第04章 嵌入式实时内核基础要点
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ISR应尽量短小，以保障系统能及时处理其他中断和任务。ISR通 常只处理一些必要的操作，其他的操作则交给与其协作的任务DSR （Deferred Service Routine）来完成。ISR只是进行与外围相关的设 备进行数据传送，以及发出确认信息，然后唤醒与之相应的任务， 使其准备就绪，将这个事件进一步处理。例如，网卡ISR只传送原 始的包数据，而对包内数据的分析与解释则由DSR来完成。
（1）非嵌套中断处理
（2）嵌套中断处理
中断管理
多任务系统中，ISR包括三方面内容：中断前导、用户ISR和中断后 续。前导是保护现场，保存被中断程序的状态；用户ISR完成对中断的 具体处理；而后续是恢复现场，前导和后续是由内核的中断接管程序实 现的。发生中断->接管程序->用户ISR->接管程序。
（1）确定性
确定性是指系统对外部事件（任务）相应的最长处理 时间是可预知的。实时性和确定性是缺一不可的。一 个系统是确定的，就是说，它在固定的、预先确定的 时间间隔内操作。
（2）响应性
响应性反映的是，在识别外部事件后，系统要花费多 长时间来处理这个事件。例如：
中断处理初始化及开始执行ISR所需的时间；
当事件处理程序很短，ISR就可全部完成，就不用DSR。 这种ISR+DSR方式，只当DSR执行完毕，整个事件处理才结束。 所有就绪任务是按优先权处理的，在就绪任务队列中等候处理。 并且，每执行一个新的ISR，接管程序后续处理中都要激活重调度 程序，对当前所有就绪任务进行一次调度，以使优先级最高的任 务马上被执行。
4. 数据结构 为保证各个功能执行时间的确定性，引入优先级位图算法和 双向链表及差分时间；5. 存储管理机制；6.资源有限时间等待（自学）。
7.优先级反转问题
抢占式内核可降低任务重新调度的延迟时间，但是会产 生优先级反转问题。低优先级任务占有临界资源，但没有 CPU处理权，高优先级任务有被处理权，但须等待临界资源。 凡是有资源竞争的场合，都会有优先级反转问题。因此需用 内核间接地通过互斥信号量来解决。
支持多任务；
支持抢占多任务；
支持任务优先级调度；
任务优先级可继承；
支持可预测的任务同步机制；
实时内核的运行时间是可预测的；
系统调用的确定性。
Βιβλιοθήκη Baidu 1.调度算法 无论对单处理器还是多处理器，调度算法对响应时间都有很
大影响。实时系统的目标：所有的硬实时任务要在它们的最 后期限之前完成。尽可能多的将软实时任务在它们的最后期 限到达前完成。因此，实时内核中，为了能够在突发状态时 作出反应，都采用抢占优先级任务调度。
2. 可抢占内核
可抢占内核是指在执行内核服务程序时，也能响应中断。可 抢占内核调度，可进一步提高系统响应性。
a.不可抢占内核情况。
b.可抢占内核调度情况。
3. 内核的关中断时间 临界资源：某时刻仅允许一个进程单独访问的资 源。硬件有：打印机，接口等,软件有：消息缓冲队列、 变量、数组等。因此各进程间应采取互斥方式，来实 现对这种资源的先后共享。 而每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。 保证各进程单独地进入临界区，才可实现各进程对临 界资源的互斥访问。为此，每个进程在进入此区之前， 应先检查它是否正被其他进程访问。如无，进程便可 进入临界区对该资源进行访问，并设置正在被访问的 标志；如有，则此进程就不能进入此临界区。 内核关中断时间是由内核服务函数对临界资源的 操作引入的。为的是保护临界资源不被破坏。在临界 区中进行暂时中断屏蔽，即关中断，以便阻止其他进 程访问此临界区代码。从而实现访问互斥。
保护现场就是保存当前CPU寄存器内容。恢复就是将保存的现场恢 复到寄存器中。这些是由中断接管程序完成的。以便确保返回被中断的 程序时有属于自己的寄存器内容。
