文章目录
- 嵌入式软件基础
- 嵌入式操作系统基础
- 嵌入式系统的任务管理
-
- 进程、线程和任务
-
- 进程（process）
- 线程
- 任务
- 多速率系统
- 可抢占的实时操作系统
- 基于优先级的调度
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- 单一速率调度算法（RMS）
- 共享资源
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- 信 量机制
- 优先级反转
- 最早截止时限优先调度（EDF）
- 模型化的假设的介绍
- 进程间通信机制
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- 共享内存
- 信息传递
- 信
- 实时操作系统的性能评估
嵌入式软件基础
- 嵌入式软件的特点
- 规模较小：几MB以内。
- 开发难度大：硬件资源有限，时间和空间的限制，涉及到底层软件，运行环境和开发环境受限
- 高实时性和可靠性要求：
- 确定的、可重复的、可预测的；
- 事件的处理要在限定的时间期限之前完成，否则就有可能引起系统的崩溃。例如航天控制、核电站、工业机器人
- 软件固化存储
- 嵌入式软件的分类
- 系统软件：设备驱动程序、嵌入式操作系统、嵌入式中间件等。
- 应用软件：嵌入式系统功能的体现，一般面向特定的应用领域。
- 支撑软件：辅助软件开发的工具软件
- 系统软件和应用软件运行在目标平台，软件开发工具运行在宿主机上。
- 嵌入式软件的体系结构：无操作系统和有操作系统
- 无操作系统的嵌入式软件
- 采用循环轮转和中断（前后台）两种实现方式。
- 循环轮转方式：把系统的功能分解为若干个不同的任务，按照时间顺序逐一执行。当程序执行完一轮后，又回到程序的开头重新执行，循环不断。
- 中断方式：又称为前后台系统形式，系统在循环轮转方式的基础上增加了中断处理功能。
- 前台程序，无中断时运行的程序。
- 后台程序，处理中断服务。
- 采用循环轮转和中断（前后台）两种实现方式。
- 无操作系统的嵌入式软件
- 内部分为若干个层次（0～N），各个层次之间的调用关系是单向的
- 每个层次上都提供一组API接口函数
嵌入式系统的任务管理
- 单道程序设计和多道程序设计
- 单道程序设计类型
- 单道程序设计类型
进程、线程和任务
进程（process）
- 进程是一次执行过程，它是暂时的，是动态地产生和终止的
- 一个程序主要由代码和数据两部分内容组成。而进程是正在执行的程序，有相应程序的代码和数据
- 它是由程序和该程序的运行上下文两部分内容组成
- 程序是静态的，而进程是一个动态的，变化的
- 一个进程在运行的时候可以启动一个或多个程序，同一个程序也可能由多个进程同时执行
- 程序可以以文件的形式存放在硬盘或光盘上，作为一种软件资源长期保存。进程是暂时的，是动态地产生和终止的
- CPU上下文：
- 程序在运行时，CPU中含有PC（程序计数器）、程序状态字、通用寄存器、段寄存器、栈指针寄存器等各种寄存器的当前值内容
- 系统资源：操作系统用来管理进程的数据结构、进程的内存地址空间、进程正在使用的文件等
- 进程具有独立性，一个进程是一个独立的实体，占有计算机的系统资源，每个进程都有自己的运行上下文和内部状态，在它运行的时候独立于其他的进程
- 进程具有并发性，在系统中同时有多个进程存在，它们相互独立地运行
线程
- 线程（thread）是一个比进程更小的能独立运行的基本单位。所谓的线程，就是进程当中的一条执行流程
- 从资源组合的角度来看，进程把一组相关的资源组合起来，构成了一个资源平台（资源环境）
- 可以把进程看成是程序代码在这个资源平台上的一条执行流程（线程），也就是可以认为
- 在一个进程当中，或者说在一个资源平台上，可以同时存在多个线程。可以用线程来作为CPU的基本调度单位，使得各个线程之间可以并发执行
-
任务的创建
- 系统初始化、任务运行过程中、人机交互等过程中都可以创建任务
- 在系统初始化时，一般都会创建系统与用户进行交互的一些前台任务，以及完成键盘扫描、系统状态检测、时间统计等一些特定功能的后台任务
