標(biāo)系統(tǒng)上去。 n（3）高實時性和可靠性要求n具有實時處理的能力是許多嵌入式系統(tǒng)的基本要求，實時性要求軟件對外部事件做出反應(yīng)的時間必須要快，在某些情況下還要求是確定的、可重復(fù)實現(xiàn)的，不管系統(tǒng)當(dāng)時的內(nèi)部狀態(tài)如何

3、，都是可以預(yù)測的。同時，對于事件的處理一定要在限定的時間期限之前完成，否則就有可能引起系統(tǒng)的崩潰。 n在航天控制、核電站、工業(yè)機器人等實時系統(tǒng)對嵌入式軟件的可靠性要求是非常高的，一旦軟件出了問題，其后果是非常嚴(yán)重的。 n（4）軟件固化存儲n為了提高系統(tǒng)的啟動速度、執(zhí)行速度和可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或微處理器中。 5.1.2嵌入式軟件的分類n 1系統(tǒng)軟件n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。n 2應(yīng)用軟件n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)與用戶進行交互

4、。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，。n 3支撐軟件 n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)計工具、在線仿真工具、交叉編譯器、源程序模擬器和配置管理工具等。n在嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運行在目標(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，它們大部分都運行在開發(fā)平臺（PC機）上，運行Windows或Linux操作系統(tǒng)。 5.1.3 嵌入式軟件的體系結(jié)構(gòu)n 1無操作系統(tǒng)的嵌入式軟件n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)計主要是以應(yīng)用為核心，應(yīng)用軟

5、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。n無操作系統(tǒng)的嵌入式軟件主要采用循環(huán)輪轉(zhuǎn)和中斷（前后臺）兩種實現(xiàn)方式。n（1）循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式 n循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式的基本設(shè)計思想是：把系統(tǒng)的功能分解為若干個不同的任務(wù)，放置在一個永不結(jié)束的循環(huán)語句當(dāng)中，按照時間順序逐一執(zhí)行。當(dāng)程序執(zhí)行完一輪后，又回到程序的開頭重新執(zhí)行，循環(huán)不斷。 n循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式的程序簡單、直觀、開銷小、可預(yù)測。軟件的開發(fā)可以按照自頂向下、逐步求精的方式，將系統(tǒng)要完成的功能逐級劃分成若干個小的功能模塊進行編程，最后組合在一起。循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式的軟件系統(tǒng)只有一條執(zhí)行流程和一個地址空間，不需要任務(wù)之間的調(diào)度和切換，其程序的代碼都是固定的

6、，函數(shù)之間的調(diào)用關(guān)系也是明確的，整個系統(tǒng)的執(zhí)行過程是可預(yù)測的。n循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式的缺點是程序必須按順序執(zhí)行，無法處理異步事件，缺乏并行處理的能力。缺乏硬件上的時間控制機制，無法實現(xiàn)定時功能。 n（2）中斷方式n中斷方式又稱為前后臺系統(tǒng)形式，系統(tǒng)在循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式的基礎(chǔ)上增加了中斷處理功能。ISR（Interrupt Service Routine，中斷服務(wù)程序）負(fù)責(zé)處理異步事件，即前臺程序（foreground），也稱為事件處理級程序。而后臺程序（background）是一個系統(tǒng)管理調(diào)度程序，一般采用的是一個無限的循環(huán)形式，負(fù)責(zé)掌管整個嵌入式系統(tǒng)軟、硬件資源的分配、管理以及任務(wù)的調(diào)度。后臺程序也稱為任

7、務(wù)級程序。一般情形下，后臺程序會檢查每個任務(wù)是否具備運行條件，通過一定的調(diào)度算法來完成相應(yīng)的操作。而一些對實時性有要求的操作通常由中斷服務(wù)程序來完成，大多數(shù)的中斷服務(wù)程序只做一些最基本的操作，如標(biāo)記中斷事件的發(fā)生等，其余的事情會延遲到后臺程序去完成。 n 2有操作系統(tǒng)的嵌入式軟件n從20世紀(jì)80年代開始，操作系統(tǒng)出現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)上。如今，嵌入式操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，尤其是在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得愈來愈重要。在應(yīng)用軟件開發(fā)時，程序員不是直接面對嵌入式硬件設(shè)備，而是采用一些嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境，在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上編寫程序。n在控制系統(tǒng)中，采用前后臺系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的軟件，在遇到強干擾時

8、，可能會使應(yīng)用程序產(chǎn)生異常、出錯，甚至死循環(huán)的現(xiàn)象，從而造成系統(tǒng)的崩潰。而采用嵌入式操作系統(tǒng)管理的系統(tǒng)，在遇到強干擾時，可能只會引起系統(tǒng)中的某一個進程被破壞，但這可以通過系統(tǒng)的監(jiān)控進程對其進行修復(fù)，系統(tǒng)具有自愈能力，不會造成系統(tǒng)崩潰。 n在嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境下，開發(fā)一個復(fù)雜的應(yīng)用程序，通?？梢园凑哲浖こ痰乃枷?，將整個程序分解為多個任務(wù)模塊，每個任務(wù)模塊的調(diào)試、修改幾乎不影響其他模塊。利用商業(yè)軟件提供的多任務(wù)調(diào)試環(huán)境，可大大提高系統(tǒng)軟件的開發(fā)效率，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。n嵌入式操作系統(tǒng)本身是可以剪裁的，嵌入式系統(tǒng)外設(shè)、相關(guān)應(yīng)用也可以配置，所開發(fā)的應(yīng)用軟件可以在不同的應(yīng)用環(huán)境、不同的處理器

9、芯片之間移植，軟件構(gòu)件可復(fù)用，有利于系統(tǒng)的擴展和移植。 嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu) 5.1.4 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動n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)動層直接對硬件進行管理和控制，并為上層軟件提供所需的驅(qū)動支持。n 1板級支持包n設(shè)備驅(qū)動層也稱為BSP（Board Support Package, 板級支持包），在BSP中把所有與硬件相關(guān)的代碼都封裝起來，為操作系統(tǒng)提供一個虛擬的硬件平臺，操作系統(tǒng)運行在這個虛擬的硬件平臺上。在BSP當(dāng)中，使用一組定義好的編程接口來與BSP進行交互，并通過BSP來訪問真正的硬件。在嵌入式系統(tǒng)中，BSP類似于PC系統(tǒng)中的

