1、嵌入式系統設計嵌入式系統設計第四講 嵌入式實時操作系統 嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-2內容提綱1. 嵌入式操作系統概述2. UCOSII概述嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-31. 嵌入式操作系統概述概述嵌入式操作系統的演變嵌入式操作系統體系結構嵌入式操作系統的組成嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-4概述近十年來，嵌入式操作系統得到飛速的發展從支持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；從只有內核到除了內核外還提供其他功能模塊，如文件系統，TCP/IP網絡系統，窗口圖形系統等。隨著嵌入式系統應用領域的擴

2、展，目前嵌入式操作系統的市場在不斷細分，出現了針對不同領域的產品，這些產品按領域的要求和標準提供特定的功能。嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-5嵌入式操作系統的演變10%*Kernel30%*KernelNetworkingFile System75%*KernelNetworkingFile SystemMultiprocessingMemory ManagementNetworking UtilityWindows APIApplicationApplicationApplicationApplicationKernelNetworkingFile SystemMultiproce

3、ssingFault ToleranceDistributed ObjectsAdvanced NetworkingAdvanced InterconnectJavaBrowser / GUI嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-6嵌入式操作系統體系結構硬硬 件件系統服務系統服務用戶態用戶態核心態核心態應用程序應用程序應用程序應用程序單塊結構單塊結構嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-7嵌入式操作系統體系結構硬件硬件基本進程管理基本進程管理虛存管理虛存管理I/OI/O和設備管理和設備管理進程間通信進程間通信文件系統文件系統用戶用戶用戶模式用戶模式內核模式內核模式層次結構層次結構嵌入式

4、系統設計嵌入式系統設計2022-3-8嵌入式操作系統體系結構硬硬 件件進程服務進程服務用戶態用戶態核心態核心態應用程序客戶應用程序客戶內存服務內存服務微內核微內核文件服務文件服務網絡服務網絡服務顯示服務顯示服務發送發送應答應答客戶客戶/服務器結構（微內核結構）服務器結構（微內核結構）嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-9嵌入式操作系統體系結構目前嵌入式操作系統主要采用分層和模塊化相結合的結構或微內核結構。分層和模塊化結合的結構將操作系統分為硬件無關層、硬件抽象層和硬件相關層，每層再劃分功能模塊。這樣移植工作便集中在硬件相關層，與其余兩層無關，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。而采用微內核結構，則可利用其可伸縮的特點適應硬件的發展，便于擴展。 嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-10嵌入式操作系統的組成嵌入式操作系統一般由內核、嵌入式TCP/IP網絡系統、嵌入式文件系統等組成。內核 內核是嵌入式操作系統的基礎，也是必備的部分。它提供任務管理、內存管理、通信、同步與互斥機制、中斷管理、時間管理及任務擴展等功能。內核還提供特定的應用編程接口，但目前沒有統一的標準。 嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-11內核任務管理內核的核心部分，具有任務調度、創建任務、刪除任務、掛起任務、解掛任務、設置任務優先級等功能。 嵌入式操作系統多采用基于靜態優

6、先級的可搶占的調度，任務優先級是在運行前通過某種策略靜態分配好的，一旦有優先級更高的任務就緒就馬上進行調度。嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-12內核內存管理嵌入式操作系統的內存管理比較簡單。簡單OS通常不采用虛擬存儲管理，而采用靜態內存分配和動態內存分配（固定大小內存分配和可變大小內存分配）相結合的管理方式。有些內核利用MMU機制提供內存保護功能。通用操作系統廣泛使用了虛擬內存的技術，為用戶提供一個功能強大的虛存管理機制。嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-13內核通信、同步和互斥機制這些機制提供任務間、任務與中斷處理程序間的通信、同步和互斥功能。一般包括信號量、消息、事件、管

7、道、異步信號和共享內存等功能。嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-14內核中斷管理, 一般具有以下功能：中斷發生時，對中斷現場進行保存，并且轉到相應的服務程序上執行中斷退出前，對中斷現場進行恢復中斷退出時的任務調度 嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-15內核時間管理提供高精度、應用可設置的系統時鐘，該時鐘是嵌入式系統的時基，可設置為十毫秒以下。提供日歷時間，負責與時間相關的任務管理工作如任務對資源有限等待的計時、時間片輪轉調度等，提供軟定時器的管理功能等。通用操作系統的系統時鐘的精度由操作系統確定，應用不可調，且一般是幾十個毫秒。嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-16內核

