嵌入式系统基础教程 第18讲 第9章嵌入式操作系统概论.ppt

2008年6月24日 南京大学计算机系 《嵌入式系统原理与开发》 第18讲 南京大学计算机系 俞建新主讲 第9章 嵌入式操作系统概论 本章主要介绍以下内容： 实时系统 嵌入式操作系统的特点与分类 RTOS常用调度算法 启动代码Bootloader 嵌入式操作系统uCOS-II 9.1 实时系统 什么是实时系统 一般而言具有实时性能的控制系统是实时系统。 实时表示一个非常短的时间间隔“time gap”（也可以认为表示时间框架“time frame”或者时间窗口“time window”），具有“立即”之含义。 当计算机进行实时处理时，要求在接收到数据的同时执行操作并输出计算结果，不能超出计算机系统所能容忍的时限。 实时系统的定义 IEEE（美国电气电子工程师协会）给出的实时系统定义是“那些正确性不仅取决于计算的逻辑结果，也取决于产生结果所花费的时间的系统”。这就是说，实时系统运算能力具有及时与正确的双重特征。 本教程给出的实时系统（Real-Time System）定义是：对外来事件能在限定的响应时间内做出预定质量处理的计算机系统。 实时系统的主要特点 及时响应外部发生的随机任务请求 在规定的时间内完成任务 任务执行的时间限制类型和类型间关系 截止时间(finish time) 任务执行预设时间(budget time) 一个任务的截止时间通常大于任务执行预设时间 实时系统的关键因素 计算机系统的实时性能主要由操作系统和运行在操作系统上的应用软件决定，对于无操作系统的计算机则由控制程序决定。 具有实时性能的操作系统称为实时操作系统(Real-Time Operating System, RTOS) 实时系统与非实时系统的例子 实时系统典型例子 民用飞机的导航系统 汽车的防刹车抱死系统(ABS) 非实时系统典型例子 银行数据查询处理系统 视频播放系统 图像扫描 文字识别系统 提高实时性能的因素 以下几种途径常常用来提高应用系统实时性能 尽量采用硬件处理 优化微处理器的中断机制 采用简单的单线程循环程序 采用基于实时操作系统的复杂多线程操作 实时系统的属性和指标 实时系统的两个基本属性 可预测性和可靠性 实时系统的实时性能主要根据其RTOS的三个主要指标来衡量 响应时间(response time) 吞吐量(throughput) 生存时间(survival time) 响应时间 计算机从识别一个外部事件到做出响应的时间 RTOS响应时间的具体指标是： 中断延迟时间（Interrupt Latency） 任务切换时间（Task Switching Latency） 响应时间(续) 两个时间指标的计算公式是： 中断延迟时间 = TCloseINT + TDoISR + TSaveReg + TStartService TCloseINT ：关中断的最长时间 TDoISR ：开始执行中断服务子程序的第一条指令的时间 TSaveReg ： 保存CPU内部寄存器的时间 TStartService ：内核进入中断服务函数的执行时间 任务切换时间： T to Do B Task Time – T to Pause A Task Time T to Do B Task Time ： 开始执行B任务的时刻 T to Pause A Task ：暂停执行A任务的时刻 响应时间(续) 任务的切换时间就是CPU从停止一个任务的执行切换到另一个任务所需时间 VxWorks是实时嵌入式系统，内核为Wind。 下表给出了eCos操作系统内核实时响应时间参考数据 实时系统的分类 根据响应性能分 硬实时系统 系统未能在时限内就某一事件做出响应而失败，并且该失败被认为是一种全面的系统失败，则可以认为该系统是一个硬实时（hard real-time）系统。 软实时系统 非硬实时的实时系统可以归类为软实时系统。在一个软实时（soft real-time）系统中，存在时限指标，但是如果输出响应超过时限，一般不会造成严重后果。 硬实时系统和软实时系统时限效益 下面是两种实时系统的时限效益图 实时系统的分类(续) 按照响应时间的快慢分类： 强实时系统： 其响应时间在毫秒级或微秒级 普通实时系统： 其响应时间一般几秒 弱实时系统： 其响应时间一般在数十秒 9.2 嵌入式操作系统的特点和分类 操作系统可以最粗略地分为内核（kernel）、设备驱动与外壳（shell）三大部分。通俗地讲，内核是操作系统的核心模块，管理CPU的运行；而外壳是内核的外围模块，对用户发出的命令进行解释和处理。 嵌入式系统内核 广义解释 指装入到存储器的嵌入式软件中的操作系统部分，在这种情况下，除了操作系统内核之外，嵌入式软件还包括板级支持包，驱动程序和应用软件