第六章、嵌入式操作系统(精)
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嵌入式操作系统
嵌入式操作系统嵌入式操作系统是一种特殊的操作系统，用于控制嵌入式设备的操作和功能。
它通常被设计成具有小巧、高效、快速响应和稳定性强等特点，以适应嵌入式设备的资源限制和实时性要求。
本文将介绍嵌入式操作系统的基本概念、分类、应用和发展趋势。
一、基本概念嵌入式操作系统是在嵌入式系统中运行的一种软件系统。
它负责管理和控制硬件资源，提供对应用程序的支持和调度，以实现各种功能需求。
在嵌入式系统中，它不仅仅是一个软件组件，更是整个系统的核心。
二、分类嵌入式操作系统可以根据其结构和特点进行分类。
1. 实时操作系统（RTOS）实时操作系统是一种关注任务响应时间的嵌入式操作系统。
它能够确保任务在预定的时间内完成，并满足实时性要求。
实时操作系统广泛应用于航空航天、汽车电子、工业控制等领域。
2. 嵌入式Linux嵌入式Linux是指将Linux操作系统移植到嵌入式设备上的一种操作系统。
它继承了Linux的开放性和稳定性，并且具有丰富的软件资源和开发工具。
嵌入式Linux在智能手机、平板电脑、智能电视等设备中得到广泛应用。
3. 嵌入式Windows嵌入式Windows是指将Windows操作系统移植到嵌入式设备上的一种操作系统。
它兼容Windows的API和应用程序，为开发者提供了熟悉的开发环境和工具。
嵌入式Windows在工业自动化、医疗设备等领域被广泛采用。
三、应用嵌入式操作系统在各个领域都有广泛的应用。
1. 汽车电子嵌入式操作系统在汽车电子中起到了至关重要的作用。
它可以控制车身电子系统、信息娱乐系统、车载网络等，提高驾驶安全性和乘车舒适度。
2. 智能家居随着物联网技术的发展，越来越多的家庭设备开始智能化。
嵌入式操作系统可以用于控制家庭自动化设备，如智能门锁、智能灯光、智能家电等，实现远程控制和智能化管理。
3. 工业自动化工业自动化是嵌入式操作系统的一个重要应用领域。
它可以用于控制工业机器人、生产线设备、监控系统等，提高生产效率和质量稳定性。
嵌入式控制系统原理及设计课件6-1 嵌入式操作系统概述
嵌入式控制系统原理及设计
6.1.1 嵌入式实时操作系统的概念
【任务调度】
• 任务调度是嵌入式实时操作系统的一项主要功能，一般总是让处于就绪队列中，优先级 最高的任务先执行。
• 任务调度伴随着任务的上下文切换，消耗一部分资源。
上下文切换
上下文切换
上下文切换
OS
OS
OS
OS
任务A
任务B 时间
任务C
嵌入式控制系统原理及设计
嵌入式控制系统原理及设计
6.1.1 嵌入式实时操作系统的概念
（6）优先级翻转 • 优先级天花板是当任务申请某资源时，把该任务的优先级提升到可访问这
个资源的所有任务中的最高优先级，这个优先级称为该资源的优先级天花 板。这种方法简单易行，不必进行复杂的判断，不管任务是否阻塞了高优 先级任务的运行，只要任务访问共享资源都会提升任务的优先级。
• 分时操作系统将CPU的时间划分成若干个片段，称为时间片。操作系统以 时间片为单位，轮流为每个终端用户服务。
6.1.3 操作系统的分类
6.1.3 操作系统的分类
嵌入式控制系统原理及设计
（1）批处理操作系统 • 批处理操作系统的工作方式是：用户将作业交给系统操作员，系统操作员
将许多用户的作业组成一批作业，之后输入到计算机中，在系统中形成一 个自动转接的连续的作业流，然后启动操作系统，系统自动、依次执行每 个作业。最后由操作员将作业结果交给用户。
)
嵌入式控制系统原理及设计
6.1.2 应用程序在操作系统上的执行过程
• 执行过程说明如下：
① 用户通过输入指令，告诉操作系统执行程序； ② 操作系统找到该程序，检查其类型； ③ 检查程序首部，找到正文和数据的地址； ④ 文件系统找到第一个磁盘块； ⑤ 父进程需要创建一个新的子进程，执行程序； ⑥ 操作系统需要将执行文件映射到进程结构；
嵌入式操作系统典型应用资料课件
无人机系统组成
无人机系统主要由飞行器平台、任务载荷、无线电遥控系统、自动驾驶仪、起飞和降落装置以及 发射和回收装置等组成。
无人机系统应用
无人机系统被广泛应用于军事、民用和科研等领域，如侦察、目标跟踪、航拍、气象观测、地质 勘探等。
智能家居系 统
智能家居系统概述
智能家居系统是指利用先进的计算机技术、网络通信技术、智能云端技术，将与家庭生活相关的各种设施进行集成， 构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统。
数据库支持
Windows CE提供了多种开发工具， 包括Visual Studio、Expression Blend等，支持C/C#语言开发。
多媒体支持
Windows CE提供了丰富的多媒体支 持，包括音频、视频、图像等处理功 能。
开发工具
Windows CE内置了轻量级数据库引 擎，支持SQLite等数据库格式。
Linux
开放性
Linux具有完全的开放x可以在多种硬件 平台上运行，包括x86、
ARM、MIPS等。
丰富的软件库
Linux提供了丰富的软 件库和工具，方便进行 软件开发和应用部署。
03
嵌入式操作系统典型应用场 景
无人机系 统
无人机系统概述
无人机系统是一种以无线电遥控或自主控制为主，以飞行器平台为基础，搭载多种任务载荷，在 视距内进行飞行任务的航空器。
能仪表等。
医疗设备
嵌入式操作系统也用于医疗设备， 如医疗影像系统、智能医疗设备
等。
消费电子
嵌入式操作系统在消费电子产品 中得到广泛应用，如智能手机、
平板电脑、电视等。
汽车电子
现代汽车中使用了大量的嵌入式 系统，如发动机控制模块、刹车
无人机系统主要由飞行器平台、任务载荷、无线电遥控系统、自动驾驶仪、起飞和降落装置以及 发射和回收装置等组成。
无人机系统应用
无人机系统被广泛应用于军事、民用和科研等领域，如侦察、目标跟踪、航拍、气象观测、地质 勘探等。
智能家居系 统
智能家居系统概述
智能家居系统是指利用先进的计算机技术、网络通信技术、智能云端技术，将与家庭生活相关的各种设施进行集成， 构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统。
数据库支持
Windows CE提供了多种开发工具， 包括Visual Studio、Expression Blend等，支持C/C#语言开发。
多媒体支持
Windows CE提供了丰富的多媒体支 持，包括音频、视频、图像等处理功 能。
开发工具
Windows CE内置了轻量级数据库引 擎，支持SQLite等数据库格式。
