第十一讲 嵌入式操作系统概述(2013)

对于实时嵌入式系统（无 MMU)而言:
所以每个可调度单元虽然拥有自己 的堆栈，但是却运行在同一内存空 间，我们称其为任务
Sep 2013
内存空间
任务
单进程，多线程
No. 18
任务的概念的说明
一个任务，也称作一个线程，是一个简单的程序，嵌入式 操作系统分配资源的基本单位,该程序可以认为CPU完全 只属于该程序自己。
控制模块
DMA控制器 中断控制器 PMC和处理器的时钟管理 定时器-Timer 看门狗-Watchdog 脉宽调制输出-PWM 实时时钟-RTC
Sep 2013
No. 3
复习－嵌入式系统硬件设计
人机接口
LCD： STN/TFT 液晶显示屏，LCD控制器－LCD驱动器－液晶屏 键盘设计：N*N键盘使用N＋1 接口实现的方法 音频接口： I2S 和AC97
Sep 2013
No. 4
目 复习嵌入式系统硬件设计 嵌入式操作系统的发展 嵌入式操作系统的基本原理
任务和调度 任务同步和通信 中断,时钟
录
Sep 2013
No. 5
操作系统概述
OS 是位于计算机硬件系统之上，控制和管理计算机软硬 件资源，为用户提供便捷使用计算机的程序集合 OS的作用：
嵌入式系统概论
第十一讲
嵌入式操作系统概述
刘 昊 东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心Sep 2013Fra bibliotekNo. 1
目 复习嵌入式系统硬件设计 嵌入式操作系统的发展 嵌入式操作系统的基本原理
任务和调度 任务同步和通信 中断,时钟
录
Sep 2013
No. 2
复习－嵌入式系统硬件设计
通信
UART：通用异步串口和RS232/RS485 SPI ：同步串行接口 I2C SDA、SCL 两线制串行总线
可编程器件
基于乘积项（Product-Term)的PLD结构/CPLD 基于查找表（Look-Up-Table) 的PLD结构/FPGA CPLD和FPGA的区别
No. 7
计算机操作系统的作用

