20 嵌入式系统内核

– 可剪裁： 能根据嵌入式系统的功能的要求选择所需的协 议，对完整的TCP/IP协议簇进行剪裁，以满足 用户的需要。 – 采用“零拷贝”（Zero Copy）技术，提高实 时性 所谓“零拷贝”技术，是指TCP/IP协议栈没 有用于各层间数据传递的缓冲区，协议栈各层 间传递的都是数据指针，只有当数据最终要被 驱动程序发送出去或是被应用程序取走时，才 进行真正的数据搬移。
R14_irq(LR)
R14_irq PC+4
– 中断发生时，对中断现场进行保存，并且转到相应的 服务程序上执行 – 中断退出前，对中断现场进行恢复 – 中断栈切换
– 中断退出时的任务调度
嵌入式内核
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时间管理
– 提供高精度、应用可设置的系统时钟，该时钟 是嵌入式系统的时基，可设置为十毫秒以下。
– 提供日历时间，负责与时间相关的任务管理工 作如任务对资源有限等待的计时、时间片轮转 调度等，提供软定时器的管理功能等。 – 通用操作系统的系统时钟的精度由操作系统确 定，应用不可调，且一般是几十个毫秒。
C/OS的性能特点
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占先式（Preemptive） 多任务 C/OS-II可以管理64个任务，然而，目前这一版本保留8个给 系统。应用程序最多可以有56个任务。 可确定性 全部 C/OS-II的函数调用与服务的执行时间具有可确定性。 任务栈 每个任务有自己单独的栈， C/OS-II允许每个任务有不同的 栈空间，以便压低应用程序对RAM的需求。 系统服务 C/OS-II提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、 块大小固定的内存的申请与释放、时间相关函数等。 中断管理 中断可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任务 被该中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执 行，中断嵌套层数可达255层。 稳定性与可靠性
嵌入式操作系统
嵌入式系统内核
装甲兵工程学院
控制工程系火控室
回顾:
嵌入式系统的硬件（硬件层） 嵌入式系统 的主要组成 嵌入式系统的软件（软件层）
嵌入式系统的组成
功能层 软件层 应用程序 图形用户 文件系统 网络系统 接口 实时操作系统( RTOS) BSP/HAL 硬件抽象层/板极支持包
中间层
嵌入式实时操作系统µC/OS-II内核简介
• 全世界有数百种产品在应用:
– – – – – – – – – – – – – Avionics Medical Cell phones Routers and switches High-end audio equipment Washing machines and dryers UPS (Uninterruptible Power Supplies) Industrial controllers GPS Navigation Systems Microwave Radios Instrumentation Point-of-sale terminals 更多
中 断 管 理
时 间 管 理
任 务 扩 展
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嵌入式内核
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任务管理
–内核的核心部分，具有任务调度、创 建任务、删除任务、挂起任务、解挂 任务、设置任务优先级等功能。
嵌入式内核
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任务管理
–通用计算机的操作系统，采用可变优先级调度 算法。
–嵌入式操作系统多采用基于静态优先级的可抢 占的调度，任务优先级是在运行前通过某种策 略静态分配好的，一旦有优先级更高的任务就 绪就马上进行调度。
嵌入式TCP/IP
– 采用静态分配技术
在网络初始化时就静态分配通信缓冲区， 设置了专门的发送和接收缓冲（其大小一般小 于或等于物理网络上的MTU值），从而确保了 每次发送或接收时处理的数据不会超过MTU值， 也就避免了数据处理任务的阻塞等待。
嵌入式文件系统
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通用操作系统的文件系统通常具有以下功能：
µC/OS-II不是自由软件，用 于商业目的时须取得许可证！
作业：
嵌入式系统的内核结构
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公开源代码 可移植性（Portable） 绝大部分 C/OS-II的源码是用移植性很强的ANSI C写的。和 微处理器硬件相关的那部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部 分已经压到最低限度，使得 C/OS-II便于移植到其他微处理器 上。 C/OS-II可以在绝大多数8位、16位、32位以至64位微处 理器、微控制器 、数字信号处理器（DSP）上运行。 可固化（ROMable） C/OS-II是为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要读者 有固化手段（C编译、连接、下载和固化）， C/OS-II可以嵌 入到读者的产品中成为产品的一部分。 可裁剪（Scalable） 可以只使用 C/OS-II中应用程序需要的那些系统服务。也就是 说某产品可以只使用很少几个 C/OS-II调用，而另一个产品则 使用了几乎所有 C/OS-II的功能，这样可以减少产品中的 C/OS-II所需的存储器空间（RAM和ROM）。这种可剪裁性是靠条 件编译实现的。