Linux
开放性
Linux具有完全的开放x可以在多种硬件 平台上运行，包括x86、
ARM、MIPS等。
丰富的软件库
Linux提供了丰富的软 件库和工具，方便进行 软件开发和应用部署。
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嵌入式操作系统典型应用场 景
无人机系 统
无人机系统概述
无人机系统是一种以无线电遥控或自主控制为主，以飞行器平台为基础，搭载多种任务载荷，在 视距内进行飞行任务的航空器。
能仪表等。
医疗设备
嵌入式操作系统也用于医疗设备， 如医疗影像系统、智能医疗设备
等。
消费电子
嵌入式操作系统在消费电子产品 中得到广泛应用，如智能手机、
平板电脑、电视等。
汽车电子
现代汽车中使用了大量的嵌入式 系统，如发动机控制模块、刹车
嵌入式系统及其应用课件-第六章嵌入式操作系统基础
异步性给系统带来了潜在的危险，有可能导致进程产生 与时间有关的错误，但只要运行环境相同，操作系统必须保 证多次运行进程，都会获得完全相同的结果。
CHANG’AN UNIVERSITY
长安大学电子与控制工程学院
嵌入式系统及其应用
第六章 嵌入式操作系统基础
（2）操作系统的结构
操作系统一般分成驱动程序、内核、接口库和外围设备四 大部分。四大部分的不同布局，也就形成了几种不同整体结构。 常见的结构包括：单核结构、层次结构和微内核结构。
➢文件存储空间的分配和回收 ➢目录管理 ➢文件的存取控制 ➢文件的安全与维护 ➢文件逻辑地址与物理地址
CHANG’AN UNIVERSITY
长安大学电子与控制工程学院
嵌入式系统及其应用
基于微内核 的操作系统 结构模型
长安大学电子与控制工程学院
嵌入式系统及其应用
第六章 嵌入式操作系统基础
4. 操作系统的基本功能
从资源管理的角度出发，计算机操作系统的主要功能 包括：处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理和 用户接口。
（1）处理器管理功能
在多道程序的环境中，处理机分配的主要对象是进程。 进程是指程序在并发环境下的一次运行过程。操作系统通 过进程调度选择一个合适的进程分配处理机，因此，处理 机管理归根结底就是进程管理。
操作系统有关进程方面的管理很多，主要有进程控制、 进程同步与互斥、处理机调度、进程通信及死机检测与处 理等。
CHANG’AN UNIVERSITY
长安大学电子与控制工程学院
嵌入式系统及其应用
第六章 嵌入式操作系统基础
（2）存储器管理功能
存储器是计算机系统重要的资源。存储器是计算机的记忆 部件，主要指计算机的内存。内存是程序运行的舞台，一 个程序要在处理机上运行，其代码和数据就要全部或部分 地驻留于内存。除操作系统要占相当大的内存空间外，在 多道程序系统中，并发运行的程序都要占有自己的内存空 间。因此，内存总是一种紧张的系统资源。
第六节-嵌入式操作系统1PPT课件
据类型数 struct Student{
据的集合； int age;
2。占用连 char*name;
续内存空 char sex;
间；
};
使用上的特点：
1。不分类存 放，但用来描 述同一事物； 2。检索速度 快且恒定；
2021
22
操作系统中经常使用 的数据结构（链表）
struct Student{
两个元素的链表
2021
35
μC/OS-II中 的任务管理
2021
36
正在运行的任务，需要
等待一段时间或需要等
待一个事件发生再运行
时，该任务就会把CPU
任务在没有被配备
的使用权让给别的任务
任务控制块或被剥 夺了任务控制块时
。 一个正在运行的
而使任务进入任等务待一状旦态响应中
的状态叫做任务的
断申请就会中止
任务的状态及其转换 睡眠状态
运行而去执行中 断服务程序，这 时任务的状态叫
做中断服务状态
系统为任务配备 了任务控制块且 在任务就绪表中 进行了就绪登记， 这时任务的状态 叫做就绪状态。
2021
处于就绪状态的 任务如果经调度 器判断获得了 CPU的使用权， 则任务就进入运
行状态
37
void MyTask(void *pdata)
切换？ 并简单发地：说，由就同是一能用个一处个理处器理并轮器发示过换意程地图
运并行发多（个注程意序，。不或是者同说时是由！多）个
程地运序行轮多班个地程占序的用计处算理机器管理这系个统资。源。 且在占用这个资源期间，并不一
定能够把程序运行完毕。
2021
26
程序的切换（两句话）
嵌入式操作系统课件
应用程序层
• 在CE操作系统中，应用程序与内核交互的接口同样是 Win32 API。
系统内核
• 微内核是指在内核里面只实现一些基本服务，如进程调度 、进程间通信和中断处理等，其他的服务和功能都放在内 核外。 • 1.CE5.0的体系结构：微内核 • 2.CE6.0的体系结构：单体内核
内存管理
• 1.CE5.0的内存管理：所有进程共享一个4GB的虚拟地址空 间，是基于页式管理的，支持两种页大小：1KB和4KB。虚 拟内存的申请分为保留和提交两个过程。管理虚拟内存的 硬件是内存管理单元，负责把虚拟地址转换成物理地址， 并提供一定的内存保护。虚拟内存是Windows CE中的重要 模块，它把进程申请的内存映射到物理内存，并且提供系 统4GB的寻址能力。5.0将虚拟地址空间分成若干个Slot。 • 2.CE6.0的内存管理：每个正在运行的进程可以拥有低地址 的全部2G虚拟地址空间，而且系统中可以同时存在32K个 进程。
• 嵌入式处理器担负着控制、系统工作的重要任务，使宿主设备功能智 能化、灵活设计和操作简便。为合理高效的完成这些任务，一般说， 嵌入式处理器具有以下特点：很强的实时多任务支持能力，存储区保 护功能，可扩展的微处理器结构，较强的中断处理能力，低功耗。
嵌入式处理器
• • • • • • • 嵌入式微处理器的基础就是PC中的CPU。 在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他 的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。 嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点： 1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时 间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块 化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储 区保护功能，同时也有利于软件诊断。 3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式 微处理器。 4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和 通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW 级。