10、BIOS和驅(qū)動程序。BSP把嵌入式操作系統(tǒng)與具體的硬件平臺隔離開來。 n一般來說，BSP是針對某個特定的單板而設(shè)計的，系統(tǒng)都會提供相應(yīng)的演示版本的BSP（最小系統(tǒng)BSP）。BSP對于用戶（指系統(tǒng)開發(fā)人員）是開放的，用戶可以根據(jù)不同的硬件需求對其進行改動或二次開發(fā)。在實際開發(fā)一個嵌入式系統(tǒng)的時候，通?？梢哉业揭粋€與自己的硬件系統(tǒng)相近的演示版本的BSP，并以此為基礎(chǔ)，進行修改和完善，以適應(yīng)不同單板的需求。BSP主要包括BootLoader（引導(dǎo)加載程序）和設(shè)備驅(qū)動程序兩個方面的內(nèi)容。 n對于不同的嵌入式操作系統(tǒng)，BSP的具體結(jié)構(gòu)和組成是不相同的。 n 2BootLoadern BootLoader

11、（引導(dǎo)加載程序）是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一小段程序。通過這段程序，初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境設(shè)置到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備。BootLoader用來完成整個系統(tǒng)的加載啟動任務(wù)。通常在系統(tǒng)上電或復(fù)位時，BootLoader程序從地址0 x00000000處開始執(zhí)行。n BootLoader的功能與嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺直接相關(guān)，不同的CPU體系結(jié)構(gòu)和板級設(shè)備配置，BootLoader的功能不同。一般來說，BootLoader主要包含片級初始化、板級初始化和加載內(nèi)核等一些基本功能。 n（1）片級初始化n片級初始化是一個純硬件的初始化過

12、程，把微處理器從上電時的默認(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。片級初始化主要完成設(shè)置微處理器的核心寄存器和控制寄存器、微處理器的核心工作模式及其局部總線模式等初始化。n（2）板級初始化n板級初始化是一個同時包含有軟件和硬件在內(nèi)的初始化過程，通過正確地設(shè)置各種寄存器的內(nèi)容來完成微處理器以外的其他硬件設(shè)備的初始化。例如，初始化LED顯示設(shè)備、定時器、串口通信和內(nèi)存控制器，建立內(nèi)存空間的地址映射，設(shè)置中斷控制寄存器和某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)等。 n（3）加載內(nèi)核n將操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的映像從Flash存儲器復(fù)制到系統(tǒng)的內(nèi)存當(dāng)中，然后跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)內(nèi)核的第一條指令處繼續(xù)執(zhí)行。 1. Bootloader

13、 概述 n Bootloader，啟動引導(dǎo)程序，又叫引導(dǎo)加載程序，功能強大的Bootloader也就直接叫做板級支持包（BSP,Board Support Packet）或者固件(Firmware)。近年來，為了方便嵌入式產(chǎn)品的推廣，也有些直接將Bootloader叫做BIOS。BIOS是PC機的“基本輸入輸出系統(tǒng)”，燒錄在電腦主板上一塊專門的芯片中。一般BIOS由主板廠商或者專門的BIOS生產(chǎn)商提供，不是開源的，用戶不能修改其中的代碼進行定制。而嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)則離不開Bootloader的開發(fā)，它也是整個系統(tǒng)開發(fā)中的難點之一。 1.1 Bootloader 的作用 n Bootloader

14、是在嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序，也是系統(tǒng)開機后執(zhí)行的第一段程序。通過這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境設(shè)置成一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。Bootloader是依賴于底層硬件而實現(xiàn)的，因此建立一個通用的嵌入式系統(tǒng)Bootloader幾乎是不可能的。n在PC機中，主板的BIOS和位于硬盤0磁道上的主引導(dǎo)記錄(Master Boot Record, MBR)中的引導(dǎo)程序（如LILO或GRUB等）,兩者一起的作用就相當(dāng)于Bootloader在嵌入式系統(tǒng)中的作用，即實現(xiàn)整個系統(tǒng)的啟動引導(dǎo)，并最終能引導(dǎo)操作系統(tǒng)的運行。 1.

15、1 Bootloader 的作用n在嵌入式系統(tǒng)中，Bootloader對嵌入式設(shè)備中的主要部件如CPU、SDRAM、FLASH、串口等進行了初始化，這樣可以使用Bootloader通過串口下載各種文件到設(shè)備的SDRAM中或者燒錄Flash，然后將操作系統(tǒng)內(nèi)核讀入到內(nèi)存中來或者直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點，從而實現(xiàn)操作系統(tǒng)的引導(dǎo)。現(xiàn)在有些Bootloader也把對以太網(wǎng)的支持等功能也加進去了，這樣一個功能比較強大的Bootloader實際上就已經(jīng)相當(dāng)于一個微型的操作系統(tǒng)了。 10.1.1 Bootloader 的作用n Bootloader從第一條指令跳轉(zhuǎn)后，就開始初始化各種最重要的硬件，比如CPU的

16、工作頻率、定時器、中斷、看門狗、檢測RAM大小和Flash等。一般，硬件初始化的這段程序是用匯編語言編寫的，其后就用C語言編寫?？傮w上Bootloader主要完成以下工作： 1.1 Bootloader 的作用n初始化CPU速度；n初始化內(nèi)存，包括啟用內(nèi)存庫，初始化內(nèi)存配置寄存器等；n初始化中斷控制器，在系統(tǒng)啟動時，關(guān)閉中斷，關(guān)閉看門狗；n初始化串行端口（如果在目標(biāo)上有的話）；n啟用指令/數(shù)據(jù)高速緩存；n設(shè)置堆棧指針；n設(shè)置參數(shù)區(qū)域并構(gòu)造參數(shù)結(jié)構(gòu)和標(biāo)記,即引導(dǎo)參數(shù)； n執(zhí)行POST（上電自檢）來標(biāo)識存在的設(shè)備并報告有何問題；n為電源管理提供掛起/恢復(fù)支持；n傳輸操作系統(tǒng)內(nèi)核鏡像文件到目標(biāo)機。也

17、可以將操作系統(tǒng)內(nèi)核鏡像文件事先存放在Flash中，這樣就不需要Bootloader和主機傳輸操作系統(tǒng)內(nèi)核鏡像文件，這通常是在做成產(chǎn)品的情況下使用。而一般在開發(fā)過程中，為了調(diào)試內(nèi)核的方便，不將操作系統(tǒng)內(nèi)核鏡像文件固化在Flash中，這就需要主機和目標(biāo)機進行文件傳輸；n跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的開始，在此又分為ROM啟動和RAM啟動。所謂ROM啟動就是直接在Flash中執(zhí)行操作系統(tǒng)鏡像文件；所謂RAM啟動就是指把內(nèi)核鏡像從Flash復(fù)制到RAM中，然后再將PC指針跳轉(zhuǎn)到RAM中的操作系統(tǒng)啟動地址。 1.1 Bootloader 的作用n在嵌入式Linux軟件系統(tǒng)的開發(fā)中，一般將軟件分為啟動引導(dǎo)程序(Bootlo

