嵌入式操作系統(tǒng)介紹[1]

1、嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計第四講 嵌入式實時操作系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-2內(nèi)容提綱1. 嵌入式操作系統(tǒng)概述2. UCOSII概述嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-31. 嵌入式操作系統(tǒng)概述概述嵌入式操作系統(tǒng)的演變嵌入式操作系統(tǒng)體系結構嵌入式操作系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-4概述近十年來，嵌入式操作系統(tǒng)得到飛速的發(fā)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(nèi)核到除了內(nèi)核外還提供其他功能模塊，如文件系統(tǒng)，TCP/IP網(wǎng)絡系統(tǒng)，窗口圖形系統(tǒng)等。隨著嵌入式系統(tǒng)應用領域的擴

2、展，目前嵌入式操作系統(tǒng)的市場在不斷細分，出現(xiàn)了針對不同領域的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品按領域的要求和標準提供特定的功能。嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-5嵌入式操作系統(tǒng)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(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-6嵌入式操作系統(tǒng)體系結構硬硬 件件系統(tǒng)服務系統(tǒng)服務用戶態(tài)用戶態(tài)核心態(tài)核心態(tài)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(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-7嵌入式操作系統(tǒng)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(tǒng)文件系統(tǒng)用戶用戶用戶模式用戶模式內(nèi)核模式內(nèi)核模式層次結構層次結構嵌入式

4、系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-8嵌入式操作系統(tǒng)體系結構硬硬 件件進程服務進程服務用戶態(tài)用戶態(tài)核心態(tài)核心態(tài)應用程序客戶應用程序客戶內(nèi)存服務內(nèi)存服務微內(nèi)核微內(nèi)核文件服務文件服務網(wǎng)絡服務網(wǎng)絡服務顯示服務顯示服務發(fā)送發(fā)送應答應答客戶客戶/服務器結構（微內(nèi)核結構）服務器結構（微內(nèi)核結構）嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-9嵌入式操作系統(tǒng)體系結構目前嵌入式操作系統(tǒng)主要采用分層和模塊化相結合的結構或微內(nèi)核結構。分層和模塊化結合的結構將操作系統(tǒng)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(nèi)核結構，則可利用其可伸縮的特點適應硬件的發(fā)展，便于擴展。 嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-10嵌入式操作系統(tǒng)的組成嵌入式操作系統(tǒng)一般由內(nèi)核、嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡系統(tǒng)、嵌入式文件系統(tǒng)等組成。內(nèi)核 內(nèi)核是嵌入式操作系統(tǒng)的基礎，也是必備的部分。它提供任務管理、內(nèi)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(nèi)核還提供特定的應用編程接口，但目前沒有統(tǒng)一的標準。 嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-11內(nèi)核任務管理內(nèi)核的核心部分，具有任務調度、創(chuàng)建任務、刪除任務、掛起任務、解掛任務、設置任務優(yōu)先級等功能。 嵌入式操作系統(tǒng)多采用基于靜態(tài)優(yōu)

6、先級的可搶占的調度，任務優(yōu)先級是在運行前通過某種策略靜態(tài)分配好的，一旦有優(yōu)先級更高的任務就緒就馬上進行調度。嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-12內(nèi)核內(nèi)存管理嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)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(tài)內(nèi)存分配和動態(tài)內(nèi)存分配（固定大小內(nèi)存分配和可變大小內(nèi)存分配）相結合的管理方式。有些內(nèi)核利用MMU機制提供內(nèi)存保護功能。通用操作系統(tǒng)廣泛使用了虛擬內(nèi)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(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-13內(nèi)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(nèi)存等功能。嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-14內(nèi)核中斷管理, 一般具有以下功能：中斷發(fā)生時，對中斷現(xiàn)場進行保存，并且轉到相應的服務程序上執(zhí)行中斷退出前，對中斷現(xiàn)場進行恢復中斷退出時的任務調度 嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-15內(nèi)核時間管理提供高精度、應用可設置的系統(tǒng)時鐘，該時鐘是嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)的系統(tǒng)時鐘的精度由操作系統(tǒng)確定，應用不可調，且一般是幾十個毫秒。嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-16內(nèi)核

8、任務擴展功能任務擴展功能就是在內(nèi)核中設置一些Hook的調用點，在這些調用點上內(nèi)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(nèi)核的有關功能。Hook調用點有任務創(chuàng)建、任務切換、任務刪除、出錯處理等。嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-17嵌入式TCP/IPTCP/IP協(xié)議已經(jīng)廣泛地應用于嵌入式系統(tǒng)中 Socket Socket 接接 口口 UDPUDP協(xié)議協(xié)議 TCPTCP協(xié)議協(xié)議 IP IP 協(xié)議協(xié)議 ICMP/IGMPICMP/IGMP協(xié)議協(xié)議 網(wǎng)絡接口層網(wǎng)絡接口層 ARP/PPPARP/PPP協(xié)議協(xié)議 以太網(wǎng)驅動以太網(wǎng)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(xié)議應用協(xié)議嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-18嵌入式文件系統(tǒng)嵌入式文件系統(tǒng)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(tǒng)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(chuàng)建、打開、讀、寫、關閉、撤消文件等服務 嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-192. UCOSII概述概述特點嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)版本2”。C/OS-II是源碼公開的著

10、名實時內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)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?？梢浦残裕╬orta

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(jīng)被移植到多種不同架構的微處理器上?？晒袒?ROMmable)：只要具備合適的軟硬件工具，就可以將C/OS-II嵌入到產(chǎn)品中成為產(chǎn)品的一部分?？杉舨?scalable)：C/OS-II使用條件編譯實現(xiàn)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(shù)據(jù)空間的占用?？蓜儕Z(preemptive)：C/OS-II是完全可剝奪型的實時內(nèi)核

12、，C/OS-II總是運行就緒條件下優(yōu)先級最高的任務。C/OS-II特點嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)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?？纱_定性：絕大多數(shù)C/OS-II的函數(shù)調用和服務的執(zhí)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(shù)調用與服務執(zhí)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(shù)，可確定每個任務到底需要多少?？臻g。系統(tǒng)服務：C/OS-II提供很多系統(tǒng)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(nèi)存的申請與釋放及時間管理函數(shù)等。中斷管理：中斷可以使正在執(zhí)行的任務暫時掛起，如果優(yōu)先級更高的任務被中斷喚醒，則高優(yōu)先級的任務在中斷嵌套全部退出后立即執(zhí)行，中斷嵌套層數(shù)可達255層。 嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-23穩(wěn)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(jīng)有數(shù)百個商業(yè)應用。C/OS-II與C/OS的內(nèi)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(lián)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(tǒng)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(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-24系統(tǒng)工作原理任務1任務2.空閑任務操作系統(tǒng)調度程序CPU資源信號量郵箱內(nèi)存管理數(shù)據(jù)隊列時間管理產(chǎn)生系統(tǒng)運作所必需的節(jié)拍調度程序對所有任務進行運行控制嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-25任務1任務2.空閑任務信號量郵箱內(nèi)存管理數(shù)據(jù)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(yōu)先級為0表示最高，空閑任務優(yōu)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(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計2022-3-26操作系統(tǒng)調度程序CPU資源l操作系統(tǒng)的；實際就是把當前任務所占用的CPU