1、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)第四講 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-2內(nèi)容提綱1. 嵌入式操作系統(tǒng)概述2. UCOSII概述嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-31. 嵌入式操作系統(tǒng)概述概述嵌入式操作系統(tǒng)的演變嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)嵌入式操作系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-4概述近十年來，嵌入式操作系統(tǒng)得到飛速的發(fā)展從支持8位微處理器到16位、32位甚至64位微處理器；從支持單一品種的微處理器芯片到支持多品種微處理器芯片；從只有內(nèi)核到除了內(nèi)核外還提供其他功能模塊，如文件系統(tǒng)，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，窗口圖形系統(tǒng)等。隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)

2、展，目前嵌入式操作系統(tǒng)的市場在不斷細(xì)分，出現(xiàn)了針對不同領(lǐng)域的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品按領(lǐng)域的要求和標(biāo)準(zhǔn)提供特定的功能。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-5嵌入式操作系統(tǒng)的演變10%*Kernel30%*KernelNetworkingFile System75%*KernelNetworkingFile SystemMultiprocessingMemory ManagementNetworking UtilityWindows APIApplicationApplicationApplicationApplicationKernelNetworkingFile SystemMultiproce

3、ssingFault ToleranceDistributed ObjectsAdvanced NetworkingAdvanced InterconnectJavaBrowser / GUI嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-6嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)硬硬 件件系統(tǒng)服務(wù)系統(tǒng)服務(wù)用戶態(tài)用戶態(tài)核心態(tài)核心態(tài)應(yīng)用程序應(yīng)用程序應(yīng)用程序應(yīng)用程序單塊結(jié)構(gòu)單塊結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-7嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)硬件硬件基本進(jìn)程管理基本進(jìn)程管理虛存管理虛存管理I/OI/O和設(shè)備管理和設(shè)備管理進(jìn)程間通信進(jìn)程間通信文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)用戶用戶用戶模式用戶模式內(nèi)核模式內(nèi)核模式層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)嵌入式

4、系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-8嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)硬硬 件件進(jìn)程服務(wù)進(jìn)程服務(wù)用戶態(tài)用戶態(tài)核心態(tài)核心態(tài)應(yīng)用程序客戶應(yīng)用程序客戶內(nèi)存服務(wù)內(nèi)存服務(wù)微內(nèi)核微內(nèi)核文件服務(wù)文件服務(wù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)顯示服務(wù)顯示服務(wù)發(fā)送發(fā)送應(yīng)答應(yīng)答客戶客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（微內(nèi)核結(jié)構(gòu)）服務(wù)器結(jié)構(gòu)（微內(nèi)核結(jié)構(gòu)）嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-9嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)目前嵌入式操作系統(tǒng)主要采用分層和模塊化相結(jié)合的結(jié)構(gòu)或微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。分層和模塊化結(jié)合的結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)分為硬件無關(guān)層、硬件抽象層和硬件相關(guān)層，每層再劃分功能模塊。這樣移植工作便集中在硬件相關(guān)層，與其余兩層無關(guān)，功能的伸縮則集中在模塊上，從而確保其具有良好的

5、可移植性和可伸縮性。而采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，則可利用其可伸縮的特點(diǎn)適應(yīng)硬件的發(fā)展，便于擴(kuò)展。 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-10嵌入式操作系統(tǒng)的組成嵌入式操作系統(tǒng)一般由內(nèi)核、嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、嵌入式文件系統(tǒng)等組成。內(nèi)核 內(nèi)核是嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是必備的部分。它提供任務(wù)管理、內(nèi)存管理、通信、同步與互斥機(jī)制、中斷管理、時(shí)間管理及任務(wù)擴(kuò)展等功能。內(nèi)核還提供特定的應(yīng)用編程接口，但目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-11內(nèi)核任務(wù)管理內(nèi)核的核心部分，具有任務(wù)調(diào)度、創(chuàng)建任務(wù)、刪除任務(wù)、掛起任務(wù)、解掛任務(wù)、設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級(jí)等功能。 嵌入式操作系統(tǒng)多采用基于靜態(tài)優(yōu)