18、ader)、操作系統(tǒng)內(nèi)核(OS Kernel)、根文件系統(tǒng)(File System)、圖形窗口系統(tǒng)(GUI)和應(yīng)用程序(AP)等幾個部分，其中前三部分是一個可運行的嵌入式系統(tǒng)必不可少的， 它們在開發(fā)的過程中，被分別獨立地編譯鏈接或打包為一個二進制目標(biāo)文件，然后下載（燒錄）到嵌入式系統(tǒng)的ROM（一般是Flash）中。后兩部分如果有的話，n通常也是和根文件系統(tǒng)一 n起打包后燒錄到Flash中。n因此，在Bootloader階段，n也提供了對Flash設(shè)備的分n區(qū)格式化的支持，其空間n分配通常如圖所示。 1.2 Bootloader 的工作模式n對于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員而言，Bootloader通常

19、包含“啟動加載”和“下載”這兩種不同的工作模式。當(dāng)然，這兩種工作模式的區(qū)別一般僅僅對于開發(fā)人員才有意義，而對最終用戶來說，Bootloader 的作用就是用來加載操作系統(tǒng)，從而啟動整個嵌入式系統(tǒng)。 1.2 Bootloader 的工作模式n啟動加載（Boot loading）模式 正常啟動模式 n下載（Downloading）模式提供給開發(fā)人員或者技術(shù)支持人員使用 1.3 Bootloader 的啟動流程 n分為stage1和stage2兩個階段 一般依賴于 CPU 體系結(jié)構(gòu)的代碼，比如設(shè)備初始化代碼等，都放在stage1中，而且通常都用匯編語言來實現(xiàn)，以達到短小精悍且啟動快的目的；而 sta

20、ge2 則通常用C語言來實現(xiàn)，這樣可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的功能（比如串口、以太網(wǎng)接口的支持等） Bootloader的第一階段 1. 硬件設(shè)備初始化2. 為加載 Bootloader 的 stage2 準(zhǔn)備 RAM 空間 3. 拷貝 Bootloader的 stage2 到 RAM 空間中4. 設(shè)置好堆棧 5.跳轉(zhuǎn)到 stage2 的 C 入口點main()函數(shù)處 Bootloader的第二階段 1.初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備2.檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射(memory map)3.將 kernel 映像和根文件系統(tǒng)映像從 flash 上讀到 RAM 空間中4.為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)5.調(diào)用內(nèi)核 n 3設(shè)備驅(qū)

21、動程序n在一個嵌入式系統(tǒng)中，可以沒有操作系統(tǒng)，但設(shè)備驅(qū)動程序是必不可少的。設(shè)備驅(qū)動程序是一組庫函數(shù)，用來對硬件進行初始化和管理，并向上層軟件提供訪問接口。n不同功能的硬件設(shè)備，它們的設(shè)備驅(qū)動程序是不同的。但大多數(shù)的設(shè)備驅(qū)動程序都具有硬件啟動（初始化）、硬件關(guān)閉（關(guān)機）、硬件停用（暫停）、硬件啟用（重新啟用）、讀操作（讀取數(shù)據(jù)）、寫操作（寫入數(shù)據(jù)）等基本功能。n設(shè)備驅(qū)動程序通常可以完成一些特定的功能，這些功能一般采用函數(shù)的形式來實現(xiàn)，這些函數(shù)有分層結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)兩種組織結(jié)構(gòu)形式。 5.2嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)n 5.2.1嵌入式操作系統(tǒng)的功能n在嵌入式系統(tǒng)中工作的操作系統(tǒng)稱為EOS（Embedded

22、 Operating System，嵌入式操作系統(tǒng)），EOS的基本功能主要體現(xiàn)在以下兩個方面：n 1構(gòu)成一個易于編程的虛擬機平臺n EOS構(gòu)成一個虛擬機平臺，EOS把底層的硬件細(xì)節(jié)封裝起來，為運行在它上面的軟件（如中間件軟件和各種應(yīng)用軟件）提供了一個抽象的編程接口。軟件開發(fā)在這個編程接口的上進行，而不直接與機器硬件層打交道。EOS所提供的編程接口實際上就是操作系統(tǒng)對外提供的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。 n 2系統(tǒng)資源的管理者n EOS是一個系統(tǒng)資源的管理者，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)當(dāng)中的各種軟硬件資源，如處理器、內(nèi)存、各種I/O設(shè)備、文件和數(shù)據(jù)等，使得整個系統(tǒng)能夠高效、可靠地運轉(zhuǎn)。 n運行在嵌入式環(huán)境中的EOS其目標(biāo)是

23、為了完成某一項或有限項功能，而非通用型的操作系統(tǒng)，因此在性能和實時性方面有嚴(yán)格的限制，能耗、成本和可靠性通常是影響設(shè)計的重要因素，要求占用資源少，適合在有限存儲空間運行，要求系統(tǒng)功能可以根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計要求進行剪裁、調(diào)整。n所有的EOS都有一個內(nèi)核（kernel），內(nèi)核是系統(tǒng)當(dāng)中的一個組件，它包含了任務(wù)管理、存儲管理、輸入輸出（I/O）設(shè)備管理和文件系統(tǒng)管理四個功能模塊。其中：n 任務(wù)管理：對嵌入式系統(tǒng)中的運行軟件進行描述和管理，并完成處理機資源的分配與調(diào)度；n 存儲管理：用來提高內(nèi)存的利用率，方便用戶的使用，并提供足夠的存儲空間； n I/O設(shè)備管理：方便設(shè)備的使用，提高CPU和輸入輸出設(shè)備的

24、利用率；n 文件管理：解決文件資源的存儲、共享、保密和保護等問題。n注意：不同的嵌入式系統(tǒng)的EOS所包含的組件可能各不相同，內(nèi)核設(shè)計也可能各不相同的，完全取決于系統(tǒng)的設(shè)計以及實際的應(yīng)用需求。 5.2.2嵌入式操作系統(tǒng)的分類n EOS可以按照系統(tǒng)的類型、響應(yīng)時間和軟件結(jié)構(gòu)等不同的標(biāo)準(zhǔn)來分類。n 1按系統(tǒng)的類型分類n按照系統(tǒng)的類型，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。n（1）商業(yè)化系統(tǒng)n商業(yè)化的EOS有風(fēng)河公司（WindRiver）的VxWorks，微軟公司的Windows CE，Palm公司的PalmOS等等，其特點是功能強大，性能穩(wěn)定，輔助軟件工具齊全，應(yīng)用范圍廣泛，但