嵌入式操作系统全解课件
中断处理优化
总结词
在嵌入式操作系统中，中断处理是一个重要的功能，它可以实现系统的实时性和 可靠性。因此，中断处理优化也是嵌入式操作系统优化技术中的重要一环。
详细描述
中断处理优化包括对中断处理程序的优化和中断优先级的设置等操作。例如，可 以通过减少中断处理程序的执行时间和复杂度，提高系统的响应速度和实时性； 可以通过合理地设置中断优先级，确保重要任务能够优先得到执行。
I/O操作优化
总结词
在嵌入式操作系统中，I/O操作也是一个重要的功能，它可以实现系统与外部设备的通信和控制。因此，I/O操作 优化也是嵌入式操作系统优化技术中的重要方面。
详细描述
I/O操作优化包括对I/O设备的选择、驱动程序的优化等操作。例如，可以通过选择合适的I/O设备，减少系统的 复杂度和成本；可以通过优化驱动程序，提高I/O操作的效率和可靠性。
内存优化
总结词
内存优化是嵌入式操作系统优化技术中的另一个重要方面，它可以减少内存的占用和提高内存的使用 效率，从而提高整个系统的性能和可靠性。
详细描述
内存优化包括内存管理、内存分配、内存缓存等技术的优化。例如，可以通过合理地使用静态和动态 内存分配，减少内存碎片的产生；可以通过使用内存缓存技术，提高内存访问的速度和效率。
05
嵌入式操作系统的可靠性设 计
可靠性设计方法
01
硬件冗余设计：通过增加备份或冗余组件来提 高系统的可靠性，例如双电源设计、双CPU等。
03
容错技术
02
软件健壮性设计：在软件设计阶段，采用容错 技术、异常处理等手段，提高软件的健壮性和
可靠性。
04
故障诊断与恢复
容错技术
硬件容错
通过硬件冗余、表决等技术实现 容错，例如采用多重表决器、奇 偶校验等。
嵌入式系统程序设计(6章)赖晓晨
4. 共享库错误函数
函数原型: const char *dlerror(void); 功能描述：当动态链接库操作函数 （dlopen、dlsym、dlclose）执 行失败时，dlerror可以返回出错信息， 返回值为NULL时表示操作函数执行成 功。
【例6-2】
/* ch6_2 sub.h */ #ifndef SUB_H #define SUB_H int square(int); #endif /* ch6_2 sub.c */ #include <stdio.h> int square(int a) { printf("the square of the number is:"); return a*a; }
打开共享库(续)
功能描述：参数中的libname一般是库的绝对路径， 这样dlopen会直接装载该文件；如果只是指定了库名 称，在dlopen会按照下面的机制去搜寻：
根据环境变量LD_LIBRARY_PATH查找； 根据/etc/ld.so.cache查找； 依次在/lib和/usr/lib目录查找。
库分类
静态库，是在执行程序运行前就已经加入到执 行码中，在物理上成为执行程序的一部分。
共享库，是在执行程序启动时加载到执行程序 中，可以被多个执行程序共享使用。 动态链接库，其实并不是一种真正的库类型， 应该是一种库的使用技术，应用程序可以在运 行过程中随时加载和使用库。
库命名约定
所有库都以lib开头，表示一个库文件；
}
handle=dlopen("/lib/libmydll.so", RTLD_LAZY); if(!handle) { printf("%s\n",dlerror()); 如未找到函数，显 } 示error中的错误 fp=dlsym(handle, "square"); 信息 if((error=dlerror())!=NULL) { printf("%s\n",error); dlclose(handle); exit(1); } printf("now call the function square.\n"); result = (*fp)(n); printf(" %d\n",result); dlclose(handle); return 0;
第六章、嵌入式操作系统.ppt
统中固定优先级抢占式调度策略的局限性而产生 的
Linux 2.6内核实时性分析
• 2.6中内核自身是可抢占的,它允许自身在执
行任务时被打断
• 2.6版本的Linux内核使用了由 Ingo Molnar
开发的新的调度器算法，称为O(1)算法
RTLinux硬实时操作系统简介
• RTLinux是一硬实时操作系统 • 实现了一个微内核的小的实时操作系统，而将普
高速缓冲（Cache）简介
• Buffer Cache • Page Cache • Swap Cache • Hardware Cache
虚拟存储功能
• 巨大的寻址空间 • 内存映射 • 公平的物理内存分配 • 共享虚拟内存
主存与辅存层次信息传送
• 页式虚拟存储器 • 段式虚拟存储器 • 段页式虚拟存储器
通Linux系统作为一个该操作系统中的一个低优先 级的任务来运行
• 普通Linux系统中的任务可以通过FIFO和实时任务
进行通信
• 通过软件来模拟硬件的中断控制器 • RT-Linux通过将系统的实时时钟设置为单次触发
状态，可以提供十几个微秒级的调度粒度
RTLinux内核结构
Linux进程 Linux内核
嵌入式Linux的实时性改造
• 可以引入一个双内核结构 • 对Linux内核代码作一些修改Linux本身的任务以
及Linux内核本身作为一个优先级最低的任务，而 实时任务作为优先级最高的任务以Linux的内核模 块(Loadable Kernel Module，LKM)的形式存在的
• 资源核方法：这种方法是为解决传统实时操作系
电源管理综述
• 现在Linux中，最主要的电源管理方案主要
Linux 2.6内核实时性分析
• 2.6中内核自身是可抢占的,它允许自身在执
行任务时被打断
• 2.6版本的Linux内核使用了由 Ingo Molnar
开发的新的调度器算法，称为O(1)算法
RTLinux硬实时操作系统简介
• RTLinux是一硬实时操作系统 • 实现了一个微内核的小的实时操作系统，而将普
高速缓冲（Cache）简介
• Buffer Cache • Page Cache • Swap Cache • Hardware Cache