6、先級(jí)的可搶占的調(diào)度，任務(wù)優(yōu)先級(jí)是在運(yùn)行前通過某種策略靜態(tài)分配好的，一旦有優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)就緒就馬上進(jìn)行調(diào)度。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-12內(nèi)核內(nèi)存管理嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理比較簡單。簡單OS通常不采用虛擬存儲(chǔ)管理，而采用靜態(tài)內(nèi)存分配和動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配（固定大小內(nèi)存分配和可變大小內(nèi)存分配）相結(jié)合的管理方式。有些內(nèi)核利用MMU機(jī)制提供內(nèi)存保護(hù)功能。通用操作系統(tǒng)廣泛使用了虛擬內(nèi)存的技術(shù)，為用戶提供一個(gè)功能強(qiáng)大的虛存管理機(jī)制。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-13內(nèi)核通信、同步和互斥機(jī)制這些機(jī)制提供任務(wù)間、任務(wù)與中斷處理程序間的通信、同步和互斥功能。一般包括信號(hào)量、消息、事件、管

7、道、異步信號(hào)和共享內(nèi)存等功能。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-14內(nèi)核中斷管理, 一般具有以下功能：中斷發(fā)生時(shí)，對中斷現(xiàn)場進(jìn)行保存，并且轉(zhuǎn)到相應(yīng)的服務(wù)程序上執(zhí)行中斷退出前，對中斷現(xiàn)場進(jìn)行恢復(fù)中斷退出時(shí)的任務(wù)調(diào)度 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-15內(nèi)核時(shí)間管理提供高精度、應(yīng)用可設(shè)置的系統(tǒng)時(shí)鐘，該時(shí)鐘是嵌入式系統(tǒng)的時(shí)基，可設(shè)置為十毫秒以下。提供日歷時(shí)間，負(fù)責(zé)與時(shí)間相關(guān)的任務(wù)管理工作如任務(wù)對資源有限等待的計(jì)時(shí)、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等，提供軟定時(shí)器的管理功能等。通用操作系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)鐘的精度由操作系統(tǒng)確定，應(yīng)用不可調(diào)，且一般是幾十個(gè)毫秒。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-16內(nèi)核

8、任務(wù)擴(kuò)展功能任務(wù)擴(kuò)展功能就是在內(nèi)核中設(shè)置一些Hook的調(diào)用點(diǎn)，在這些調(diào)用點(diǎn)上內(nèi)核調(diào)用應(yīng)用設(shè)置的、應(yīng)用自己編寫的擴(kuò)展處理程序，以擴(kuò)展內(nèi)核的有關(guān)功能。Hook調(diào)用點(diǎn)有任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)切換、任務(wù)刪除、出錯(cuò)處理等。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-17嵌入式TCP/IPTCP/IP協(xié)議已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中 Socket Socket 接接 口口 UDPUDP協(xié)議協(xié)議 TCPTCP協(xié)議協(xié)議 IP IP 協(xié)議協(xié)議 ICMP/IGMPICMP/IGMP協(xié)議協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)絡(luò)接口層 ARP/PPPARP/PPP協(xié)議協(xié)議 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng) 異步串口驅(qū)動(dòng)異步串口驅(qū)動(dòng)物物 理理 設(shè)設(shè) 備備應(yīng)用程

9、序應(yīng)用程序/ /應(yīng)用協(xié)議應(yīng)用協(xié)議嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-18嵌入式文件系統(tǒng)嵌入式文件系統(tǒng)相比之下較為簡單，主要具有文件的存儲(chǔ)、檢索、更新等功能，一般不提供保護(hù)和加密等安全機(jī)制。它以系統(tǒng)調(diào)用和命令方式提供對文件的各種操作，主要有：設(shè)置和修改對文件和目錄的存取權(quán)限 提供建立、修改、改變、刪除目錄等服務(wù)提供創(chuàng)建、打開、讀、寫、關(guān)閉、撤消文件等服務(wù) 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-192. UCOSII概述概述特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-20概述 C/OS-II讀做“micro C O S 2”，意為“微控制器操作系統(tǒng)版本2”。C/OS-II是源碼公開的著

10、名實(shí)時(shí)內(nèi)核，可用于各類8位、16位和32位單片機(jī)或DSP。從C/OS算起，該內(nèi)核已有10多年應(yīng)用史，在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 C/OS-II是一個(gè)完整的、可移植、可固化、可剪裁的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。C/OS-II使用ANSI C語言編寫，包含一小部分匯編代碼，使之可以供不同架構(gòu)的微處理器使用。至今，從8位到64位，C/OS-II已在超過40種不同架構(gòu)的微處理器上運(yùn)行。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-21提供源代碼：購買作者撰寫的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)C/OS-II一書即可獲得C/OS-II V2.52版本的所有源代碼，購買此書的其它版本可以獲得相應(yīng)版本的全部源代碼。可移植性（porta