25、成本較高。 n（2）專用系統(tǒng)n專用系統(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。n（3）開放源代碼系統(tǒng)n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、開源、性能優(yōu)良、資源豐富、技術(shù)支持強等優(yōu)點，是近年來發(fā)展迅速的一類操作系統(tǒng)。 n 2按響應(yīng)時間分類n按照系統(tǒng)對響應(yīng)時間的敏感程度，EOS可以分為RTOS（Real Time Operating Systems ，實時操作系統(tǒng)）和非實時操作系統(tǒng)兩大類：。n RTOS對響應(yīng)時間有非常嚴(yán)格的要求，當(dāng)某一個外部事件或請求發(fā)生時，相應(yīng)的任務(wù)必須在規(guī)定的時間內(nèi)完成相應(yīng)的處理。RTOS可以分為硬實

26、時和軟實時兩種情形。n（1）硬實時系統(tǒng)n硬實時系統(tǒng)對響應(yīng)時間有嚴(yán)格的要求，如果響應(yīng)時間不能滿足可能會引起系統(tǒng)的崩潰或致命的錯誤。n（2）軟實時系統(tǒng) n軟實時系統(tǒng)對響應(yīng)時間有要求，如果響應(yīng)時間不能滿足，將需要支付能夠接受的額外代價。n非實時系統(tǒng)對響應(yīng)時間沒有嚴(yán)格的要求，各個進程分享處理器，以獲得各自所需要的運行時間。 n 3按軟件結(jié)構(gòu)分類n按照軟件的體系結(jié)構(gòu)，EOS可以分為單體結(jié)構(gòu)、分層結(jié)構(gòu)和微內(nèi)核結(jié)構(gòu)三大類，n（1）單體結(jié)構(gòu)n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

27、間件和設(shè)備驅(qū)動程序通常就集成在系統(tǒng)內(nèi)核當(dāng)中，整個系統(tǒng)通常只有一個可執(zhí)行文件，里面包含了所有的功能組件。n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)試和維護不方便。 圖5.2.1 單體結(jié)構(gòu) 圖5.2.2 分層結(jié)構(gòu) n采用分層結(jié)構(gòu)（layered）的操作系統(tǒng)內(nèi)部分為若干個層次（0N），各個層次之間的調(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)和維護較為簡單。典型代表有MS-DOS，其結(jié)構(gòu)就是一個有代表性的、組織良

28、好的分層結(jié)構(gòu)。n（3）微內(nèi)核結(jié)構(gòu)n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。 n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，系統(tǒng)具有更高的安全性。新的功能組件也可以被動態(tài)地添加進來，擴展、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，運行速度可能會慢一些。另外，由于它們的內(nèi)存地址空間是相互獨立的，在切換的時候，也會增加額外的開銷。 n OS-9、C Executive

29、、VxWorks，CMX-RTX、Nucleus Plus和QNX等EOS采用的都是微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 5.2.3常見的嵌入式操作系統(tǒng)簡介n嵌入式操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)研究領(lǐng)域中的一個重要分支，有許多公司在從事相關(guān)方面的研究，開發(fā)了數(shù)以百計的各具特色的嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品，其中比較有影響的系統(tǒng)有VxWorks、嵌入式Linux、Windows CE、C/OS-II和PalmOS等。 5.3 嵌入式系統(tǒng)的任務(wù)管理n 5.3.1 單道程序設(shè)計和多道程序設(shè)計n嵌入式操作系統(tǒng)可以分為單道程序設(shè)計和多道程序設(shè)計（mufti-programming）兩種類型。n 1單道程序設(shè)計類型n采用單道程序設(shè)計的操作系

30、統(tǒng)在任何時候只能有一個程序在運行。n例如：有兩個程序甲和乙，它們在運行過程中都要用到CPU和I/O設(shè)備。如圖所示，圖中我們采用不同的方框來表示這兩個程序?qū)煞N資源的使用情況，方框的長度表示使用的時間。 n在單道程序設(shè)計的環(huán)境下，在任何時候，系統(tǒng)中只能有一個程序在運行，因此，甲和乙這兩個程序只能一個接一個的執(zhí)行。首先執(zhí)行程序甲，從t0時刻開始，到t6時刻結(jié)束。然后再執(zhí)行程序乙，從t6時刻開始，一直到它所有的工作都已完成。 n 2. 多道程序設(shè)計類型n采用多道程序設(shè)計的操作系統(tǒng)允許多個程序同時存在并運行，采用多道程序技術(shù)可以有效提高系統(tǒng)資源的利用率。n在多道程序設(shè)計的環(huán)境下，允許多個程序同時運行，

31、當(dāng)一個程序在訪問I/O設(shè)備時，會主動把CPU交出來，讓另一個程序去運行，從而提高系統(tǒng)資源的使用效率。從t0到t1，甲在使用I/O設(shè)備，乙處于等待狀態(tài)。在到達了t1時刻后，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t2時刻后，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時刻和t4時刻。但是在t5時刻，甲已經(jīng)使用完了I/O設(shè)備，而乙仍然在使用CPU，所以甲只能處于等待狀態(tài)，等到t6時刻再交換資源。這樣一直進行下去，在t7時刻，甲執(zhí)行完畢

32、，在t8時刻，乙也執(zhí)行完畢。 n從圖可見，由于CPU和I/O設(shè)備的使用是并行進行的，在總的執(zhí)行時間上要明顯少于單道程序系統(tǒng)。 單道程序與多道程序的運行過程 5.3.2進程、線程和任務(wù)n 1進程n進程（process）是在描述多道系統(tǒng)中并發(fā)活動過程引入的一個概念。進程和程序是兩個既有聯(lián)系又有區(qū)別的概念，兩者不能混為一談。例如：一個程序主要由代碼和數(shù)據(jù)兩部分內(nèi)容組成。而進程是正在執(zhí)行的程序，它是由程序和該程序的運行上下文兩部分內(nèi)容組成。程序是靜態(tài)的，而進程是一個動態(tài)的，變化的。進程和程序之間并不是一一對應(yīng)的。一個進程在運行的時候可以啟動一個或多個程序，同一個程序也可能由多個進程同時執(zhí)行。程序可以以

33、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。而進程則是一次執(zhí)行過程，它是暫時的，是動態(tài)地產(chǎn)生和終止的。 n一個進程通常包含有以下幾個方面的內(nèi)容：n 相應(yīng)的程序：進程是一個正在運行的程序，有相應(yīng)程序的代碼和數(shù)據(jù)。 n CPU上下文：程序在運行時，CPU中含有PC（Program Counter，程序計數(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段的地址；棧指針寄存器