它在计算机应用程序与计算机硬
件系统之间，屏蔽了计算机硬件
工作的一些细节，并对系统中的
资源进行有效的管理。 从用户的角度来看，它就是一大堆 通过提供函数（应用程序接口（ 函数（API 和系统函数），用户可 API）），从而使应用程序的设计 以调用（普通调用或系统调用）它 们来对系统资源进行操作。 人员得以在一个友好的平台上进 行应用程序的设计和开发，大大 地提高了应用程序的开发效率。
很多基于微处理器的产品采 用前后台系统设计，例如微波 炉、电话机、玩具等。极端情 况下，后台只是一个简单的循 环不做任何事情所有其它工作 都是由中断处理程序完成的
Sep 2013
No. 12
嵌入式软件的发展——多任务操作系统 问题的提出：对于一个复杂的嵌入式实时系统来说 当采用中断处理程序加后台主程序难以完成时 存在一些互不相关的过程需要在一个计算机中同时处理时,
Sep 2013
应用软件 操 作 系 统
高级语言的接口
用汇编语言编写 的硬件抽象层 计算机硬件
No. 8
操作系统基本功能
1.任务管理 2.CPU管理 任务是程序的一次执行。任务可以 3.内存管理 CPU管理的含义在于多任务OS对 分为系统任务和用户任务。系统任 4.文件管理 内存是任务的生存空间。内存管理 CPU的分配，也就是分配对CPU 务是操作系统本身的任务，如操作 文件管理系统是实现对文件的统一 5.IO设备管理 用于给任务分配内存空间，相应的 的所有权，简单说，哪个软件正在 系统的主程序，时钟中断服务程序 管理，是对文件存储器的存储空间 管理系统中的各种硬件设备，如打 ，在任务结束后释放内存空间。 运行，占有CPU。可以把它归入任 ，如后面要讲到的空闲任务和统计 进行组织，分配和回收，负责文件 务管理。印机，显示器，硬盘等。很明显， 任务等。用户任务是用户应用程序 的存储，检索，共享和保护。从用 用户应用程序应该调用IO设备管理 的运行，如用户设计的计算器软件 户角度来看，文件系统主要是实现 模块提供的API来对设备进行操作 的一次执行或WORD软件的运行， "按名取存"，文件系统的用户只要 ，而不是直接读写硬件。 如本书中给出的一些用户任务。这 知道所需文件的文件名，就可存取 些任务都需要任务管理部分来管理 文件中的信息，而无需知道这些文 。。 件究竟存放在什么地方。
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No. 19
任务：example
手持数据采集终端的打印 ……
creatTASK(myprintf, priority) ； …… void myprintf( ) { while(1) { 等待接收队列信息； 往打印机发送打印信息； } }
这里myprintf 任务将调用操作系统提 供的系统调用，如果接受队列中没有数 据，操作系统将挂起该任务，并将控制 权交给另一个就绪的任务，当接受队列 中有数据从而激活myprintf任务，使其 进入就绪态，等待内核的再次调度
管理计算机：OS用来更有效的管理和分配系统的硬、软件资源，使得其 能够发挥更大的作用。 使用计算机：OS通过内部复杂的综合处理，为用户提供友好、快捷的操 作界面，以便用户无需了解计算机软、硬件的细节就能方便地使用计算机
OS的主要功能
进程管理 存储管理 设备管理 文件管理 用户接口/作业管理
任务（TASK）就是一个拥有自己堆栈的函数; 每个任务都是一个无限的循环； 每个任务被赋予一定的优先级; 每个任务认为自己独自享用CPU寄存器和自己的栈空间 ; 任务通过控制块 TCB描述； 每个任务都处在若干个状态下；
实时应用程序的设计过程:
包括如何把问题分割成多个任务； 每个任务都是整个应用的某一部分
资源管理与资源共享
CPU，IO，内存等是系统基本的资源，如何有效的应用和管理 如何提供任务间资源的互斥，也是一稳定系统必不可缺的条件。
任务间通讯
对于不同任务间的通讯，在不同的系统中有不同的实现，事件和消息用 得较多。
中断处理：
在嵌入式系统相中，中断处理也是响应外部事件的主要途径。
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No. 20
多任务操作系统
实时操作系统的是多任务的操作系统，系统中必然有多任务 在执行。其中有用户任务，也有操作系统的系统任务如空闲任 务和统计任务。 多任务的运行相对于其他的系统，其优点是可以提高CPU的 利用率，又必然使应用程序分成多个程序模块，实现模块化， 应用程序更易于设计和维护。 在嵌入式应用的场合的多任务使用的例子是在一个ARM采集
Sep 2013
No. 10
嵌入式软件的发展－循环轮询系统 单线程程序Single-threaded program 也称为顺序程序Sequential program,它分为两种： 循环轮询系统:(Polling Loop)最简单的软件结构是循环轮询
优点: 便于实现 没有中断机制，程序运行良好不会出现随机的问题 缺点: 有限的应用领域) 对于大量的I/O服务的应用不易实现;
处理系统中，同时采集16路信号，同时又要对多信号进行处理
和传输，可以创建16个任务负责16路信号的采集，创建一个任 务对信号进行处理，再创建一个任务负责数据的传输。
Sep 2013
No. 21
堆栈的概念
操作系统可以看作是多个任务间的按需切换。
任务是一个带有自己堆栈的函数。 函数的调用和中断处理都需要用到堆栈、 任务之间的切换也可以从维护堆栈入手来理解。
No. 16
任务的概念
任务是程序的动态表现，在操作系统中体现为线程，是程序的一
次执行过程。 程序是静止的，存在于ROM、硬盘等外部设备。任务是运动的 ，存在于内存中，有睡眠、就绪、运行、阻塞、挂起等多种状态。 相同的程序的多次执行是可以的，就形成了多个优先级不同的任
务，每一个都是独立的。
在实时系统中，把应用程序的设计过程分割为多个任务，每个任 务都有自己的优先级，在操作系统的调度下协调运行。
函数调用堆栈
U32 Func1(U32 arg1, void *ptr, U16 arg3); Main() { … I = func1(a, p, c); … } U32 func1(U32 arg1, void *ptr, U16 arg3) { U32 x; …… Return x;
Sep 2013
No. 6
什么是计算机操作系统
操作系统是一种为应用程序提 供服务的系统软件，是一个完整 计算机系统的有机组成部分。

从层次来看，操作系统位于计 算机硬件之上，应用软件之下。 所以也把它叫做应用软件的运行 平台。

简而言之，OS 就是一个屏蔽层，屏蔽了 计算机的具体硬件，向使用者提供了一台虚拟 的计算机开发、使用环境。 Sep 2013
缺点：
需要采用一些新的软件设计方法 需要增加功能：线程间的协调同步和通信功能 需要对每一个共享资源互斥 导致线程间的竞争 需要使用RTOS，RTOS要增加系统的开销
Sep 2013
No. 14
多任务嵌入式操作系统的任务
多任务及其调度
多个任务同时存在于系统中，任务在嵌入式系统中有各种各样的状态， 比如：运行态，IDLE态等。 对于多任务的管理及其实时调度，决定了此系统的主要特征。任务的调 度与如何切换，也是嵌入式多任务系统的一个基本问题。
Sep 2013
No. 9
嵌入式操作系统概述 嵌入式操作系统－基本概念
嵌入式系统软硬件资源的控制中心 以尽量合理有效的方法组织多个用户共享嵌入式系统的各种资源 通常复杂的操作系统支持文件系统