用户中断服务程序（ISR）
当中断线上出现中断信号，对应中断向量中注册的ISR就会被调 用。这个过程是由CPU负责，不需要OS内核调度。但需要内核接 管服务程序辅助处理。如果允许嵌套，当前的ISR还可能被更高优 先权的ISR中断（抢占）。
优先级继承 就是临时提高已经占有临界资源的任务的优 先级，使之优先执行，然后释放临界资源，以便高优先级任 务获得它。
执行ISR所需时间；
中断嵌套的影响。
（3）响应时间 确定性和响应性在一起构成了系统对外部事件的响应时间。
对于多任务实时应用来讲，分为中断响应时间和任务响应时间。 中断响应时间是指从中断发生到开始执行ISR的第一条指令的时 间；任务响应时间是指从任务对应的中断产生到该任务真正开 始执行这一过程所花费的时间。任务响应时间又称任务调度延 迟。实时内核的几个重要原则是：
第四章
嵌入式实时内核基础
主要内容
• 嵌入式实时内核的关键设计问题 • 嵌入式实时内核的主要功能 • 嵌入式实时内核的主要指标
第一节
嵌入式实时内核的关键设计问题
中断基本概念介绍 实时性 可移植性 可剪裁、可配置性 可靠性 应用编程接口
中断概念介绍
中断概念
实时系统处理外部事件，如按键一旦按下，此事件就会通过中断连线通知系统。 于是CPU当前运行的程序就被这个外部事件打断，来执行此外部事件的中断处理 程序ISR，即读出按键数据，分析是哪个按键按下。中断处理过程分为检测、响应 和处理三个阶段。CPU执行每个指令结束时，进入中断周期，检查是否有中断到 来，如无，就取下条指令执行；如有，则CPU进入中断响应。中断响应是CPU内 部硬件完成的。中断响应后，就开始执行相应的ISR。
复习一下实时内核
实时内核是实时操作系统的基础。它提供 任务管理、内存管理、通信、同步与互斥机 制、中断管理、时间管理以及任务扩展功能。 内核还提供应用程序接口API功能。
4.1 嵌入式实时内核的关键设计问题
4.1.1 实时性
实时性是实时内核最重要特性之一。实时系统的正确性不 仅依赖于系统计算的逻辑结果，还依赖于产生这些结果的时 间。实时性能取决于硬件、OS和应用程序AP。当硬件和AP 确定之后，实时内核起到关键作用。实时性就是实时内核应 该保证系统尽可能快的对外部时间做出反应。
（1）非嵌套中断处理
（2）嵌套中断处理
中断管理
多任务系统中，ISR包括三方面内容：中断前导、用户ISR和中断后 续。前导是保护现场，保存被中断程序的状态；用户ISR完成对中断的 具体处理；而后续是恢复现场，前导和后续是由内核的中断接管程序实 现的。发生中断->接管程序->用户ISR->接管程序。
（1）确定性
确定性是指系统对外部事件（任务）相应的最长处理 时间是可预知的。实时性和确定性是缺一不可的。一 个系统是确定的，就是说，它在固定的、预先确定的 时间间隔内操作。
（2）响应性
响应性反映的是，在识别外部事件后，系统要花费多 长时间来处理这个事件。例如：
中断处理初始化及开始执行ISR所需的时间；
当事件处理程序很短，ISR就可全部完成，就不用DSR。 这种ISR+DSR方式，只当DSR执行完毕，整个事件处理才结束。 所有就绪任务是按优先权处理的，在就绪任务队列中等候处理。 并且，每执行一个新的ISR，接管程序后续处理中都要激活重调度 程序，对当前所有就绪任务进行一次调度，以使优先级最高的任 务马上被执行。
4. 数据结构 为保证各个功能执行时间的确定性，引入优先级位图算法和 双向链表及差分时间；5. 存储管理机制；6.资源有限时间等待（自学）。
7.优先级反转问题
抢占式内核可降低任务重新调度的延迟时间，但是会产 生优先级反转问题。低优先级任务占有临界资源，但没有 CPU处理权，高优先级任务有被处理权，但须等待临界资源。 凡是有资源竞争的场合，都会有优先级反转问题。因此需用 内核间接地通过互斥信号量来解决。
支持多任务；
支持抢占多任务；
支持任务优先级调度；
任务优先级可继承；