34、記錄的棧頂?shù)漠?dāng)前位置。n 一組系統(tǒng)資源：包括操作系統(tǒng)用來管理進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、進程的內(nèi)存地址空間、進程正在使用的文件等。n 總而言之，進程包含了正在運行的一個程序的所有狀態(tài)信息。進程具有動態(tài)性，進程是一個正在運行的程序，程序的運行狀態(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。進程具有獨立性，一個進程是一個獨立的實體，占有計算機的系統(tǒng)資源，每個進程都有自己的運行上下文和內(nèi)部狀態(tài)，在它運行的時候獨立于其他的進程。進程具有并發(fā)性，在系統(tǒng)中同時有多個進程存在，它們相互獨立地運行。 n 2線程n線程（thread）是一個比進程更小的能獨立運行的基本單位。所謂的線程，就是進

35、程當(dāng)中的一條執(zhí)行流程。n從資源組合的角度來看，進程把一組相關(guān)的資源組合起來，構(gòu)成了一個資源平臺（資源環(huán)境），其中包括運行上下文、內(nèi)存地址空間、打開的文件等，在圖中用深色的方框來表示。從程序運行的角度來看，進程就是一個正在運行的程序，在圖中用一條帶有箭頭的線段來表示。從圖可見，可以把進程看成是程序代碼在這個資源平臺上的一條執(zhí)行流程（線程），也就是可以認(rèn)為進程等于線程加上資源平臺。n如圖所示，在一個進程當(dāng)中，或者說在一個資源平臺上，可以同時存在多個線程?？梢杂镁€程來作為CPU的基本調(diào)度單位，使得各個線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。對于同一個進程當(dāng)中的各個線程來說，運行在相同的資源平臺上，可以共享該進程的大部

36、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，每個線程都必須擁有各自獨立的一份（如CPU運行上下文（如PC寄存器、PSW寄存器、通用寄存器和棧指針等）和棧）。 線程與進程的資源關(guān)系 n 3任務(wù)n在一些嵌入式系統(tǒng)中，把能夠獨立運行的實體稱為“任務(wù)”（task），并沒有使用“進程”或“線程”這兩個概念。任務(wù)到底是進程還是線程，在研究一個具體的嵌入式操作系統(tǒng)的時候，要注意加以區(qū)分。n在任務(wù)的創(chuàng)建過程需要定義的主要參數(shù)有任務(wù)的優(yōu)先級、?？臻g的大小和函數(shù)名。任務(wù)具有獨立的優(yōu)先級和?？臻g，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

37、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)核來進行通信。 n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。 5.3.3任務(wù)的實現(xiàn)n 1任務(wù)的層次結(jié)構(gòu)n任務(wù)的層次結(jié)構(gòu)如圖所示。在多道程序的嵌入式操作系統(tǒng)中，同時存在著多個任務(wù)，嵌入式內(nèi)核啟動時，只有一個任務(wù)存在，然后由該任務(wù)派生出其他所有任務(wù)，這些任務(wù)采用層狀結(jié)構(gòu)，存在著父子關(guān)系。 n 2.任務(wù)的創(chuàng)建與終止n（1）任務(wù)的創(chuàng)建n在一個嵌入式操作系統(tǒng)中，在系統(tǒng)初始化、任務(wù)運行過程中、人機交互等過程中都可以創(chuàng)建任務(wù)。n在系統(tǒng)初始化時，一般都會創(chuàng)

38、建系統(tǒng)與用戶進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、時間統(tǒng)計等一些特定功能的后臺任務(wù)。在任務(wù)運行過程中，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)啟動一個新的任務(wù)。 n創(chuàng)建任務(wù)的基本方法是在一個已經(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)建一個新的任務(wù)。 n（2）任務(wù)的終止n任務(wù)的終止可能有多種原因，正常退出、錯誤退出、被其他任務(wù)踢出等情況可以使任務(wù)終止。n當(dāng)一個任務(wù)完成了所有的工作，需要結(jié)束運行，提出退出要求，稱為正常退出。n當(dāng)一個任務(wù)在執(zhí)行過程中，出現(xiàn)了致命的錯誤（例如執(zhí)行

39、了非法指令、內(nèi)存訪問錯誤等），系統(tǒng)中止該任務(wù)的運行，強制性地讓該任務(wù)退出，稱為錯誤退出。n在一些操作系統(tǒng)中可以提供一些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，用來把一個任務(wù)從系統(tǒng)中清除出局，稱為被其他任務(wù)踢出。n在一些嵌入式系統(tǒng)中，某些任務(wù)被設(shè)計為“死循環(huán)”的模式，任務(wù)不會自行終止。 n 3任務(wù)的狀態(tài)n在多道程序系統(tǒng)中，任務(wù)是獨立運行的實體，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)具有運行（running）、就緒（ready）和阻塞（blocked）三種基本狀態(tài)。n任務(wù)在運行狀態(tài)時占有CPU并在CPU上運行，在任何一個時刻，處于運行狀態(tài)的任務(wù)個數(shù)必須小于或等于C

40、PU的數(shù)目。如果在一個系統(tǒng)中只有一個CPU的話，那么最多只能有一個任務(wù)處于運行狀態(tài)。n當(dāng)一個任務(wù)已具備運行條件，但由于CPU正在運行其他的任務(wù)，暫時不能運行該任務(wù)時，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。 n任務(wù)因為正在等待某種事件的發(fā)生而暫時不能運行稱為阻塞狀態(tài)，也叫等待狀態(tài)（waiting）。此時，即使CPU已經(jīng)空閑下來了，該任務(wù)也還是不能運行。n如圖所示，在一定條件下，任務(wù)會在不同的狀態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，存在運行阻塞、運行就緒、就緒運行、阻塞就緒四種轉(zhuǎn)換關(guān)系。 任務(wù)間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 n 4任務(wù)控制塊n TCB（Task Control Block，任務(wù)控制塊）是在操作系

41、統(tǒng)當(dāng)中用來描述和管理一個任務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過對各個任務(wù)的TCB的操作來實現(xiàn)任務(wù)管理。利用TCB這個數(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)建一個新任務(wù)的時候，就為它生成一個TCB，并初始化這個TCB的內(nèi)容；當(dāng)需要終止一個任務(wù)的時候，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。 n（1）任務(wù)的管理信息n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)的時間統(tǒng)計信息、各種隊列指針等。 n（2）CPU上

42、下文信息n 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)的棧指針來訪問。n（3）資源管理信息n在操作系統(tǒng)中，任務(wù)表示的是進程，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。 n 5任務(wù)切換n任務(wù)切換（context switching）是指一個任務(wù)正在CPU上運行，由于某種原因，系統(tǒng)需要調(diào)度另一個任務(wù)去運行，那么這時就需要進行把當(dāng)前任務(wù)的運行上下文保存起來，并設(shè)置新任務(wù)的上下文，

