第2章 嵌入式操作系统基本概念

休眠态是指任务驻留在内存中，还没有交给内 核管理，不被多任务内核所调度。
就绪态是指任务已经做好了运行的准备，可以运行， 但由于有更高优先级的任务正控制着CPU的使用权， 因此该任务暂时还不能运行。 运行态是指任务控制了CPU的使用权，正在运行中。 挂起态也叫做等待事件态，指任务在等待某一事件 的发生，例如等待某外设的I/O操作，等待某共享资源 的释放，等待定时脉冲的到来，或等待超时信号的到 来以结束目前的等待状态，等等。 被中断态是指发生中断时，CPU转入相应的中断服 务，原来正在运行的任务暂时放弃CPU的使用权，就 进入了被中断状态。
任何时候都只允许一个任务访问的资源称 为临界资源，用于访问临界资源的代码段 称为临界区或临界段。这部分代码不允许 多个并发任务交叉执行，否则会产生严重 后果，比如进入中断后的现场保护代码等。 为确保临界区代码的安全执行，在进入临 界区之前要关中断，而临界区代码执行完 以后要立即开中断。
任务与多任务
死锁预防的基本思想：打破产生死锁的四个必要条 件中的一个或几个。 死锁产生有四个必要的条件：① 互斥条件，系统 中某些资源只能独占使用；② 非抢占条件，系统 中某些资源仅能被它的占有者所释放，而不能被别 的任务强行抢占；③ 占有并等待条件，系统中的 某些任务已占有了分给它的资源，但仍然等待其它 资源；④ 循环等待条件，系统中由若干任务形成 的环形请求链，每个任务均占有若干种资源中的某 一种，同时还要求(链上)下一个任务所占有的资源。 必要的条件具备后，当任务推进顺序不合理时，死 锁就发生了。
后台 前台
ISR(中断服 务子程序)
ISR ISR
执行代码
前后台系统
时间相关性要求很强的关键操作一定要靠中断服 务来保证。 有的中断服务提供的信息并不能马上得到处理， 必须要一直等到后台程序运行到相应的处理任务 时才能处理，这种系统对处理信息的及时性比较 差，最坏情况取决于整个循环的执行时间。这个 指标称做任务级响应时间。 由于循环的执行时间不是常数，因此程序经过某 一特定部分的准确时间也是不能确定的。如果程 序修改了，循环的时序也会受到影响。
多任务的并发执行通常依赖于一个多任务操作 系统，多任务操作系统的核心是系统调度器， 它使用任务控制块(Task Control Block，TCB) 来管理任务调度功能。 TCB用来保存任务的当前状态、优先级、要等 待的事件或资源、任务程序代码的起始地址、 初始堆栈指针等信息。 一旦任务建立，TCB就被赋值，当任务的CPU使 用权被剥夺时，TCB用来保存该任务的状态； 当任务重新得到CPU使用权时，该任务的信息 将从它的TCB中取出，放入各个寄存器中，TCB 能确保任务从当时被中断的那一点丝毫不差地 继续执行。TCB全部驻留在内存中。
任务1 堆栈
任务2 堆栈
任务n 堆栈
任务控制块 SP
任务控制块 SP
任务控制块 SP
存储器 CPU CPU寄存器 SP 寄存器内容
实时应用程序设计的关键就是确定如何把 问题分割成多个任务，以及如何确定每个 任务的优先级和任务之间的通信。 典型地，每个任务都是一个无限的循环， 每个任务都处在休眠态、就绪态、运行态、 挂起态(等待某一事件发生)和被中断态等五 种状态之一。
线程管理的开销是很小的。大多数嵌入式系统不 具备担负面向进程操作系统的内存开销，小的微 处理器也不具备支持面向进程操作系统的硬件结 构。 基于上述原因，绝大多数嵌入式实时操作系统的 任务都采用了线程模式。 多任务是指用户可以在同一时间内运行多个应用 程序，每个应用程序就是一个任务。对于单CPU系 统来说，由于CPU不能在同一时刻运行多个程序， 因此多任务只是在宏观上看起来像是并发运行， 而在微观上各个任务还是串联执行的。
一旦发生死锁，可用资源剥夺或任务撤消 等方法解除死锁。 大多数内核提供了等待超时功能，以此化 解死锁。死锁一般发生在大型多任务系统 中，在嵌入式系统中不易出现。
不可剥夺型内核
不可剥夺型内核(Non-Preemptive Kernel) 的特点是运行的任务占有CPU的绝对使用权， 若不自我放弃，准备就绪的高优先级任务 不能抢占CPU的使用权。不可剥夺型调度法 也称做合作型多任务，各个任务彼此合作 共享一个CPU。正在运行的任务允许中断打 入，中断服务可以使任务由挂起状态变为 就绪状态，但中断服务完成以后CPU的使用 权还得还给原先被中断了的任务，直到该 任务主动释放CPU，准备就绪的高优先级任 务才能获得使CPU的使用权。
任务切换所需要的时间叫任务切换时间， 它取决于CPU有多少寄存器要进出堆栈。 任务切换过程增加了CPU的额外负荷， CPU的内部寄存器越多，额外负荷就越重。 实时内核的性能不应该以每秒钟能做多少 次任务切换来评价。
死
锁
死锁又称抱死，是指两个或者更多的任务 相互等待对方占有的资源而无限期地僵持 下去的局面。 例如：任务A正独享资源R1，任务B正在独 享资源R2，而此时任务A又要独享资源R2， 任务B也要独享资源R1，于是哪个任务都无 法继续执行了，死锁就发生了。 产生死锁的根本原因在于：系统资源不足， 任务运行推进的顺序不合理，资源分配不 恰当等。
可剥夺型内核（preemptive kernel）
临 界 区