虚拟存储功能
• 巨大的寻址空间 • 内存映射 • 公平的物理内存分配 • 共享虚拟内存
主存与辅存层次信息传送
• 页式虚拟存储器 • 段式虚拟存储器 • 段页式虚拟存储器
通Linux系统作为一个该操作系统中的一个低优先 级的任务来运行
• 普通Linux系统中的任务可以通过FIFO和实时任务
进行通信
• 通过软件来模拟硬件的中断控制器 • RT-Linux通过将系统的实时时钟设置为单次触发
状态，可以提供十几个微秒级的调度粒度
RTLinux内核结构
Linux进程 Linux内核
嵌入式Linux的实时性改造
• 可以引入一个双内核结构 • 对Linux内核代码作一些修改Linux本身的任务以
及Linux内核本身作为一个优先级最低的任务，而 实时任务作为优先级最高的任务以Linux的内核模 块(Loadable Kernel Module，LKM)的形式存在的
• 资源核方法：这种方法是为解决传统实时操作系
电源管理综述
• 现在Linux中，最主要的电源管理方案主要
嵌入式操作系统
2020/11/25
Embedded Operating Systems
12
4. 同时还应该看到，嵌入式系统本身还是一个外延极 广的名词。凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特 点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难 给它下一个准确的定义。
2020/11/25
Embedded Operating Systems
Palm OS之所以在PDA领域占有70％以上的市场，就是因为 其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理 ；
而风河的vxWorks之所以在火星车上得以应用，则是因为其 高实时性和高可靠性。
2020/11/25
Embedded Operating Systems
11
3. 嵌入式系统必须根据应用需求可对软硬件进行裁剪 ，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要 求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然 后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较 好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一 个只有几KB到几十KB的微内核，需要根据实际的使 用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在 ，使得这种扩展能够非常顺利地进行。
Embedded Operating Systems
8
什么是嵌入式系统： 国内的经典定义
❖ 嵌入式系统是
“以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件 可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体 积、功耗有严格要求的专用计算机系统”
❖ 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式 操作系统以及用户的应用程序等部分组成，用于 实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
6
什么是嵌入式系统： 来自IEEE的定义
“Embedded system is devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants”.
嵌入式操作系统
采用中断处理与任务在不同栈中处理，使得 中断的产生只会引发一些关键寄存器的存储 而不会导致任务的上下文切换 在中断服务程序只完成在最小时间内中断发 生通告，而将其它费时的处理过程尽量放在 被引发的其它任务中完成（类比:参加展会）
高稳定性
6.2.1 VxWorks
(2) 丰富的外挂组件模块
基本外挂组件模块
各种设备驱动（字符型/块型设备，同步/异步设 备）、文件系统（如DosFs、RawFs、TapeFs、 CdromFs、TSFS等）、网络协议栈、以及 POSIX1003.1b标准和ANSI C等兼容组件模块
附加组件模块
如Flash文件系统、图形界面管理等
6.2.1 VxWorks
Window CE
Palm
EPOC
Embedded Linux等
6.1 嵌入式操作系统的种类
2. 按购买方式分类
商用型
免费型
6.1 嵌入式操作系统的种类
(1) 商用型嵌入式操作系统
特点
功能稳定、可靠 提供完整方便的开发调试工具 配套完善的技术支持和售后服务 但往往价格昂贵
6.2.1 VxWorks
(7) 价格较高
较高的开发购买价格
在运行使用方面，VxWorks采用的是出售 Licence的销售策略
6.2.1 VxWorks
3．VxWorks其它特色
相对pSOSystem等较优秀的嵌入式实时操作系统， VxWorks还具有4项显著优点
6.2.1 VxWorks
6.1 嵌入式操作系统的种类
性能特征
第六节 嵌入式操作系统
第3章
μC/OS-Ⅱ的中断和时钟
μC/OS-II系统响应中断的过程为：系 统接收到中断请求后，这时如果 注意！中断服务子程序运行结束 CPU 处于中断允许状态（即中断是 之后，系统将会根据情况进行一 开放的），系统就会中止正在运行 μC/OS-II 系统 的当前任务，而按照中断向量的指 次任务调度去运行优先级别最高 向转而去运行中断服务子程序；当 响应中断的过程 的就绪任务，而并不是一定要接 中断服务子程序的运行结束后，系 续运行被中断的任务的。 统将会根据情况返回到被中止的任 务继续运行或者转向运行另一个具 有更高优先级别的就绪任务。
void OSIntExit (void) { #if OS_CRITICAL_METHOD == 3 OS_CPU_SR cpu_sr; #endif if (OSRunning == TRUE) { OS_ENTER_CRITICAL( ); if (OSIntNesting > 0) { OSIntNesting--; //中断嵌套层数计数器减一 } if ((OSIntNesting == 0) && (OSLockNesting == 0)) { OSIntExitY = OSUnMapTbl[OSRdyGrp]; OSPrioHighRdy = (INT8U)((OSIntExitY << 3) + OSUnMapTbl[OSRdyTbl[OSIntExitY]]); if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur) { OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy]; OSCtxSwCtr++;