43、這一過程稱為任務(wù)切換。n任務(wù)切換通常包含有以下幾個基本步驟：n（1）將處理器的運行上下文保存在當(dāng)前任務(wù)的TCB中；n（2）更新當(dāng)前任務(wù)的狀態(tài)，從運行狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)或阻塞狀態(tài)。 n（3）按照一定的策略，從所有處于就緒狀態(tài)的任務(wù)中選擇一個去運行。n（4）修改新任務(wù)的狀態(tài)，從就緒狀態(tài)變成運行狀態(tài)。n（5）根據(jù)新任務(wù)的TCB的內(nèi)容，恢復(fù)它的運行上下文環(huán)境。 n 6任務(wù)隊列n在一個多任務(wù)的操作系統(tǒng)中，各個任務(wù)的狀態(tài)是經(jīng)常變化的，有時處于運行狀態(tài)，有時處于就緒狀態(tài)，有時又處于阻塞狀態(tài)。通常采用任務(wù)隊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。n操作系統(tǒng)用一組隊列來表示系統(tǒng)當(dāng)中所有任務(wù)的當(dāng)前狀

44、態(tài)。例如，處于運行狀態(tài)的所有任務(wù)構(gòu)成了運行隊列，處于就緒狀態(tài)的所有任務(wù)構(gòu)成了就緒隊列，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)的阻塞隊列。不同的狀態(tài)用不同的隊列來表示。然后，對于系統(tǒng)當(dāng)中的每一個任務(wù)，根據(jù)它的狀態(tài)把它的TCB加入到相應(yīng)的隊列當(dāng)中去。如果一個任務(wù)的狀態(tài)發(fā)生變化，就要把它的TCB從一個狀態(tài)隊列中脫離出來，加入到另一個隊列當(dāng)中去。 5.3.4 任務(wù)的調(diào)度n 1任務(wù)調(diào)度概述n在多道程序操作系統(tǒng)中，當(dāng)有兩個或多個任務(wù)同時處于就緒狀態(tài)時，而系統(tǒng)中只有一個CPU而且這個CPU己經(jīng)空閑下來了，就會出現(xiàn)多個任務(wù)同時去競爭這個CPU的情況。通常利用調(diào)度器（scheduler）

45、選擇就緒隊列中的那些任務(wù)中的一個去運行，調(diào)度器是CPU這個資源的管理者。調(diào)度器在決策過程中所采用的算法稱為調(diào)度算法。 n一般來說，在一個新的任務(wù)被創(chuàng)建時、在一個任務(wù)運行結(jié)束時、在一個任務(wù)由于I/O操作、信號量或其他原因被阻塞時、在一個I/O中斷發(fā)生時、在一個時鐘中斷發(fā)生時這五種調(diào)度時機都可能會發(fā)生任務(wù)的調(diào)度。 n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。n（1）在可搶占調(diào)度方式，當(dāng)一個任務(wù)正在運行的時候，出現(xiàn)調(diào)度時機當(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)去運行。實時操作系統(tǒng)大都采用可搶占的調(diào)度

46、方式。n（2）在不可搶占調(diào)度方式，一個任務(wù)長時間地占用著CPU系統(tǒng)也不會強制它中止。當(dāng)出現(xiàn)新任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)運行結(jié)束及任務(wù)被阻塞的調(diào)度時機時，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。 n在嵌入式操作系統(tǒng)中，存在著許多的調(diào)度算法，每一種算法都有各自的優(yōu)點和缺點。可以根據(jù)響應(yīng)時間、周轉(zhuǎn)時間、調(diào)度開銷、公平性、均衡性、吞吐量等指標(biāo)來評價一個調(diào)度算法的好壞。其中：n 調(diào)度器為一個就緒任務(wù)進行上下文切換時所需的時間，以及任務(wù)在就緒隊列中的等待時間稱為響應(yīng)時間（ response time ）。n 一個任務(wù)從提交到完成所經(jīng)歷的時

47、間稱為周轉(zhuǎn)時間（turnaround time ）。n 調(diào)度器在做出調(diào)度決策時所需要的時間和空間開銷稱為調(diào)度開銷（overhead）。 n 公平性（fairness ）是指大致相當(dāng)?shù)膬蓚€任務(wù)所得到的CPU時間也應(yīng)該是大致相同的。另外，要防止饑餓（starvation）情況出現(xiàn)，即某一個任務(wù)始終得不到處理器去運行。n 均衡性（balance）是指要盡可能使整個系統(tǒng)的各個部分（CPU，I/O）都忙起來，提高系統(tǒng)資源的使用效率。n 單位時間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)量稱為吞吐量（throughput ）。n對于一個調(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)不可能全部都實現(xiàn)，而是需要根據(jù)

48、系統(tǒng)的要求，綜合權(quán)衡和折中選擇。 n 2先來先服務(wù)算法（First Come First Served，F(xiàn)CFS）n 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)到達的先后次序來進行調(diào)度，它是一種不可搶占的調(diào)度方式。FCFS也叫做FIFO（First In First Out，先進先出算法）。n FCFS的最大優(yōu)點就是簡單，易于理解也易于實現(xiàn)。缺點是一批任務(wù)的平均周轉(zhuǎn)時間取決于各個任務(wù)到達的順序，如果短任務(wù)位于長任務(wù)之后，那么將增大平均周轉(zhuǎn)時間。 n 3短作業(yè)優(yōu)先算法（Shortest Job First，S

49、JF）n在SJF（Shortest Job First，短作業(yè)優(yōu)先算法）中，在各個任務(wù)在開始執(zhí)行前，事先預(yù)計好各任務(wù)的執(zhí)行時間，調(diào)度算法根據(jù)這些預(yù)計時間，安排執(zhí)行時間較短的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行?？梢宰C明，對于一批同時到達的任務(wù)，采用SJF算法將得到一個最小的平均周轉(zhuǎn)時間。n SJF算法有不可搶占方式和可搶占方式兩種實現(xiàn)方案。在不可搶占方式，只有任務(wù)運行完畢或者是被阻塞時，才會讓出CPU進行新的調(diào)度。而在可搶占方式，當(dāng)前任務(wù)正在運行的時候，來了一個比它執(zhí)行時間更短的任務(wù)，而且它的運行時間要小于當(dāng)前正在運行的任務(wù)的剩余時間，那么這個新任務(wù)就會搶占CPU去運行。這種方法也稱為SRTF（Shortest Re

50、maining Time First，最短剩余時間優(yōu)先算法） n 4時間片輪轉(zhuǎn)算法（Round Robin，RR）n RR算法如圖所示。在RR（Round Robin，時間片輪轉(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)的原則進行排列，然后，在每次調(diào)度的時候，處理器分派給隊列當(dāng)中的第一個任務(wù)一小段CPU執(zhí)行時間（time slice，時間片）。當(dāng)這個時間片結(jié)束的時候，如果任務(wù)還沒有執(zhí)行完的話，將會發(fā)生時鐘中斷，調(diào)度器將會暫停當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行，并把這個任務(wù)送到就緒隊列的末尾，然后再執(zhí)行當(dāng)前的隊列的第一個任務(wù)。如果一個任務(wù)在分配給它的時間片結(jié)束前就已經(jīng)運行結(jié)束了或者是被阻塞了，那么它就會立即讓