嵌入式系统中的资源是指为任务所占用的 任何实体，它可以是硬件设备，如打印机、 键盘、显示器、I/O端口、RAM、ROM、中断 源和时钟等，也可以是软件，如变量、结 构和数组等。 共享资源是指被两个或者更多任务所使用 的资源。
临 界 区
可剥夺型内核（preemptive kernel）
系统响应时间很重要时，要使用可剥夺型内核。 最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的控 制权。 当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任 务进入了就绪态，当前任务的CPU使用权就被剥 夺了，或者说被挂起了，那个高优先级的任务立 刻得到了CPU的控制权。 使用可剥夺型内核时，应用程序不应直接使用 不可重入型函数。如果调入可重入型函数时，低 优先级的任务CPU的使用权被高优先级任务剥夺， 不可重入型函数中的数据有可能被破坏。
任务在不同的应用领域具有不同的意义， 它既可以是一个独立装载的程序，也可以 是全部程序中的一段。 在实时操作系统中，有时会用线程或者进 程来替代任务。 进程是一个完全独立的程序，有自己的地 址空间；线程一般定义为具有特定目的的 半独立程序段，是进程中的一个子程序， 所有线程共用相同进程地址空间，合并起 来构成一个完整的应用程序。
不可剥夺型内核运行示意图
(1) 低优先级任务正在运行时，有一个异步事件发 生，中断打入。 (2) 如果此时中断是开放的，则CPU进入中断服务 子程序。 (3) 假设中断服务子程序使一个更高优先级的任务 进入就绪态。 (4) 中断服务完成后，应用程序返回到原来被中断 的任务。 (5) 继续执行被中断的任务，该任务完成后，调用 内核服务函数释放CPU控制权。 (6) 准备就绪的高优先级任务获得CPU的使用权。
单CPU上的多进程示意 活动记录（进程 状态记录）包含了 重新激活进程的数 据；
进程激活时，将进
进程1的代码、数据 PC 寄存器 CPU 进程2的代码、数据 进程3的代码、数据 进程1的活动记录 进程2的活动记录 进程3的活动记录 内存
Hale Waihona Puke 程的状态从活动记 录复制到CPU中；
不同的进程都有各
自的活动记录，记 录进程停止时CPU 的内部状态。
不可剥夺型内核（non-preemptive kernel） 不可剥夺型内核要求每个任务主动放弃 CPU的使用权。也称作合作型多任务，各 个任务彼此合作共享一个CPU。 中断服务可以使一个高优先级的任务由 挂起状态变为就绪状态。但中断服务以 后，CPU控制权还是回到原来被中断的任 务，直到该任务主动放弃CPU的使用权时， 高优先级的任务才能获得CPU的使用权
线程
嵌入式系统中，较轻量级的进程称为“线程” ，是程序执行 流的最小单元。 一个标准的线程由线程ID，当前指令指针(PC)，寄存器集合 和堆栈组成。 线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本 单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不 可少的资源，它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥 有的全部资源。 一个线程可以创建和撤消另一个线程，同一进程中的多个线 程之间可以并发执行。由于线程之间的相互制约，致使线程 在运行中呈现出间断性。线程也有就绪、阻塞和运行三种基 本状态。每一个程序都至少有一个线程，那就是程序本身。 线程是程序中一个单一的顺序控制流程。在单个程序中同时 运行多个线程完成不同的工作，称为多线程。
不可剥夺型内核（non-preemptive kernel）
不可剥夺型内核的一个特点是几乎不需要使 用信号量保护共享数据。运行着的任务占有 CPU，而不必担心被别的任务抢占。 不可剥夺型内核的最大缺陷在于其响应高优 先级的任务慢，任务已经进入就绪态，但还 不能运行，也许要等很长时间，直到当前运 行着的任务释放CPU。内核的任务级响应时 间是不确定的，不知道什么时候最高优先级 的任务才能拿到CPU的控制权，完全取决于 应用程序什么时候释放CPU。
第2章 嵌入式操作系统中 的基本概念
主要内容
• 前后台系统
•可剥夺型内核
•可重入性 •优先级反转 •事件 •互斥
• 调度
• 临界区
• 进程与线程
• 任务与多任务
•同步
•通信 •对存储器的要求
• 任务切换
• 死锁 • 不可剥夺型内核
前后台系统
前后台系统一般由前台 (Foreground)和后台 (Background)两部分程序 组成。 后台是一个无限循环的应 用程序，循环中调用相应 的任务函数完成相应的操 作，各个任务依次运行， 没有调度，运行的次序不 能改变。 前台是中断服务程序，处 理异步事件。 后台一般也叫任务级，前 台也叫中断级。
前后台系统
前后台系统也称为超循环系统。一般不复 杂且实时性要求不高的小系统很适合采用 前后台系统. 例如微波炉、电话机、玩具等。 在另外一些基于省电的应用中，由于平时 微处理器处在停机状态，所有的事都靠中 断服务来完成，因此也常常采用前后台系 统模式。