有新高级任务则 运行高级任务
中断的响应过程
用户ISR的框架
μC/OS-Ⅱ的中断和时钟
μC/OS-II系统响应中断的过程为：系 统接收到中断请求后，这时如果 注意！中断服务子程序运行结束 CPU 处于中断允许状态（即中断是 之后，系统将会根据情况进行一 开放的），系统就会中止正在运行 μC/OS-II 系统 的当前任务，而按照中断向量的指 次任务调度去运行优先级别最高 向转而去运行中断服务子程序；当 响应中断的过程 的就绪任务，而并不是一定要接 中断服务子程序的运行结束后，系 续运行被中断的任务的。 统将会根据情况返回到被中止的任 务继续运行或者转向运行另一个具 有更高优先级别的就绪任务。
void OSIntExit (void) { #if OS_CRITICAL_METHOD == 3 OS_CPU_SR cpu_sr; #endif if (OSRunning == TRUE) { OS_ENTER_CRITICAL( ); if (OSIntNesting > 0) { OSIntNesting--; //中断嵌套层数计数器减一 } if ((OSIntNesting == 0) && (OSLockNesting == 0)) { OSIntExitY = OSUnMapTbl[OSRdyGrp]; OSPrioHighRdy = (INT8U)((OSIntExitY << 3) + OSUnMapTbl[OSRdyTbl[OSIntExitY]]); if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur) { OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy]; OSCtxSwCtr++;
有新高级任务则 运行高级任务
中断的响应过程
用户ISR的框架
嵌入式操作系统ppt课件
高层抽象 文件 网络 系统 协议
底层接口层
硬件
xlanchen@2007.6.4
Embedded Operating Systems
25
底层接口层专属于硬件配置，内核运行其上，并 以硬件无关的高层抽象层提供对硬件资源的直接 控制。
比如，对于PPC和ARM系统，尽管其寄存器或内存分 页的处理方式不同，但却可以使用通用的API来存取内 核里高层的组件
接着跳到内核的启动程序代码执行。
xlanchen@2007.6.4
Embedded Operating Systems
30
（2）内核
内核一开始的启动程序代码会因架构不同而 有很大的差异，而且在为C程序代码设置合 适的执行环境之前，它会先为自己进行初始 化工作。
完成以上工作后，内核会跳到与架构无关的 start_kernel函数执行，此函数会初始化高层 内核功能，安装根文件系统，以及启动init进 程
嵌入式操作系统ppt课件
上周一
SkyEye介绍
SkyEye简介 SkyEye的安装和使用
uClinux简介
xlanchen@2007.6.4
Embedded Operating Systems
2
嵌入式Linux开发技术
xlanchen@2007.6.3
主要内容
一、嵌入式Linux开发综述 二、Linux的配置和编译 三、根文件系统及其制作
xlanchen@2007.6.4
Embedded Operating Systems
13
另一种做法是，以远程组件来简化目标板的开发工 作，例如
通过TFTP下载内核
主机
TFPT此：外，根文件系统还
T小ri型via文可l F件以ile传通T输ra过协nsN议feFrSP安roto装co，l *跨平台开发
操作系统中的嵌入式操作系统
操作系统中的嵌入式操作系统操作系统是计算机系统的核心组件之一，它负责管理和协调计算机硬件与软件资源，为用户和应用程序提供一个稳定和有效的运行环境。
在当今的信息时代，嵌入式系统已经成为我们生活中无处不在的一部分。
嵌入式操作系统作为嵌入式系统的核心，为各种设备提供了丰富的功能和高效的性能。
本文将对操作系统中的嵌入式操作系统进行探讨和分析。
一、什么是嵌入式操作系统嵌入式操作系统是一种专为嵌入式系统设计和优化的操作系统，它被嵌入在各种设备中，如智能手机、家用电器、汽车、医疗设备等。
相较于桌面操作系统或服务器操作系统，嵌入式操作系统通常具有更为精简的特点，因为嵌入式设备对资源要求更加苛刻。
二、嵌入式操作系统的特点1. 实时性：许多嵌入式系统对时间要求非常敏感，需要及时响应各种任务和事件。
嵌入式操作系统提供了实时性的保证，确保任务得以准时完成。
2. 资源受限：嵌入式设备通常具有有限的存储空间和计算能力，因此嵌入式操作系统需要尽可能地提高资源利用率，减少系统开销。
3. 可裁剪性：嵌入式操作系统需要支持用户根据具体需求进行定制化开发，包括选择和移除系统功能、修改内核参数等。
4. 低功耗：嵌入式设备通常需要运行较长时间而无法充电，因此嵌入式操作系统需要优化系统算法，降低功耗消耗。
5. 多任务处理：嵌入式操作系统能够同时管理多个任务，并保持任务间的良好协调与合作，实现多任务的高效处理。
三、嵌入式操作系统的应用领域嵌入式操作系统广泛应用于各个领域，下面列举几个典型的应用场景。
1. 汽车行业：嵌入式操作系统在汽车中起着至关重要的作用，例如车载娱乐系统、ABS(防抱死系统)、车载导航系统等。
2. 智能手机：嵌入式操作系统如Android和iOS是目前智能手机的主流操作系统，它们为智能手机提供了丰富的功能和用户友好的界面。
3. 家用电器：嵌入式操作系统也被广泛应用于家用电器，如智能电视、空调、洗衣机等，它们通过操作系统实现了更加智能化和便利化的功能。
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– 应用程序使用的是虚拟地址，CPU实际执行程 序所示用的是物理地址，从虚拟地址到物理地 址的转换需要操作系统和MMU硬件的参与
高速缓冲（Cache）简介
• Buffer Cache • Page Cache • Swap Cache • Hardware Cache
虚拟存储功能
• 巨大的寻址空间 • 内存映射 • 公平的物理内存分配 • 共享虚拟内存