支持可预测的任务同步机制；
实时内核的运行时间是可预测的；
系统调用的确定性。
Βιβλιοθήκη Baidu 1.调度算法 无论对单处理器还是多处理器，调度算法对响应时间都有很
大影响。实时系统的目标：所有的硬实时任务要在它们的最 后期限之前完成。尽可能多的将软实时任务在它们的最后期 限到达前完成。因此，实时内核中，为了能够在突发状态时 作出反应，都采用抢占优先级任务调度。
2. 可抢占内核
可抢占内核是指在执行内核服务程序时，也能响应中断。可 抢占内核调度，可进一步提高系统响应性。
a.不可抢占内核情况。
b.可抢占内核调度情况。
3. 内核的关中断时间 临界资源：某时刻仅允许一个进程单独访问的资 源。硬件有：打印机，接口等,软件有：消息缓冲队列、 变量、数组等。因此各进程间应采取互斥方式，来实 现对这种资源的先后共享。 而每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。 保证各进程单独地进入临界区，才可实现各进程对临 界资源的互斥访问。为此，每个进程在进入此区之前， 应先检查它是否正被其他进程访问。如无，进程便可 进入临界区对该资源进行访问，并设置正在被访问的 标志；如有，则此进程就不能进入此临界区。 内核关中断时间是由内核服务函数对临界资源的 操作引入的。为的是保护临界资源不被破坏。在临界 区中进行暂时中断屏蔽，即关中断，以便阻止其他进 程访问此临界区代码。从而实现访问互斥。
保护现场就是保存当前CPU寄存器内容。恢复就是将保存的现场恢 复到寄存器中。这些是由中断接管程序完成的。以便确保返回被中断的 程序时有属于自己的寄存器内容。
用户中断服务程序（ISR）
当中断线上出现中断信号，对应中断向量中注册的ISR就会被调 用。这个过程是由CPU负责，不需要OS内核调度。但需要内核接 管服务程序辅助处理。如果允许嵌套，当前的ISR还可能被更高优 先权的ISR中断（抢占）。
优先级继承 就是临时提高已经占有临界资源的任务的优 先级，使之优先执行，然后释放临界资源，以便高优先级任 务获得它。
执行ISR所需时间；
中断嵌套的影响。
（3）响应时间 确定性和响应性在一起构成了系统对外部事件的响应时间。
对于多任务实时应用来讲，分为中断响应时间和任务响应时间。 中断响应时间是指从中断发生到开始执行ISR的第一条指令的时 间；任务响应时间是指从任务对应的中断产生到该任务真正开 始执行这一过程所花费的时间。任务响应时间又称任务调度延 迟。实时内核的几个重要原则是：
第四章
嵌入式实时内核基础
主要内容
• 嵌入式实时内核的关键设计问题 • 嵌入式实时内核的主要功能 • 嵌入式实时内核的主要指标
第一节
嵌入式实时内核的关键设计问题
中断基本概念介绍 实时性 可移植性 可剪裁、可配置性 可靠性 应用编程接口
中断概念介绍
中断概念
实时系统处理外部事件，如按键一旦按下，此事件就会通过中断连线通知系统。 于是CPU当前运行的程序就被这个外部事件打断，来执行此外部事件的中断处理 程序ISR，即读出按键数据，分析是哪个按键按下。中断处理过程分为检测、响应 和处理三个阶段。CPU执行每个指令结束时，进入中断周期，检查是否有中断到 来，如无，就取下条指令执行；如有，则CPU进入中断响应。中断响应是CPU内 部硬件完成的。中断响应后，就开始执行相应的ISR。
复习一下实时内核
实时内核是实时操作系统的基础。它提供 任务管理、内存管理、通信、同步与互斥机 制、中断管理、时间管理以及任务扩展功能。 内核还提供应用程序接口API功能。
4.1 嵌入式实时内核的关键设计问题
4.1.1 实时性
实时性是实时内核最重要特性之一。实时系统的正确性不 仅依赖于系统计算的逻辑结果，还依赖于产生这些结果的时 间。实时性能取决于硬件、OS和应用程序AP。当硬件和AP 确定之后，实时内核起到关键作用。实时性就是实时内核应 该保证系统尽可能快的对外部时间做出反应。