- 在任务运行过程中，也能够使用相应的系统调用来创建新的任务，以帮助它完成自己的工作
- 在一些具有交互功能的嵌入式系统中，用户可以通过输入命令或单击图标的方式，让系统启动一个新的任务
- 创建基本方法：是在一个已经存在的任务当中，通过调用相应的系统函数来创建一个新的任务
- 任务的创建主要采用fork/exec和spawn两种模型
- fork/exec模型源于IEEE/ISO POSIX 1003.1标准
- spawn模型是从它派生出来的
- 系统初始化、任务运行过程中、人机交互等过程中都可以创建任务
- 创建过程
- 为新任务分配相应的数据结构，存放各种管理信息，分配内存空间，存放任务的代码和数据
- 当新任务准备就绪后，就可以运行它
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任务的终止
- 原因：
- 正常退出：当一个任务完成了所有的工作，需要结束运行，提出退出要求
- 错误退出：当一个任务在执行过程中，出现了致命的错误，系统强制性地终止该任务
- 被其它任务踢出：操作系统中可以提供一些系统调用函数，用来把一个任务从系统中清除出局，称为被其它任务踢出
- 在一些嵌入式系统中，某些任务被设计为“死循环”的模式，任务不会自行终止
- 原因：
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任务的状态：运行（running）、就绪（ready）和阻塞（blocked）
- 运行状态，占有CPU，并在CPU上运行，在任何一个时刻，处于运行状态的任务个数必须小于或等于CPU的数目
- 就绪状态，当一个任务已具备运行条件，但由于CPU正在运行其他的任务，暂时不能运行该任务
- 阻塞状态，也叫等待状态（waiting），任务因为正在等待某种事件的发生而暂时不能运行
- 在一定条件下，任务会在不同的状态之间相互转换
- 可抢占调度解决了协同多任务系统的若干问题
- 准备满足时限需求
- 使用在任意时刻运行哪个进程
- 内核：
- 确定在CPU下一个运行的任务
- 上下文切换: 一个进程的寄存器切换到另一个进程
- 上下文：一组寄存器
- 上下文切换：一个进程的寄存器切换到另一个进程的寄存器
- 原来进程的寄存器存储到记录（TCB）里
- 取出要执行的进程记录（TCB）中的数据放到寄存器中
- 代码通常是汇编写的
- 恢复上下文要特别快捷
- 可抢占调度解决了协同多任务系统的若干问题
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实时系统调度
- 实时系统的调度要求实时性，RTOS调度器要让每个任务都在其最终时间期限（deadline）之前完成
- 多采用基于优先级的可抢占调度算法
- RTOS任务模型
- 每一个任务用一个三元组来表示（执行时间、周期、时间期限）
- 执行时间：E(i)是指第i个任务在CPU上执行的最长时间
- 周期：P(i)是第i个任务连续两次运行之间的最小时间间隔
- 时间期限：D(i)是指第i个任务所允许的最大响应时间。一般来说，
- 启动时间t(i) ：第i个任务在CPU上开始执行的时间
- 例：没有可行的调度
- 一组进程
- 进程p1，执行时间2，周期4
- 进程p2，执行时间3，周期6
- 进程p3，执行时间3，周期12
- 优先级：p1最高，p2次之，p3最低
- 无调度保证
- 长度12，p1运行3次；p2运行2次；p3运行1次；
- CPU使用时间：32+23+1*3=15，超出周期长度
- 一组进程
- 例：利用率的计算
- 进程p1，周期4，执行时间2
- 进程p2，周期12，执行时间1
- 周期长度：最小公倍数12；
模型化的假设的介绍
- 单一速率调度假定进程间不存在数据相关
- 示例：数据相关与调度
- 数据相关意味着一些特定进程组合永远不会出现
- 若上下文切换时间为0，调度可以实现
- 若上下文切换时间为1，则需要： 2 （ 3 + 1 ） + （ 1 + 3 ） = 12 2*（3+1）+（1+3）=12 2/span>（3+1）+（1+3）
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