8、任務擴展功能任務擴展功能就是在內核中設置一些Hook的調用點，在這些調用點上內核調用應用設置的、應用自己編寫的擴展處理程序，以擴展內核的有關功能。Hook調用點有任務創建、任務切換、任務刪除、出錯處理等。嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-17嵌入式TCP/IPTCP/IP協議已經廣泛地應用于嵌入式系統中 Socket Socket 接接 口口 UDPUDP協議協議 TCPTCP協議協議 IP IP 協議協議 ICMP/IGMPICMP/IGMP協議協議 網絡接口層網絡接口層 ARP/PPPARP/PPP協議協議 以太網驅動以太網驅動 異步串口驅動異步串口驅動物物 理理 設設 備備應用程

9、序應用程序/ /應用協議應用協議嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-18嵌入式文件系統嵌入式文件系統相比之下較為簡單，主要具有文件的存儲、檢索、更新等功能，一般不提供保護和加密等安全機制。它以系統調用和命令方式提供對文件的各種操作，主要有：設置和修改對文件和目錄的存取權限 提供建立、修改、改變、刪除目錄等服務提供創建、打開、讀、寫、關閉、撤消文件等服務 嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-192. UCOSII概述概述特點嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-20概述 C/OS-II讀做“micro C O S 2”，意為“微控制器操作系統版本2”。C/OS-II是源碼公開的著

10、名實時內核，可用于各類8位、16位和32位單片機或DSP。從C/OS算起，該內核已有10多年應用史，在諸多領域得到廣泛應用。 C/OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可剪裁的占先式實時多任務內核。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種不同架構的微處理器上運行。嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-21提供源代碼：購買作者撰寫的嵌入式實時操作系統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的ANSI C寫的，將與微處理器硬件相關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已經被移植到多種不同架構的微處理器上。可固化(ROMmable)：只要具備合適的軟硬件工具，就可以將C/OS-II嵌入到產品中成為產品的一部分。可剪裁(scalable)：C/OS-II使用條件編譯實現可剪裁，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對代碼空間和數據空間的占用。可剝奪(preemptive)：C/OS-II是完全可剝奪型的實時內核

12、，C/OS-II總是運行就緒條件下優先級最高的任務。C/OS-II特點嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-22多任務：C/OS-II可以管理64個任務，然而，C/OS-II的作者建議用戶保留8個給C/OS-II。這樣，留給用戶的應用程序最多可有56個任務。可確定性：絕大多數C/OS-II的函數調用和服務的執行時間具有確定性，也就是說，用戶總是能知道C/OS-II的函數調用與服務執行了多長時間。任務棧：C/OS-II的每個任務都有自己單獨的棧，使用C/OS-II的占空間校驗函數，可確定每個任務到底需要多少棧空間。系統服務：C/OS-II提供很多系統服務，例如信號量、互斥信號量、時間標志、消

13、息郵箱、消息隊列、塊大小固定的內存的申請與釋放及時間管理函數等。中斷管理：中斷可以使正在執行的任務暫時掛起，如果優先級更高的任務被中斷喚醒，則高優先級的任務在中斷嵌套全部退出后立即執行，中斷嵌套層數可達255層。 嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-23穩定性與可靠性：C/OS-II是C/OS的升級版，C/OS自1992年以來已經有數百個商業應用。C/OS-II與C/OS的內核是一樣的，只是提供了更多的功能。2000年7月，C/OS-II在一個航空項目中得到了美國聯邦航空管理局對商用飛機的、符合RTCA DO 178B標準的認證。這表明，該操作系統的質量得到了認證，可以在任何應用中使用。作者及其著作嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-24系統工作原理任務1任務2.空閑任務操作系統調度程序CPU資源信號量郵箱內存管理數據隊列時間管理產生系統運作所必需的節拍調度程序對所有任務進行運行控制嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-25任務1任務2.空閑任務信號量郵箱內存管理數據隊列時間管理l最多支持；，當所有任務都不運行時才運行空閑任務；，優先級為0表示最高，空閑任務優先級最低；l任務之間的通信通過ucos提供的各種事件機制進行。嵌入式系統設計嵌入式系統設計2022-3-26操作系統調度程序CPU資源l操作系統的；實際就是把當前任務所占用的CPU