第九节嵌入式操作系统 西北工业大学.ppt

第九节 实时操作系统内核原理（2） （1）消息队列：任务间通信 （2）死锁 （3）中断 消息队列 信号量：实现任务间的同步运行以及协调对共享资源的互斥访问 消息队列：实现任务间的数据通信 消息队列类似于缓冲区，通过它任务和ISR可以发送和接收消息，实现数据的通信和同步。 创立消息队列时，内核分配一个相关的队列控制块QCB、一个队列名、一个唯一的ID、存储缓冲区、一个队列长度、一个最大消息长度和一个或多个任务等待列表。 某些消息可能很长，超出最大消息长度。可以通过发送一个指向数据的指针，而不是数据本身。可以改进性能和内存利用率。 消息队列的存储： （1）系统池（system pool）：所有消息队列使用一个系统池，可以节约内存；具有大消息的消息队列可能会占用大部分内存，不会为其他消息队列留下足够的内存。 （2）私有缓冲区：为每个消息队列保留足够的内存，需要较大的内存，所有的消息都预留了内存。可靠性较高。 典型的消息队列的操作 （1）创立和删除 作为全局对象不被任何任务拥有。删除一个消息队列将自动地解除等待任务阻塞。 （2）发送消息 发送消息排队方式：FIFO或紧急消息采用LIFO，当消息队列满时，开始填充发送任务的等待列表，当消息队列空时，填充接收任务的等待列表。 发送消息的任务可能的状态： ★无阻塞：对ISR和任务，消息队列满，返回错误，继续ISR或任务，ISR不能阻塞。 ★带时限的阻塞：仅对任务，被阻塞任务放在消息队列的等待任务列表中，设置为FIFO或优先权排队。超时返回错误。 ★永远阻塞：仅对任务 （3）接收消息 任务阻塞：消息队列为空、接收任务以FIFO或优先级排队造成的。 任务状态：无阻塞、带时限的阻塞、永远阻塞 读消息：破坏性读（成功读出就删除）和非破坏性读。 典型的消息队列使用 （1）非互锁的单向数据通信 ★接收的任务的优先级比发送的高，则先运行阻塞等待，发送的任务发送数据到队列，则接收任务运行接收数据。 ★发送的任务的优先级比接收的高，则发送的先运行发送数据到队列到填满或不再发送而阻塞，则接收任务运行接收消息数据。 ISR （2）互锁的单向数据通信 使用一个二值信号量，初值为0，消息队列的长度为1（即邮箱），发送任务给消息队列发送数据并阻塞在二值信号量上，接收任务接收数据并将二值信号量递增一次，从而唤醒发送任务发送数据，实现可靠的通信和任务同步。 （3）互锁的双向数据通信 在全双工时需要两个分开的 消息队列。 （4）广播通信：有些RTOS还支持广播消息，使多个任务得到消息的多个拷贝，所有等待任务推出阻塞状态。 死锁： 系统中多个任务由于请求资源而被永久阻塞。 可抢占式资源：可以被占用而不会影响任务的执行状态或结果。如寄存器，内核调度时首先保存寄存器的内容，任务切换回来后再恢复。被多个任务共享。 不可抢占式资源：如共享内存，在一个任务完成读写之前，不允许另一个任务读写。 发生死锁的四个条件： （1）互相排斥：同一时间只能有一个任务访问的资源，即排他性访问。 （2）非抢占：一个不可抢占资源不能强制的从占有它的任务中移走，仅当它的持有者自愿释放资源后才变成可用。 （3）保持和等待：任务保持已经获取的资源，同时等待其他资源可用。 （4）环形等待：多个任务之间请求的资源之间存在环形链。 死锁预防： （1）消除保持和等待条件：任务请求所有必须的资源，仅当所有的资源都能得到保证时任务才开始执行。 （2）消除不可抢占条件：如果新的请求被拒绝，任务释放已经获得的资源，相当于从某一点重新开始执行。 （3）消除环形等待条件：对资源强加一个秩序，如果一个任务占有资源Ri，后续的请求必须是对Rj的请求，且ji，依次类推。 在申请资源时可以采用等待超时，返回错误。 系统的实时性与中断响应时间： 系统的响应时间：传感器响应时间＋传感器信号处理和传输时间＋操作系统的响应时间＋应用程序的运行时间＋输出信号处理和传输的时间＋执行机构的响应时间。 中断响应时间： 处理器处理时间，中断嵌套，中断禁止时间， 中断响应时间＝MAX（关中断的最长时间＋最长指令时间）＋保存CPU状态的时间＋内核的ISR进入中断服务函数的执行时间＋开始执行中断服务子程序的第一条指令的时间。 应该考虑最坏的情况时的最大值。 注意事项： ISR绝不能做任何的阻塞或悬挂调用，否可能会导致系统崩溃。 （通常ISR的优先级高于任务） 在ISR中如果不允许中断，可以关中断，时间尽量短。 ISR尽量不要调用不可重入函数，如malloc等。 可重入函数：可以被一个以上的任务调用，而不必担心数据的破坏。任何时候都可以被中断。一般只使用局部变量，即变量保存在CPU寄存器中或堆栈中，如果使用全局变量应予以保护。 int temp; void