51、出CPU給其他的任務(wù)。 n 5優(yōu)先級算法（priority）n在優(yōu)先級調(diào)度算法（priority）中，給每一個任務(wù)都設(shè)置一個優(yōu)先級，然后在任務(wù)調(diào)度的時候，在所有處于就緒狀態(tài)的任務(wù)中選擇優(yōu)先級最高的那個任務(wù)去運行。n優(yōu)先級算法可以分為可搶占和不可搶占兩種方式。在可搶占方式中，當(dāng)一個任務(wù)正在運行的時候，如果這時來了一個新的任務(wù)，其優(yōu)先級更高，則立即搶占CPU去運行這個新任務(wù)。而不可搶占方式則是需要等當(dāng)前任務(wù)運行完后再決定。 n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。 5.4 嵌入式系統(tǒng)的存儲管理n 5.4.1嵌入式存儲管理方式的特點n 嵌入式系統(tǒng)的存儲管理方式與系統(tǒng)的實際應(yīng)用領(lǐng)域及硬件環(huán)境密切

52、相關(guān)，不同的嵌入式系統(tǒng)采用不同的存儲管理方式，需要考慮硬件條件、實時性要求、系統(tǒng)規(guī)模、可靠性要求等因素。系統(tǒng)的實時性要求直接影響到存儲管理的實現(xiàn)方式，即必須在某個限定的時刻之前完成。在實時系統(tǒng)中，存儲管理方法就比較簡單，甚至不提供存儲管理功能。而對一些實時性要求不高，可靠性要求比較高、比較復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，需要實現(xiàn)對操作系統(tǒng)或任務(wù)的保護，在存儲管理方式上就相對較為復(fù)雜。 n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)存保護的硬件機制。內(nèi)存保護用來防止地址越界和防止操作越權(quán)。采用內(nèi)存保護機制的每個應(yīng)用程序都有自己獨立的地址空間，當(dāng)一個應(yīng)用程

53、序要訪問某個內(nèi)存單元時，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行地址越界處理；二是防對于允許多個應(yīng)用程序共享的某塊存儲區(qū)域，每個應(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，則要進行操作越權(quán)處理。操作系統(tǒng)通常利用MMU來實現(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 5.4.2存儲管理的實模式與保護模式n 實模式和保護模式是嵌入式操作系統(tǒng)中常見的兩個存儲管理方式。n 1實模式存儲管理 n在實模式存儲管理方式中，系統(tǒng)不使用MMU；不劃分“系統(tǒng)空間”和“用戶空間”，整個系統(tǒng)只有一個地址空間，即物理內(nèi)存地址空間；應(yīng)用程序和系統(tǒng)程序都能直接對所有的內(nèi)存單元進行隨意

54、訪問，無須進行地址映射；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系統(tǒng)文件中。n在實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、棧五個部分。其中：.text：（代碼段）用來存放操作系統(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)運行時，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。棧用來保存運行上下文以及函數(shù)調(diào)用時的局部變量和運行參數(shù) 。 n對于實時系統(tǒng)

55、來說，實模式方案簡單、存儲管理的開銷確定，比較適合于規(guī)模較小、簡單和實時性要求較高的系統(tǒng)。其缺點是沒有存儲保護、安全性差，在應(yīng)用程序中出現(xiàn)的任何一個小錯誤或蓄意攻擊都有可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰。n 2保護模式存儲管理n在保護模式存儲管理方式中，微處理器必須具有MMU硬件并啟用它。在保護模式存儲管理方式中，系統(tǒng)內(nèi)核和用戶程序有各自獨立的地址空間，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，具有存儲保護功能。 n保護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)雜和實時性要求不太高的系統(tǒng)。 n分

56、區(qū)存儲管理n固定分區(qū)存儲管理n可變分區(qū)存儲管理n頁式存儲管理n虛擬頁式存儲管理 分區(qū)存儲管理n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)劃分為若干個分區(qū)，可以同時有多個任務(wù)在系統(tǒng)中運行，每個任務(wù)都有各自的地址空間。n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。n 1固定分區(qū)存儲管理n采用固定分區(qū)存儲管理方法時，各個用戶分區(qū)的個數(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，各個分區(qū)的大小可以是相等的，也可以是不相等的。 n固定分區(qū)存儲管理方法的優(yōu)點是易于實現(xiàn)，系統(tǒng)的開銷比較小，空閑空間的管理、內(nèi)

57、存的分配和回收算法都非常簡單。其缺點是內(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；分區(qū)的總數(shù)是固定的，限制了并行執(zhí)行的程序個數(shù)，N個分區(qū)最多只能有N個任務(wù)在同時運行。 n 2.可變分區(qū)存儲管理n采用可變分區(qū)存儲管理方法時，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。在系統(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，其余的空間則成為一個完整的大空閑區(qū)。在裝入一個程序時，系統(tǒng)將根據(jù)它的需求和內(nèi)存空間的使用情況，從這個空閑區(qū)當(dāng)中劃出一塊來，分配給它，當(dāng)程序運行結(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，將一個完整

58、的空閑區(qū)劃分成若干個占用區(qū)和空閑區(qū)。n與固定分區(qū)相比，可變分區(qū)存儲管理的分區(qū)的個數(shù)、位置和大小都是隨著任務(wù)的進出而動態(tài)變化的，非常靈活。每個分區(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)。 n在具體實現(xiàn)可變分區(qū)存儲管理技術(shù)的時候，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)存的回收算法三個方面的問題。 n在內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)會維護一個分區(qū)鏈表，來跟蹤記錄每一個內(nèi)

59、存分區(qū)的情況，包括該分區(qū)的狀態(tài)（已分配或空閑）、起始地址、長度等信息。n在內(nèi)存的分配算法上，當(dāng)一個新任務(wù)來到時，需要為它尋找一個空閑分區(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)分割成兩個小分區(qū)，其中一個分區(qū)為要求的大小并標(biāo)記為“占用”，另一個分區(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）。n在內(nèi)存的回收算法上，當(dāng)一個任務(wù)運行結(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

