【浙大 | 嵌入式系统】第七节

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  • 操作系统概述

  • 实时操作系统 uC/OS简介

  • 实时操作系统 uC/OS-Ⅱ的内核结构

  • 实时操作系统 uC/OS-Ⅱ中的中断与任务通讯

  • 实时操作系统 uC/OS-Ⅱ在ARM7上的移植

实时操作系统追求目标：对外部请求在严格时间范围内作出反应，高可靠性、安全性和完整性。

操作系统的内核：
操作系统内核是指操作系统的核心部分

  • 设备中都出现的基本操作系统功能

  • 实时内核负责中断、任务、通讯、硬件接口（存储器、I/O管理）等管理

  • 扩展内核加入管理虚拟内存

  • 内核本身也是由任务（进程）构成

  • 文件管理、用户接口、外设和系统资源管理是建立在内核基础上进行的

内核管理各个任务

  • 决定什么任务、什么时候可以获得CPU使用权

  • 分配每个任务的CPU使用时间

  • 任务的上下文切换

  • 任务之间的通讯

代码临界区：
处理时不可分割的代码，一旦这部分代码开始执行，不允许任何中断打入。在进入临界区之前要关中断，临界区代码执行完毕后要立即开中断。

嵌入式中调度一般是基于优先级的，根据其重要不同被赋予任务不同的优先级。CPU 总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。
何时让高优先级任务掌握 CPU 的使用权，有两种不同的情况，这要看用的是什么类型的内核：

  • 非抢占式内核

  • 抢占式内核

嵌入式操作系统

什么是嵌入式系统？

  • 在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件管理系统；

  • 是设备、装置或系统中的一部分，这个设备、装置或系统可以不是“计算机”

  • 通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境中；

典型嵌入式操作系统的特性：

  1. 完成某一项或有限项功能；不是通用型；

  2. 在性能和实时性方面有严格的限制；

  3. 能源、成本和可靠性通常是影响设计的重要因素；

  4. 占有资源少、易于连接；

  5. 系统功能可针对需求进行裁剪、调整和生成以便满足最终产品的设计要求

实时操作系统 uC/OS简介
性能特点：

  • 开源

  • 可移植性，uC/OS-Ⅱ源码主要用 ANSI C 写，移植性强，支持 8 位/16位/32位以及64位微处理器、微控制器和 DSP

  • 可固化，内核可以裁剪得很小

  • 可裁剪，通过条件编译，可以根据应用需要只使用uC/OS-Ⅱ中的部分系统服务

  • 抢占式实时结构

  • 多任务 uC/OS-Ⅱ可以管理64个任务，其中保留8个给系统，应用程序最多可以有56个任务

  • 可确定性：全部uC/OS-Ⅱ的函数调用与服务的执行时间是可确定的

  • 任务栈：每个任务都有自己单独的栈，允许每个任务有不同的栈空间，以便减少应用程序对RAM的需求

  • 中断管理：中断嵌套层数可达255层

实时操作系统 uC/OS-Ⅱ的内核结构

  • 任务管理

  • 中断处理

  • 时间管理

  • 任务之间通信与同步

uC/OS-Ⅱ中任何工作都是用任务来构成的，

// 典型的任务为一个无线循环void mytask(void *pdata){for(;;){do something;waiting;do something;}}

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每个任务号与优先级相对应，数字越小优先级越高。
当任务完成以后，任务可以自行离开就绪队列，OSTaskDel()；

中断任务：
运行的任务是可以被中断的，响应中断时，正在执行的任务被挂起，中断服务子程序控制了CPU的使用权，从中断服务子程序返回之前，uC/OS-Ⅱ要判定，被中断的任务是否还是就绪任务中优先级最高的。
中断服务程序太长会影响实时性。
空闲任务：
当所有的任务都在等待事件发生时uC/OS-Ⅱ执行OSTaskIdle() 函数。

uC/OS中不支持时间片轮转法，每个任务的优先级要求不一样而且是唯一的，所以任务调度的工作就是：查找准备就绪的最高优先级的任务并进行上下文切换；
uC/OS任务调度所花的时间为常数，与应用程序中建立的任务数无关，利用查表法。

查表法具有确定的时间，增加了系统的可预测性，uC/OS中所有的系统调用时间都是确定的。

任务级的任务切换 OS_TASK_SW()

  • 通过sc系统调用指令完成

  • 保护当前任务的现场

  • 恢复新任务的现场

  • 执行中断返回指令

  • 开始执行新任务

中断类型：

  • 硬件中断；

  • 外部中断；

  • 陷阱中断；

  • 现场控制量的中断；

uC/OS-Ⅱ中的中断：

  1. 保护现场

  2. 进入临界区标志；

  3. 执行中断服务程序；

  4. 退出临界区标志；

  5. 恢复现场，不一定是之前保护的现场，根据优先级；

  6. 执行恢复后的代码；

响应中断在恢复现场阶段，会查询当前就绪的最高优先级任务，将最高优先级任务恢复。

时钟节拍中断定时检查各个任务。

任务间通讯：信号量、邮箱、消息队列、事件标志。

可为任务进行延时。

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