第七讲 嵌入式操作系统概述

《第七讲 嵌入式操作系统概述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七讲 嵌入式操作系统概述（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、No 1 Sep 2006 第七讲嵌入式操作系统概述第七讲嵌入式操作系统概述 东南大学国家专用集成电 系统工程技术研究中心 嵌入式系统概论嵌入式系统概论 No 2 Sep 2006 目录目录 复习嵌入式系统硬件设计概述 OS概述 嵌入式操作系统的基本原 任务和调 任务同步和通信 中断 时钟及其他 嵌入式操作系统ASIXOS举 No 3 Sep 2006 复习 嵌入式系统硬件设计复习 嵌入式系统硬件设计 电源设计电源设计 LDO 低压差线性稳压器 输出纹波小 效 较低 低压差线性稳压器 输出纹波小 效 较低 DC DC 开关稳压电源 效 高 产生噪声 开关稳压电源 效 高 产生噪声 存储器设计存

2、储器设计 NOR FLASH SRAM总线接口 程序存储器 容 小 价格高总线接口 程序存储器 容 小 价格高 NAND FLASH I O接口 数据存储器 容 大而 宜 存在位反转和坏 区 接口 数据存储器 容 大而 宜 存在位反转和坏 区 SDRAM 同步动态 同步动态RAM 时序比 时序比SRAM总线接口复杂 交叉地址 需要动态刷新 总线接口复杂 交叉地址 需要动态刷新 人机接口人机接口 LCD STN TFT 液晶显示屏 液晶显示屏 LCD控制器 控制器 LCD驱动器 液晶屏驱动器 液晶屏 键盘设计 键盘设计 N N键盘使用键盘使用N 1 接口实现的方法接口实现的方法 No 4 Sep

3、 2006 复习 嵌入式系统硬件设计复习 嵌入式系统硬件设计 通信和接口通信和接口 UART 通用异步 口 通用异步 口 古 的协议 古 的协议 RS232 RS485 SPI 同步 接口 同步 接口 I2C SDA SCL 两线制 总线两线制 总线 USB 通用 总线 通用 总线 可编程器件可编程器件 基于乘积项 基于乘积项 Product Term 的的PLD结构结构 CPLD 基于查找表 基于查找表 Look Up Table 的的PLD结构结构 FPGA CPLD和和FPGA的区别的区别 可编程器件的设计 程可编程器件的设计 程 硬件描述语言硬件描述语言 逻辑仿真逻辑仿真 逻辑综合逻辑

4、综合 布局布线布局布线 后仿真后仿真 No 5 Sep 2006 目录目录 复习嵌入式系统硬件设计概述 OS概述 嵌入式操作系统的基本原 任务和调 任务同步和通信 中断 时钟及其他 嵌入式操作系统ASIXOS举 No 6 Sep 2006 操作系统概述操作系统概述 OS 是位于计算机硬件系统之上 控制和管 计算机软硬 件资源 为用户提供 捷使用计算机的程序集合 是位于计算机硬件系统之上 控制和管 计算机软硬 件资源 为用户提供 捷使用计算机的程序集合 OS的作用 的作用 管 计算机 管 计算机 OS用来 有效的管 和分配系统的硬 软件资源 使得其 能够发挥 大的作用 用来 有效的管 和分配系统

5、的硬 软件资源 使得其 能够发挥 大的作用 使用计算机 使用计算机 OS通过内部复杂的综合处 为用户提供友好 快捷的操 作界面 以 用户无需 解计算机软 硬件的细节就能方 地使用计算机 通过内部复杂的综合处 为用户提供友好 快捷的操 作界面 以 用户无需 解计算机软 硬件的细节就能方 地使用计算机 OS的主要功能的主要功能 进程管 进程管 存储管 存储管 设备管 设备管 文件管 文件管 用户接口用户接口 作业管 作业管 No 7 Sep 2006 OS的功能OS的功能 进程管 进程管 程序及其数据在计算机上的一次执 过程 是操作系统进 资源分配和调 有的一个独 单位 主要是按照某种原则分配进程