一个设备与一个应用程序之间需要传输数据时， 这些数据会先保存在内存中，这个内存区域称为 缓冲区
高速缓存
• 高速缓存（Caching）是指把低速存储器的
部分数据保存在高速存储器中以提高系统 性能的技术 • 缓冲技术跟缓存技术的区别：缓冲块中的 数据是独一无二仅此一份的，而缓存中的 数据是低速存储器中的数据的拷贝。
驱动程序 可感知DPM的应用 软件 普通应用软件 DPM包装器中应 用软件
策略管理层
驱动程序 驱动程序
DPM子系统
系统软件
手机操作系统内核
存储管理
• 多程序模型
– 这是没有硬件地址转换的内存管理模型。即使 没有硬件地址转换功能支持，多个程序也可以 共享相同的物理地址
• 具有地址转换硬件的内存管理模型
输入输出与设备管理概述
• I/O设备抽象 • I/O调度 • 缓冲技术 • 高速缓存 • 错误处理 • 性能与优化
I/O设备抽象
• 不同的I/O设备，它们的读写方式不尽相同 • 对于应用程序来说最好是所有的设备都可
以通过一个相同的界面来进行读写操作 • 需要通过一套机制对某一类相似的I/O设备 的具体操作细节进行封装 • 在操作系统中是通过设备驱动来实现的
Buddy算法
• 这个算法首先找它请求大小的内存页块 ，它跟踪 •
•
free_area数据结构中的list单元队列中的空闲页的 链表 如果找到的页块大于请求的页块，则该块将被分 开成为合适大小的块 因为所有的块都是2的幂次的页数组成，所以这个 分割的过程比较简单，你只需要将它平分就可以 了。空闲的块则放到适当的队列，而分配的页块 则返回给调用者。
•
及Linux内核本身作为一个优先级最低的任务，而 实时任务作为优先级最高的任务以Linux的内核模 块(Loadable Kernel Module，LKM)的形式存在的 资源核方法：这种方法是为解决传统实时操作系 统中固定优先级抢占式调度策略的局限性而产生 的
Linux 2.6内核实时性分析
• 2.6中内核自身是可抢占的,它允许自身在执
DPM简介
• DPM－Dynamic Power Management • 在面向Linux的DPM架构中，内核中的DPM
子系统负责维持整个系统的电源状态 • 并把DPM系统的不同电源管理模块联系在 一起。 • 可以把DPM看成是为驱动程序、中间件和 应用程序提供服务的元素
DPM框架
应用软件 中间件
错误处理
• 使用保护内存 • I/O设备和传输操作在很多情况下都会发生
错误，有的是暂时性的，有的是永久性的 • 操作系统的错误提示能力相对硬件设备来 说一般都比较低 • 一个硬件设备可以提供非常丰富和详细的 出错信息，但是操作系统往往会忽略其中 的很多信息
/O性能对系统性能的影响
• 首先它需要CPU执行设备驱动程序，并对I/O请求
•
嵌入式Linux启动过程分析
• 在内核运行之前需要系统引导程序(Bootloader)完 •
成加载内核和一些辅助性的工作，然后跳转到内 核代码的起始地址并执行。 整个arm linux内核的启动可分为三个阶段：第一 阶段主要是进行cpu和体系结构的检查、cpu本身 的初始化以及页表的建立等；第二阶段主要是对 系统中的一些基础设施进行初始化；最后则是更 高层次的初始化
– 运行于linux内核空间的进程（核心态）不能被 抢先 – 在linux中，中断有时候会出于保护临界区操作 的目的而被屏蔽 – 通用linux的时间滴答长度为10ms（硬件时钟频 率100HZ），但是这对于时间精度要求很高 （微秒级）的实时进程来说是不够的
嵌入式Linux的实时性改造
• 可以引入一个双内核结构 • 对Linux内核代码作一些修改Linux本身的任务以
主存与辅存层次信息传送
• 页式虚拟存储器 • 段式虚拟存储器 • 段页式虚拟存储器
Linux存储管理
• Linux使用了上述第二种存储管理模型。 • 应用程序在标准Linux中的加载使用了“按
需”分页的策略 • Linux 的内存管理采取的是分页机制 • Linux虚拟内存的实现，需要几种不同的机 制来实现：地址映射机制、内存的分配与 回收、请求页机制、交换机制、内存共享 机制。
嵌入式Linux的启动优化
• 系统任务裁减
– 裁减不适合本系统的部分任务
• 系统任务并行
– 明确任务依赖关系 – 任务并行启动（make －j 工具的使用）
电源管理综述
• 现在Linux中，最主要的电源管理方案主要
有三种：APM、ACPI、DPM • 传统的APM(Advanced Power Management) 是一种基于bios的电源管理标准 • ACPI(Advanced Configuration and Power Interface)，它主要是将电源管理的主要执 行者由bios转换成为操作系统，这样可以提 供更大的灵活性以及可扩展性
嵌入式系统的文件系统管理
• 嵌入式系统的物理存储
• 嵌入式系统中使用Flash存储器，通常有两
种使用方式
– Flash存储器由于其安全性高，存储密度大，体 积小，价格相对便宜，是嵌入式领域中最受欢 迎的一类存储器
– 只进行只读访问 – 在系统运行的时候既需要进行读操作，也需要 进行写操作。
存储设备的管理方式
缓冲技术
• 引入缓冲技术，主要有以下三个原因 :
– 一、是协调数据产生设备（producer）和数据接收设备 （consumer）的速度 – 二、是协调数据产生设备和数据接收设备的数据大小 – 三、是因为为了保证写入外设的数据的一致性，要先 把数据转移到内核空间
• 在缓冲技术（Buffering）中，两个设备之间或者
μCLinux存储管理
• 其设计针对没有MMU的处理器，不能使用处理器
• • • •
的虚拟内存管理技术 μCLinux仍采用存储器的分页管理，系统在启动时 把实际存储器进行分页 没有MMU管理，所以实际上μCLinux采用实存储 器管理策略(real memeory management) μCLinux系统对于内存的访问是直接 一个进程在执行前，系统必须为进程分配足够的 连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空 间中
I/O设备抽象层次结构
操作系统内核
操作系统内核I/O子系统 软 件 LCD驱动 触摸屏驱 动 …… PCI bus 驱 动 PCI bus 控 制器
LCD 控 制 触 摸 屏 控 器 制器 硬 件 LCD 触摸屏
……
……
PCI bus
I/O调度
• I/O调度指的是对一组I/O请求进行安排，决
定它们的执行顺序 • 操作系统一般会把对某个设备的I/O请求放 入那个设备的请求队列中去 • 然后由I/O调度器对这些请求进行重新安排 以改进系统的整体性能
