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uCOS-II一些入门资料(内核架构解析等)
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更新于2023-05-23
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嵌入式系统——基础知识
操作系统 OS
控制和管理计算机软硬件资源,合理组织计算机工作流程,方便用户使用
计算机的系统软件。
可将 OS 看成是应用程序与硬件间的接口或虚拟机。
OS 功能:进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、网络和通信管理等。
嵌入式操作系统 EOS
运行在嵌入式硬件平台上,对整个系统及其所操作的部件装置等资源进行
统一协调、指挥和控制的系统软件。
EOS 特点:微型化、可裁剪性、实时性、高可靠性、易移植性
重点关注:高实时性、硬件相关依赖性、软件固化、应用专用性、网络功
能。
实时操作系统 TROS
能使计算机及时响应外部事件请求,并能及时控制所有实时设备与实时任
务协调运行,且能在规定时间内完成事件处理的 OS。
RTOS 基本要求:
1、逻辑功能正确:RTOS 的计算必须产生正确的结果;
2、时间正确:RTOS 的计算必须在预定的周期内完成。
RTOS 应满足条件:
1、多任务系统;
2、任务的切换时间应与系统中的任务书无关;
3、中断延时的时间可预知并尽可能短。
无论在什么情况下,OS 完成任务所需的时间应该是在程序设计时就可预知
的。
嵌入式实时操作系统 ERTOS
用于嵌入式系统,对系统资源和多个任务进行管理,且具有高可靠性、良
好可裁剪性等优良性能的,为应用程序提供运行平台和实时服务的微型系统软
件。
ERTOS 最重要的三项服务:
1、多任务管理
2、内存管理
3、外围资源管理
嵌入式微处理器(特点)
1、对实时多任务 OS 有很强的支持能力;
2、具有功能很强的存储区域保护功能;
3、处理器结构可扩展;
4、低功耗;
微处理器主要发展方向:小体积、高性能、低功耗
微处理器分类:MCU、MPU、DSP、SOC
嵌入式系统发展方向
1、嵌入式开发是一项系统工程,嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件
系统本身,还需要提供强大的硬件开发工具与软件支持包;
2、网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、宽带的提高而日益提高,
使得以往单一功能的设备功能不再单一,结构更加复杂;
3、网络互连成为必然趋势(IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth 等网络
接口);
4、精简系统内核、算法、降低功耗和软硬件成本;
5、提供友好的多媒体人机界面。
嵌入式系统特点
机软硬件于一体,可独立工作的计算机系统。
1、专用性强; 2、可裁剪性; 3、实时性与可靠性;
4、功耗低; 5、系统内核小; 6、系统精简;
7、实时多任务 OS; 8、专门开发工具与环境;
嵌入式系统的核心往往是一个只有几 KB 到几十 KB 的微内核。
通常把嵌入式系统概念的重心放在“系统”上,指能够运行 OS 的软硬件总体。
嵌入式系统构成,硬件:微处理器、外围接口和存储器;中间层:
BSP/HAL;软件:RTOS 及其上运行的应用软件。
嵌入式系统框架可分为 4 部分:处理器、存储器、I/O、软件。
嵌入式 CPU 将通用 CPU 中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部。
多数嵌入式设备的应用软件和 OS 紧密结合。
嵌入式软件体系结构
1、无 OS 情形
(1)循环轮转方式:把系统功能分成若干不同的任务,然后把它们包含在一
个无限的循环语句中,按照顺序逐一执行,之后再循环。
缺点:过于简单,无法处理异步事件,缺乏并发处理能力。
(2)前后台系统:在循环轮转的基础上,增加了中断处理功能;
foreground(前台程序:事件处理级程序):中断服务程序 ISR,处理
异步事件;
background(后台程序:任务级程序):系统管理调度程序,无限循环,
负责嵌入式系统软硬件资源的分配、管理及任务调度。
2、有 OS 情形
(1)提高了系统可靠性;
(2)提高了系统开发效率,降低了开发成本,缩短了开发周期;
(3)有利于系统的扩展和移植;
对不同的嵌入式操作系统,所包含的组件可能各不相同。一般来说,所有的
OS 都会有一个内核 Kernel,内核指 OS 中的一个组件,包含了 OS 的主要功
能,即 OS 的各种特性及其相互间的依赖关系。(任务管理、存储管理、文件
管理、设备管理、网络管理)
嵌入式操作系统分类
1、按“系统类型”分类:商用系统、专业系统、开源系统;
2、按“响应时间”分类:RTOS、非 RTOS;
3、按“软件结构”分类:单体结构、分层结构、微内核结构;
差别体现在两方面:(1)内核的设计,即内核中包含了哪些功能组件;
(2)系统中集成了哪些其他的系统软件。
(1)单体结构(eg:linux):在单体结构的 OS 中,中间件和设备驱动
程序通常集成在系统内核中,整个系统通常只有一个可执行文件,包含了所有
的功能组件。整个 OS 由一组功能模块构成,这些功能模块间可以相互调用。
优点:性能较好,系统各模块间可以相互调用,通信开销小;
缺点:OS 体积庞大,高度集成,在系统裁剪、修改和调试等方面较为困
难。
(2)分层结构:在分层结构中,一个 OS 被划分为若干个层次,各层间的
调用关系是单向的。分层结构的 OS 也只有一个大的可执行文件,包含设备驱
动程序和中间件。要求在每个层次上都要提供一组 API 接口函数。
(3)微内核结构(eg:VxWorks):在内核中,把 OS 的大部分功能都
剥离出去,只保留最核心的功能单元。内核非常小,大部分的系统功能都位于
内核之外。在微内核 OS 中,新的功能组件可以被动态地添加进来,具有易于
扩充、调试方便和易于移植等特点。核内组件与核外组件间的通信是消息传递,
而不是直接的函数调用。
嵌入式操作系统重要概念
1、先占式内核:当前最高优先级任务一旦就绪,就立即获得 CPU 控制权,
且控制权可知;
2、调度策略分析:(强实时、弱实时)
3、任务优先级分配:(静态优先级、动态优先级)
4、时间的可确定性: 强 RTOS 的函数调用与服务的执行时间具有可确定性。
系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。系统完成某个确定任务的
时间可预测。
5、任务切换时间:(取决于 CPU 有多少 Reg 要入栈)
6、中断响应时间:在先占式内核中,中断响应时间 = 关中断最长时间 +
保护 CPU 内部寄存器时间 + 进入中段服务函数的执行时间 + 开始执行 ISR 第
一条指令的时间;
7、优先级反转:(解决方法:优先级继承、优先权极限)
8、任务执行时间的抖动
9、任务划分:(原则:I/O 原则、优先级原则、大量原则、功能耦合、偶然
耦合、频率组合)
uC/OS-II 内核架构解析(1)---嵌入式 RTOS
1. 嵌入式系统基本模型
2. RTOS 设计原则
采用各种算法和策略,始终保持系统行为的可预测性。即在任何情况下,
在系统运行的任何时刻,OS 的资源配置策略都能为争夺资源(包括 CPU、内
存、网络带宽等)的多个实时任务合理地分配资源,使每个实时任务的实时性
要求都能得到满足。
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