嵌入式系统原理与设计-第12章.ppt

第12章 嵌入式软件设计中的几个问题 12.1 同步与通信 12.2 死锁及其处理 12.3 优先权倒置 12.4 堆栈溢出 12.1 同步与通信 实时嵌入式系统中的应用软件利用并发使效率最大化。其结果是一般应用设计包括多个并发的线程、任务或进程，协调这些活动要求任务之间同步和通信。 资源同步 多任务的访问必须同步，以维护共享资源的完整性。此过程称为资源同步。 12.1.2 关键段重访问 解决互斥问题的方案应当满足下面的条件： 在任意给定的时间内，只有一个任务可以进入关键段； 提供多个竞争任务公平访问共享资源的机制； 一个任务执行其关键段必须不能阻止其他任务执行一个非竞争的关键段落。 12.1.3 特殊解决方案的设计模式 本节提出一些来源于真实案例的任务之间进行同步和通信的设计例子。这些设计模式可以应用到嵌入式软件设计中。其中包括： 带流程控制的数据传输 来自多个数据通道信道的异步数据接收 多个输入通信信道 使用条件变量同步读者和写者 带流程控制的数据传输 来自多个数据通道信道的异步数据接收 多个输入通信信道 使用条件变量同步读者和写者 12.1.4 应用实例 1. 哲学家就餐问题的描述 五位哲学家围坐在一张圆形桌子上，桌子上有一盘饺子。每一位哲学家要么思考，要么等待，要么吃饺子。为了吃饺子，哲学家必须拿起两只筷子，但是每个哲学家旁边只有一只筷子，也就是筷子数量和哲学家数量相等，所以每只筷子必须由两个哲学家共享。设计一个算法解决哲学家吃饭问题。算法必须保证互斥（没有两位哲学家同时使用同一只筷子），同时还要避免死锁（每人拿着一只筷子不放，导致谁也吃不了）。 这是一个典型的避免死锁的问题，主要涉及操作系统中的互斥和同步，死锁和饥饿。我们可以通过限制同时吃饭的哲学家人数（实验中同时只允许4个哲学家同时吃饭）或者通过给所有哲学家编号，奇数号的哲学家必须首先拿左边的筷子，偶数号的哲学家则反之，这样可避免死锁。这里我们采用了第一种方法。 2. Linux信号量接口 12.2 死锁及其处理 死锁是系统中执行的多个并发线程被永久阻塞，因为资源的需求完全不能满足。 一个典型的实时系统具有多种类型的资源和竞争这些资源的多个并发执行线程。每个执行线程可以在整个生存期内获得多个各种类型的资源。死锁的潜在性存在于系统之中，基本RTOS允许多个执行线程共享资源。当下面4个条件出现时会发生死锁： 互相排斥——同一时间只能有一个任务访问资源，即排他性访问模式。 非抢先——一个不可抢占资源不能强制地从持有它的任务中移走。仅当它的持有者自愿撤回对资源声明时，资源变为可用。 保持和等待——任务保持已经获得的资源，同时等待其他资源可使用。 循环圈等待——两个或多个任务之间存在循环圈链。其中，每个任务具有链中后面的一个或多个任务请求的资源。 12.2.1 死锁检测 12.2.2 死锁恢复 在检测出死锁以后，下一步是恢复并找到打破死锁的方法。这就是所谓的死锁恢复。 12.2.3死锁避免和死锁预防 死锁预防集中在将系统结构化，以保证死锁的4个条件（即互相排斥、不可抢占、保持与等待、循环圈等待）中的一个或多个不再满足。 要求如下： 消除保持与等待死锁条件。 消除不可抢占的死锁条件。 消除循环圈等待死锁条件。 12.2.4 应用实例——银行家算法 银行家算法的模型是基于一个小城镇的银行家，他向一群客户分别承诺了一定金额的贷款，而他知道不可能所有客户同时都需要最大的贷款额。在这里，我们可将客户比作进程，银行家比作操作系统。银行家算法就是对每一个客户的请求进行检查，检查如果满足它是否会引起不安全状态。假如是，那么不满足该请求；否，那么便满足。 12.3 优先权倒置 优先级倒置就是当具有最高优先级的准备就绪任务在应该运行却无法执行时所采用的一项应急措施。 12.3.1 资源共享引发的问题 在采用基于优先级的调度器中，一旦两个任务共享了资源(如存储缓冲器)，那么其中之一通常具有较高的优先级。高优先级的任务期望一旦准备就绪就能运行，但当高优先级任务就绪，而低优先级任务正在使用共享资源时，高优先级任务必须等待，直到低优先级任务完成对共享资源的操作。这时，我们称高优先级任务被挂起。如果高优先级任务必须满足临界期限，那么还必须计算所有共享资源在最坏条件下的“锁定时间”，并在设计中加以考虑。如果累积的锁定时间过长，那么资源共享机制就必须重新设计。任务需要共享资源进行通信和数据处理，但这种多线程特性并不适用于实时或嵌入式系统。 12.3.2优先级倒置技术 低优先级任务L和高优先级任务H共享了资源，在任务L占有资源之后不久，任务H就绪；但这时任务H必须等待任务L完成对共享资源的操作。在任务L完成对共享资源的操作之前，任务M也已就绪并将抢先任务L运行。在