嵌入式操作系统
陈天洲、陈文智
实时性简介
• 对于什么是实时系统，POSIX 1003.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 • 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 • 一个计算机系统为了提供对于行有效的调度和管理，即实时调度
实时调度分类
• 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：基于优先级的调度算法 （Priority-driven scheduling-PD）、基于CPU使用 比例的共享式的调度算法（Share-driven scheduling-SD）、以及基于时间的进程调度算法 （Time-driven scheduling-TD） 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
行任务时被打断 • 2.6版本的Linux内核使用了由 Ingo Molnar 开发的新的调度器算法，称为O(1)算法
RTLinux硬实时操作系统简介
• RTLinux是一硬实时操作系统 • 实现了一个微内核的小的实时操作系统，而将普
•
• •
通Linux系统作为一个该操作系统中的一个低优先 级的任务来运行 普通Linux系统中的任务可以通过FIFO和实时任务 进行通信 通过软件来模拟硬件的中断控制器 RT-Linux通过将系统的实时时钟设置为单次触发 状态，可以提供十几个微秒级的调度粒度
• 直接访问Flash
– 自己编写Flash的驱动程序（即基本操作函数）
• Flash Disk
– 有些Flash存储设备上附带了控制电路，并且提 供了IDE的接口。这些设备通常都是模拟了PC 中的IDE之类设备的接口
• 专用于Flash的文件系统
– JFFS等文件系统，目前已经非常成熟，并有了 成功的应用
•
实时性改造
• 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 • 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 • 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
Linux的实时性
• 一般的通用linux已经具备一定的实时性 • 但无法满足硬实时的要求
RTLinux内核结构
Linux进程 实时任务 Linux内核
RTLinux内核
硬件环境
启动优化基本技术
• 一、固化各种不可扩展硬件的设置，尽量标准化
•
可扩展设备的接口，节约设备检测时间。 二、Lazy Loading，也即不加载当前非必需的模 块，这些模块可以在启动后待机时间内加载，或 者在具体用到之后再加载，把启动时间打散，从 而缩短对用户来说至关重要的反应时间 (Responding Time)。 三、任务并行化，很多系统在启动任务时，是顺 序执行，按部就班。为了减少启动时间，我们可 以考虑任务的并行化，以减少启动时间的消耗。
高速缓冲（Cache）简介
• Buffer Cache • Page Cache • Swap Cache • Hardware Cache
虚拟存储功能
• 巨大的寻址空间 • 内存映射 • 公平的物理内存分配 • 共享虚拟内存
一个设备与一个应用程序之间需要传输数据时， 这些数据会先保存在内存中，这个内存区域称为 缓冲区
高速缓存
• 高速缓存（Caching）是指把低速存储器的
部分数据保存在高速存储器中以提高系统 性能的技术 • 缓冲技术跟缓存技术的区别：缓冲块中的 数据是独一无二仅此一份的，而缓存中的 数据是低速存储器中的数据的拷贝。
驱动程序 可感知DPM的应用 软件 普通应用软件 DPM包装器中应 用软件
策略管理层
驱动程序 驱动程序
DPM子系统
系统软件
手机操作系统内核
存储管理
• 多程序模型
– 这是没有硬件地址转换的内存管理模型。即使 没有硬件地址转换功能支持，多个程序也可以 共享相同的物理地址
• 具有地址转换硬件的内存管理模型
输入输出与设备管理概述
• I/O设备抽象 • I/O调度 • 缓冲技术 • 高速缓存 • 错误处理 • 性能与优化
I/O设备抽象
• 不同的I/O设备，它们的读写方式不尽相同 • 对于应用程序来说最好是所有的设备都可
以通过一个相同的界面来进行读写操作 • 需要通过一套机制对某一类相似的I/O设备 的具体操作细节进行封装 • 在操作系统中是通过设备驱动来实现的
Buddy算法
• 这个算法首先找它请求大小的内存页块 ，它跟踪 •
•
free_area数据结构中的list单元队列中的空闲页的 链表 如果找到的页块大于请求的页块，则该块将被分 开成为合适大小的块 因为所有的块都是2的幂次的页数组成，所以这个 分割的过程比较简单，你只需要将它平分就可以 了。空闲的块则放到适当的队列，而分配的页块 则返回给调用者。
•
及Linux内核本身作为一个优先级最低的任务，而 实时任务作为优先级最高的任务以Linux的内核模 块(Loadable Kernel Module，LKM)的形式存在的 资源核方法：这种方法是为解决传统实时操作系 统中固定优先级抢占式调度策略的局限性而产生 的
Linux 2.6内核实时性分析
• 2.6中内核自身是可抢占的,它允许自身在执
DPM简介
• DPM－Dynamic Power Management • 在面向Linux的DPM架构中，内核中的DPM
子系统负责维持整个系统的电源状态 • 并把DPM系统的不同电源管理模块联系在 一起。 • 可以把DPM看成是为驱动程序、中间件和 应用程序提供服务的元素
DPM框架
应用软件 中间件
错误处理
• 使用保护内存 • I/O设备和传输操作在很多情况下都会发生
错误，有的是暂时性的，有的是永久性的 • 操作系统的错误提示能力相对硬件设备来 说一般都比较低 • 一个硬件设备可以提供非常丰富和详细的 出错信息，但是操作系统往往会忽略其中 的很多信息
/O性能对系统性能的影响
• 首先它需要CPU执行设备驱动程序，并对I/O请求
•
嵌入式Linux启动过程分析
• 在内核运行之前需要系统引导程序(Bootloader)完 •
成加载内核和一些辅助性的工作，然后跳转到内 核代码的起始地址并执行。 整个arm linux内核的启动可分为三个阶段：第一 阶段主要是进行cpu和体系结构的检查、cpu本身 的初始化以及页表的建立等；第二阶段主要是对 系统中的一些基础设施进行初始化；最后则是更 高层次的初始化