11、ble）：C/OS-II的源代碼絕大部分是使用移植性很強(qiáng)的ANSI C寫的，將與微處理器硬件相關(guān)的匯編語言使用量壓縮到最低的限度，以使C/OS-II便于移植到其它微處理器上。目前，C/OS-II已經(jīng)被移植到多種不同架構(gòu)的微處理器上。可固化(ROMmable)：只要具備合適的軟硬件工具，就可以將C/OS-II嵌入到產(chǎn)品中成為產(chǎn)品的一部分。可剪裁(scalable)：C/OS-II使用條件編譯實(shí)現(xiàn)可剪裁，用戶程序可以只編譯自己需要的（C/OS-II的）功能，而不編譯不要需要的功能，以減少C/OS-II對代碼空間和數(shù)據(jù)空間的占用。可剝奪(preemptive)：C/OS-II是完全可剝奪型的實(shí)時(shí)內(nèi)核

12、，C/OS-II總是運(yùn)行就緒條件下優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。C/OS-II特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-22多任務(wù)：C/OS-II可以管理64個(gè)任務(wù)，然而，C/OS-II的作者建議用戶保留8個(gè)給C/OS-II。這樣，留給用戶的應(yīng)用程序最多可有56個(gè)任務(wù)。可確定性：絕大多數(shù)C/OS-II的函數(shù)調(diào)用和服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間具有確定性，也就是說，用戶總是能知道C/OS-II的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)執(zhí)行了多長時(shí)間。任務(wù)棧：C/OS-II的每個(gè)任務(wù)都有自己單獨(dú)的棧，使用C/OS-II的占空間校驗(yàn)函數(shù)，可確定每個(gè)任務(wù)到底需要多少棧空間。系統(tǒng)服務(wù)：C/OS-II提供很多系統(tǒng)服務(wù)，例如信號(hào)量、互斥信號(hào)量、時(shí)間標(biāo)志、消

13、息郵箱、消息隊(duì)列、塊大小固定的內(nèi)存的申請與釋放及時(shí)間管理函數(shù)等。中斷管理：中斷可以使正在執(zhí)行的任務(wù)暫時(shí)掛起，如果優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)被中斷喚醒，則高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在中斷嵌套全部退出后立即執(zhí)行，中斷嵌套層數(shù)可達(dá)255層。 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-23穩(wěn)定性與可靠性：C/OS-II是C/OS的升級(jí)版，C/OS自1992年以來已經(jīng)有數(shù)百個(gè)商業(yè)應(yīng)用。C/OS-II與C/OS的內(nèi)核是一樣的，只是提供了更多的功能。2000年7月，C/OS-II在一個(gè)航空項(xiàng)目中得到了美國聯(lián)邦航空管理局對商用飛機(jī)的、符合RTCA DO 178B標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。這表明，該操作系統(tǒng)的質(zhì)量得到了認(rèn)證，可以在任何應(yīng)用中使用。作者及其著作嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-24系統(tǒng)工作原理任務(wù)1任務(wù)2.空閑任務(wù)操作系統(tǒng)調(diào)度程序CPU資源信號(hào)量郵箱內(nèi)存管理數(shù)據(jù)隊(duì)列時(shí)間管理產(chǎn)生系統(tǒng)運(yùn)作所必需的節(jié)拍調(diào)度程序?qū)λ腥蝿?wù)進(jìn)行運(yùn)行控制嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-25任務(wù)1任務(wù)2.空閑任務(wù)信號(hào)量郵箱內(nèi)存管理數(shù)據(jù)隊(duì)列時(shí)間管理l最多支持；，當(dāng)所有任務(wù)都不運(yùn)行時(shí)才運(yùn)行空閑任務(wù)；，優(yōu)先級(jí)為0表示最高，空閑任務(wù)優(yōu)先級(jí)最低；l任務(wù)之間的通信通過ucos提供的各種事件機(jī)制進(jìn)行。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2022-3-26操作系統(tǒng)調(diào)度程序CPU資源l操作系統(tǒng)的；實(shí)際就是把當(dāng)前任務(wù)所占用的CPU