60、它們合并為一個大的空閑分區(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)點進行合并，并對其內(nèi)容進行更新。 5.4.4地址映射n 1物理地址和邏輯地址n地址映射涉及到物理地址和邏輯地址兩個基本概念。n（1）物理地址（physical address）n物理地址也叫內(nèi)存地址、絕對地址或?qū)嵉刂?。將系統(tǒng)內(nèi)存分割成很多個大小相等的存儲單元，如字節(jié)或字，每個單元給它一個編號，這個編號就稱為物理地址。操作時只有通過物理地址，才能對內(nèi)存單元進行直接訪問。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。物理地址是一個一維的線性空間，例如，一個內(nèi)存的大小為256MB，那么它的內(nèi)存地址空間是從0 x0到0 x0

61、FFFFFFF。 n（2）邏輯地址（logical address）n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首地址來編址的。顯然，邏輯地址和物理地址是完全不同的，不能用邏輯地址來直接訪問內(nèi)存單元。n因此，為了保證CPU在執(zhí)行指令時可以正確地訪問存儲單元，系統(tǒng)在裝入一個用戶程序后，需要將用戶程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為運行時由機器直接尋址的物理地址，這個過程就稱為地址映射。只有把程序當(dāng)中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，才能正常運行。 n 2. 地址映射方式n地址映射是由存儲管理單元MMU來

62、完成的。當(dāng)一條指令在CPU當(dāng)中執(zhí)行時，在需要訪問內(nèi)存時，CPU就發(fā)送一個邏輯地址給MMU，MMU負(fù)責(zé)把這個邏輯地址轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理地址，并根據(jù)這個物理地址去訪問內(nèi)存。地址映射主要有靜態(tài)地址映射和動態(tài)地址映射兩種方式。n （1）靜態(tài)地址映射n用戶程序在裝入之前，代碼內(nèi)部使用的是邏輯地址。采用靜態(tài)地址映射方式時，當(dāng)用戶程序被裝入內(nèi)存時，直接對指令代碼進行修改，一次性地實現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。在具體實現(xiàn)時，在每一個可執(zhí)行文件中，要列出各個需要重定位的地址單元的位置，然后由一個加載程序來完成裝入及地址轉(zhuǎn)換的過程，將所有的邏輯地址都轉(zhuǎn)換成了物理地址。程序一旦裝入到內(nèi)存以后，就不能再移動了。 n（2

63、）動態(tài)地址映射n采用動態(tài)地址映射方式時，當(dāng)用戶程序被裝入內(nèi)存時，不對指令代碼做任何修改，而是在程序的運行過程中，當(dāng)它需要訪問內(nèi)存單元的時候，再來進行地址轉(zhuǎn)換。地址轉(zhuǎn)換一般是由硬件的地址映射機制來完成的，通常的做法是設(shè)置一個基地址寄存器（或者叫重定位寄存器），當(dāng)一個任務(wù)被調(diào)度運行時，就把它所在分區(qū)的起始地址裝入到這個寄存器中。然后，在程序的運行過程中，當(dāng)需要訪問某個內(nèi)存單元時，硬件就會自動地將其中的邏輯地址加上基地址寄存器當(dāng)中的內(nèi)容，從而得到實際的物理地址，并按照這個物理地址去執(zhí)行。 5.4.5頁式存儲管理n與分區(qū)存儲管理方式不同，頁式存儲管理方式打破存儲分配的連續(xù)性，一個程序的邏輯地址空間可以

64、分布在若干個離散的內(nèi)存塊上，以達到充分利用內(nèi)存，提高內(nèi)存利用率的目的。n在頁式存儲管理方式中，一方面，把物理內(nèi)存劃分為許多個固定大小的內(nèi)存塊，稱為物理頁面（physical page )，或頁框（page frame )。另一方面，把邏輯地址空間也劃分為大小相同的塊，稱為邏輯頁面（logical page )或簡稱為頁面（page）。頁面的大小為2n，一般在512個字節(jié)到8KB之間。當(dāng)一個用戶程序被裝入內(nèi)存時，不是以整個程序為單位，把它存放在一整塊連續(xù)的區(qū)域中，而是以頁面為單位來進行分配的。對于一個大小為N個頁面的程序，需要有N個空閑的物理頁面，這些物理頁面可以是不連續(xù)的。 n在實現(xiàn)頁式存儲管

65、理時，需要解決數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)存的分配與回收、地址映射等問題。 n 1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)n在頁式存儲管理中，最主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有頁表（page table )和物理頁面表兩個。頁表給出了任務(wù)的邏輯頁面號與內(nèi)存中的物理頁面號之間的對應(yīng)關(guān)系。物理頁面表用來描述內(nèi)存空間當(dāng)中，各個物理頁面的使用分配狀況。物理頁面表可以采用位示圖或空閑頁面鏈表等方法來實現(xiàn)。 n 2. 內(nèi)存的分配與回收n當(dāng)一個任務(wù)到來時，需要考慮如何給它分配內(nèi)存空間？當(dāng)一個任務(wù)運行結(jié)束后，需要考慮如何來回收它所占用的內(nèi)存空間？內(nèi)存的分配與回收算法與物理頁面表的實現(xiàn)方法是密切相關(guān)的。n當(dāng)一個任務(wù)到來時，首先需要計算它所需要的頁面數(shù)N，查詢是否還有N個空閑

66、的物理頁面；如果有足夠的空閑物理頁面，則需要申請一個頁表，其長度為N，并把頁表的起始地址填入到該任務(wù)的任務(wù)控制塊TCB當(dāng)中；然后分配N個空閑的物理頁面并編號，把它們的編號填入到頁表中，建立邏輯頁面與物理頁面之間的對應(yīng)關(guān)系，并對剛剛被占用的那些物理頁面進行標(biāo)記。n當(dāng)一個任務(wù)運行結(jié)束，釋放了它所占用的內(nèi)存空間后，需要對這些物理頁面進行回收。 n 3地址映射n 在頁式存儲管理方式中，當(dāng)一個任務(wù)被加載到內(nèi)存后，連續(xù)的邏輯地址空間被劃分為一個個的邏輯頁面，這些邏輯頁面被裝入到不同的物理頁面當(dāng)中。在這種情況下，為了保證程序能夠正確地運行，需要把程序中使用的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存訪問時的物理地址，完成地址映射。n地址映射是以頁面為單位來進行處理的。在進行地址映射時，首先分析邏輯地址，對于給定的一個邏輯地址，找到它所在的邏輯頁面，以及它在頁面內(nèi)的偏移地址；然后進行頁表查找，根據(jù)邏輯頁面號，從頁表中找到它所對應(yīng)的物理頁面號；最后進行物理地址合成，根據(jù)物理頁面號及頁內(nèi)偏移地址，確定最終的物理地址。 n應(yīng)注意的是，采用頁式存儲管理方式，程序必須全部裝入內(nèi)存，才能夠運行。如果一個程序的規(guī)模大于當(dāng)前的空閑空間的總和