– 运行于linux内核空间的进程（核心态）不能被 抢先 – 在linux中，中断有时候会出于保护临界区操作 的目的而被屏蔽 – 通用linux的时间滴答长度为10ms（硬件时钟频 率100HZ），但是这对于时间精度要求很高 （微秒级）的实时进程来说是不够的
嵌入式Linux的实时性改造
• 可以引入一个双内核结构 • 对Linux内核代码作一些修改Linux本身的任务以
主存与辅存层次信息传送
• 页式虚拟存储器 • 段式虚拟存储器 • 段页式虚拟存储器
Linux存储管理
• Linux使用了上述第二种存储管理模型。 • 应用程序在标准Linux中的加载使用了“按
需”分页的策略 • Linux 的内存管理采取的是分页机制 • Linux虚拟内存的实现，需要几种不同的机 制来实现：地址映射机制、内存的分配与 回收、请求页机制、交换机制、内存共享 机制。
嵌入式Linux的启动优化
• 系统任务裁减
– 裁减不适合本系统的部分任务
• 系统任务并行
– 明确任务依赖关系 – 任务并行启动（make －j 工具的使用）
电源管理综述
• 现在Linux中，最主要的电源管理方案主要
有三种：APM、ACPI、DPM • 传统的APM(Advanced Power Management) 是一种基于bios的电源管理标准 • ACPI(Advanced Configuration and Power Interface)，它主要是将电源管理的主要执 行者由bios转换成为操作系统，这样可以提 供更大的灵活性以及可扩展性
嵌入式系统的文件系统管理
• 嵌入式系统的物理存储
• 嵌入式系统中使用Flash存储器，通常有两
种使用方式
– Flash存储器由于其安全性高，存储密度大，体 积小，价格相对便宜，是嵌入式领域中最受欢 迎的一类存储器
– 只进行只读访问 – 在系统运行的时候既需要进行读操作，也需要 进行写操作。
存储设备的管理方式
缓冲技术
• 引入缓冲技术，主要有以下三个原因 :
– 一、是协调数据产生设备（producer）和数据接收设备 （consumer）的速度 – 二、是协调数据产生设备和数据接收设备的数据大小 – 三、是因为为了保证写入外设的数据的一致性，要先 把数据转移到内核空间
• 在缓冲技术（Buffering）中，两个设备之间或者
μCLinux存储管理
• 其设计针对没有MMU的处理器，不能使用处理器
• • • •
的虚拟内存管理技术 μCLinux仍采用存储器的分页管理，系统在启动时 把实际存储器进行分页 没有MMU管理，所以实际上μCLinux采用实存储 器管理策略(real memeory management) μCLinux系统对于内存的访问是直接 一个进程在执行前，系统必须为进程分配足够的 连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空 间中
I/O设备抽象层次结构
操作系统内核
操作系统内核I/O子系统 软 件 LCD驱动 触摸屏驱 动 …… PCI bus 驱 动 PCI bus 控 制器
LCD 控 制 触 摸 屏 控 器 制器 硬 件 LCD 触摸屏
……
……
PCI bus
I/O调度
• I/O调度指的是对一组I/O请求进行安排，决
定它们的执行顺序 • 操作系统一般会把对某个设备的I/O请求放 入那个设备的请求队列中去 • 然后由I/O调度器对这些请求进行重新安排 以改进系统的整体性能
嵌入式操作系统
陈天洲、陈文智
实时性简介
• 对于什么是实时系统，POSIX 1003.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 • 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 • 一个计算机系统为了提供对于行有效的调度和管理，即实时调度
实时调度分类
• 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：基于优先级的调度算法 （Priority-driven scheduling-PD）、基于CPU使用 比例的共享式的调度算法（Share-driven scheduling-SD）、以及基于时间的进程调度算法 （Time-driven scheduling-TD） 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
行任务时被打断 • 2.6版本的Linux内核使用了由 Ingo Molnar 开发的新的调度器算法，称为O(1)算法
RTLinux硬实时操作系统简介
• RTLinux是一硬实时操作系统 • 实现了一个微内核的小的实时操作系统，而将普
•
• •
通Linux系统作为一个该操作系统中的一个低优先 级的任务来运行 普通Linux系统中的任务可以通过FIFO和实时任务 进行通信 通过软件来模拟硬件的中断控制器 RT-Linux通过将系统的实时时钟设置为单次触发 状态，可以提供十几个微秒级的调度粒度
• 直接访问Flash
– 自己编写Flash的驱动程序（即基本操作函数）
• Flash Disk
– 有些Flash存储设备上附带了控制电路，并且提 供了IDE的接口。这些设备通常都是模拟了PC 中的IDE之类设备的接口
• 专用于Flash的文件系统
– JFFS等文件系统，目前已经非常成熟，并有了 成功的应用
•
实时性改造
• 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 • 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 • 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
Linux的实时性
• 一般的通用linux已经具备一定的实时性 • 但无法满足硬实时的要求
RTLinux内核结构
Linux进程 实时任务 Linux内核
RTLinux内核
硬件环境
启动优化基本技术
• 一、固化各种不可扩展硬件的设置，尽量标准化
•
可扩展设备的接口，节约设备检测时间。 二、Lazy Loading，也即不加载当前非必需的模 块，这些模块可以在启动后待机时间内加载，或 者在具体用到之后再加载，把启动时间打散，从 而缩短对用户来说至关重要的反应时间 (Responding Time)。 三、任务并行化，很多系统在启动任务时，是顺 序执行，按部就班。为了减少启动时间，我们可 以考虑任务的并行化，以减少启动时间的消耗。