6、资源 正在执 的 程序的管 单线程和多线程 程序及其数据在计算机上的一次执 过程 是操作系统进 资源分配和调 有的一个独 单位 主要是按照某种原则分配进程资源 正在执 的 程序的管 单线程和多线程 线程 线程线程 线程ID 程序计数器 寄存器集合 堆栈和属于同一进程的其他线 程共享其代码段 数据段和其他资源 程序计数器 寄存器集合 堆栈和属于同一进程的其他线 程共享其代码段 数据段和其他资源 存储管 存储管 主要是管 内存资源 提高内存的 用 主要是管 内存资源 提高内存的 用 设备管 设备管 制定分配和使用设备的策 最大限 的实现并 操作制定分配和使用设备的策 最大限 的实现并 操作 文件管

7、 文件管 有效管 文件的存储空间有效管 文件的存储空间 用户接口 用户界面用户接口 用户界面 No 8 Sep 2006 进程 线程和任务的关系进程 线程和任务的关系 进程一般都拥有自己的独 内存空 间 进程间的内存空间彼此隔离 以此实现保护 所以进程的实现有 赖于硬件的支持 进程一般都拥有自己的独 内存空 间 进程间的内存空间彼此隔离 以此实现保护 所以进程的实现有 赖于硬件的支持 MMU 在多线程的系统中 进程 像是一 个容器的概 这个容器规定 线 程运 的内存空间 每个线程拥有 自己独 的堆栈 是最小的可调 单元 在多线程的系统中 进程 像是一 个容器的概 这个容器规定 线 程运 的内存

8、空间 每个线程拥有 自己独 的堆栈 是最小的可调 单元 对于嵌入式系统而言 由于很多嵌 入式处 器没有 对于嵌入式系统而言 由于很多嵌 入式处 器没有MMU 所以每个可 调 单元虽然拥有自己的堆栈 但 是却运 在同一内存空间 我们称 其为任务 所以每个可 调 单元虽然拥有自己的堆栈 但 是却运 在同一内存空间 我们称 其为任务 内存空间任务 多进程 单线程 多进程 多线程 单进程 多线程 多进程 单线程 多进程 多线程 单进程 多线程 No 9 Sep 2006 嵌入式软件的发展 循环轮询系统嵌入式软件的发展 循环轮询系统 单线程程序单线程程序Single threaded program 也

9、称为顺序程序也称为顺序程序Sequential program 它分为两种 它分为两种 循环轮询系统循环轮询系统 Polling Loop 最简单的软件结构是循环轮询最简单的软件结构是循环轮询 程序依次 检查系统的每一个输入条件 程序依次 检查系统的每一个输入条件 一旦条件成立就进行相应的处理其通常的 软件结构如下 一旦条件成立就进行相应的处理其通常的 软件结构如下 优点优点 对于简单的系统而言便于编程和理解对于简单的系统而言便于编程和理解 没有中断的机制程序运行良好不会出现随机的问题没有中断的机制程序运行良好不会出现随机的问题 缺点缺点 有限的应用领域有限的应用领域 由于不可确定性由于不可确

10、定性 对于大量的对于大量的I O服务的应用不易实现服务的应用不易实现 大的程序不便于调试大的程序不便于调试 Do some work Check form input Repeat initialize While true if condition 1 action 1 if condition 2 action 2 if condition n acition n No 10 Sep 2006 嵌入式软件的发展 前后台系统嵌入式软件的发展 前后台系统 单线程程序第二种 前后台系统单线程程序第二种 前后台系统 Foreground Background 这种系 统可称为或超循环系统 这种系

11、统可称为或超循环系统 Super Loops 应用程序是一个无限的循环 循环中调用相应的函数完成相应的操作 这部分可 以看成后台行为 应用程序是一个无限的循环 循环中调用相应的函数完成相应的操作 这部分可 以看成后台行为 background 中断服务程序处理异步事件 这部分可以看成前台行为 中断服务程序处理异步事件 这部分可以看成前台行为 foreground 后台也 可以叫做任务级 前台也叫中断级 后台也 可以叫做任务级 前台也叫中断级 时间相关性很强的关键操作时间相关性很强的关键操作 Critical operation 一定是靠中断服务来保证的 一定是靠中断服务来保证的 因为中断服务提