– 提供用户对文件操作的命令 – 提供用户共享文件的机制
– 管理文件的存储介质
– 提供对文件的加密和解密功能
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嵌入式文件系统
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嵌入式文件系统相比之下较为简单 它以系统调用和命令方式提供对文 件的各种操作，主要有： 基于文件的各种操作
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– 设置和修改对文件和目录的存取 权限
– 提供建立、修改、改变、删除目 录等服务 – 提供创建、打开、读、写、关闭、 撤消文件等服务
– 一般包括信号量、消息、事件、管道、异步信 号和共享内存等功能。
– 与通用操作系统不同的是，嵌入式操作系统需 要解决在这些机制的使用中出现的优先级反转 问题。
嵌入式内核
PC
用户模式下的程序 中断服务程序 a a b ... x return
PC+4
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中断管理
一般具有以下功能：
– 安装中断服务程序
嵌入式实时操作系统µC/OS-II内核简介
• µ C/OS-II全部以源代码的方式提供，大约 有5500行。 • µ C/OS-II可以很容易地移植到不同架构的 嵌入式微处理器上。
嵌入式实时操作系统µC/OS-II内核简介
• µ C/OS-II的特点：
– 源代码 – 可移植 – 可固化 – 可裁减 – 可抢占性 – 支持多任务 – 可确定性 – 任务栈 – 系统服务 – 中断管理 – 稳定性和可靠理
–通用操作系统广泛使用了虚拟内存的技术。 –嵌入式操作系统的内存管理比较简单。采用静 态内存分配和动态内存分配（固定大小内存分 配和可变大小内存分配）相结合的管理方式。
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嵌入式内核
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通信、同步和互斥机制
– 这些机制提供任务间、任务与中断处理程序间 的通信、同步和互斥功能。
嵌入式 TCP/IP网络系统 提供符合 TCP/IP 协议标 准的协议栈，提供 Socket编程接口。
应用程序/应用协议 Socket 接 口 TCP协议 ICMP/IGMP协议
UDP协议
IP 协议
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网络接口层 ARP/PPP协议 以太网驱动
异步串口驱动
物 理 设 备
嵌入式TCP/IP
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嵌入式TCP/IP网络系统具有以下的特点：
Fat表识别程序
大规模存储程序
设备驱动（USB）
嵌入式实时操作系统µC/OS-II内核简介
• µ C/OS-II是一个抢占式实时多任务内核。
• 它是用ANSI的C语言编写的，包含一小部分汇编 语言代码，使之可以提供给不同架构的微处理器 使用。
• 至今，从8位到64位，µ C/OS-II已经在40多种不同 架构的微处理器上使用。
D/A
硬件层
A/D
I/O
嵌入式 微处理器 人机交互接口
通用接口 ROM
SDRAM
嵌入式操作系统的组成
嵌入式操作系统
嵌入式内核
嵌入式TCP/IP网络系统 嵌入式文件系统
…………
嵌入式内核
–内核是嵌入式操作系统的基础，也是必备的部分。 –内核还提供特定的应用编程接口。
任 务 管 理
内 存 管 理
通 信 同 步 与 互 斥 机 制
嵌入式内核
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任务扩展功能
–任务扩展功能就是在内核中设置一些Hook的调 用点，在这些调用点上内核调用应用设置的、 应用自己编写的扩展处理程序，以扩展内核的 有关功能。 –Hook调用点有任务创建、任务切换、任务删除、 出错处理等。
嵌入式TCP/IP
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TCP/IP协议已经广泛地 应用于嵌入式系统中
嵌入式实时操作系统µC/OS-II内核简介
• 源代码文件介绍
– 对函数和环境的定义： PC.C 任务 管理 – 与处理器类型无关部分： 时间 内存 OS_CORE.C OS_FLAG.C OS_MBOX.C 管理 管理 OS_MEM.C OS_MUTEX.C OS_Q.C OS_SEM.C OS_TASK.C OS_TIME.C µCOS-II.C µCOS-II.H 信号量管理 – 与处理器类型相关部分： OS_CPU_A.S OS_CPU_C.C OS_CPU.H – 给整个内核库提供总体的include文件：INCLUDES.H – 配置文件，定义使用µC/OS-II中的哪些功能： OS_CFG.H