12、供的信息一直要等到后台程序走到该处理这个信息这一步时才能 得到处理 这种系统在处理信息的及时性上 比实际可以做到的要差 因为中断服务提供的信息一直要等到后台程序走到该处理这个信息这一步时才能 得到处理 这种系统在处理信息的及时性上 比实际可以做到的要差 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 No 11 Sep 2006 嵌入式软件的发展 多任务操作系统嵌入式软件的发展 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问题的提出 对于一个复杂的嵌入式实时系统来说

13、 当采用中断处理程序加后台主程序这种软件结构难以实时的准确的可靠的完 成时 当采用中断处理程序加后台主程序这种软件结构难以实时的准确的可靠的完 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 多任务嵌入式实时操作系统的实质特点 多任务嵌入式实时操作系统的实质特点 多个顺序执行的程序并行运行 宏观上看所有的程序同时运行每个程序运行在自己独立的多个顺序执行的程序并行运行 宏观上看所有的程序同时运行每个程序运行在自己独立的 CPU上 实际上不同的程序是共享同一个上 实际上不同的程序是共享同一个CPU和其它硬件和其它硬件 RTOS来对这些共享

14、的设备和数据进行管理来对这些共享的设备和数据进行管理 每个程序都被编制成无限循环的程序等待特定的输入执行相应的任务等每个程序都被编制成无限循环的程序等待特定的输入执行相应的任务等 这种程序模型将系统分成相对简单的相互合作的模块这种程序模型将系统分成相对简单的相互合作的模块 主要优点主要优点 将复杂的系统分解为相对独立的多个线程达到分而制之的目的 从而降低系统的复杂性将复杂的系统分解为相对独立的多个线程达到分而制之的目的 从而降低系统的复杂性 保证系统的实时性保证系统的实时性 系统的模块化好提高系统的可维护性系统的模块化好提高系统的可维护性 缺点 缺点 需要采用一些新的软件设计方法需要采用一些新

15、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需要对每一个共享资源互斥 导致线程间的竞争导致线程间的竞争 需要使用需要使用RTOS RTOS要增加系统的开销要增加系统的开销 No 12 Sep 2006 多任务嵌入式操作系统的实质多任务嵌入式操作系统的实质 实时多任务系统实际上是由多个任 务和多个中断处理过程组成的有机 的整体 实时多任务系统实际上是由多个任 务和多个中断处理过程组成的有机 的整体 每个任务是顺序执行的每个任务是顺序执行的 并行性通过 操作系统来完成 并行性通过 操作系统来完成 任务间的相互通信和同步也

16、需要操 作系统的支持 任务间的相互通信和同步也需要操 作系统的支持 RTOS的需求的需求 足够的快 上下文切换和系统调用等足够的快 上下文切换和系统调用等 可确定的性能可确定的性能 任务调度机制是基于优先级的任务调度机制是基于优先级的 最小的中断延迟最小的中断延迟 可伸缩可配置的体系结构可伸缩可配置的体系结构 可靠健壮可靠健壮 操作系统主要完成操作系统主要完成 任务切换和调度任务切换和调度 任务间通信同步互斥任务间通信同步互斥 实时时钟管理实时时钟管理 中断管理中断管理 内存管理内存管理 No 13 Sep 2006 实时操作系统的概 实时操作系统的概 实时系统 系统的正确运 要同时满足特定的逻辑和时间 关系 实时系统 系统的正确运 要同时满足特定的逻辑和时间 关系 实时操作系统实时操作系统RTOS real time operation system 是 指能支持实时控制系统工作的操作系统 是 指能支持实时控制系统工作的操作系统 硬实时硬实时 所谓硬实时是指如果系统对某个实时任务的处理未能在某个截止 时间开始或者结束的话 最终的结果将是灾难性的 这就意味着即便是处 理结果合乎逻辑但是