第04章 嵌入式实时内核基础要点
嵌入式实时操作系统
嵌入式实时操作系统第一点：嵌入式实时操作系统的定义与特点嵌入式实时操作系统（Embedded Real-Time Operating System，简称ERTOS）是一种专门为嵌入式系统设计的操作系统，它具有实时性、可靠性和高效性等特点。
嵌入式实时操作系统主要用于控制和管理嵌入式系统中的硬件资源和软件任务，以实现对系统的实时控制和高效运行。
嵌入式实时操作系统的定义可以从以下几个方面来理解：1.嵌入式系统：嵌入式系统是指将计算机技术应用于特定领域，以完成特定任务的计算机系统。
它通常包括嵌入式处理器、存储器、输入输出接口等硬件部分，以及运行在处理器上的软件部分。
嵌入式系统具有体积小、功耗低、成本低、性能高等特点。
2.实时性：实时性是嵌入式实时操作系统最核心的特点之一。
它要求系统在规定的时间内完成任务，并对任务的响应时间有严格的要求。
实时性可以分为硬实时和软实时。
硬实时要求任务在规定的时间范围内完成，不允许有任何的延迟；软实时则允许任务在规定的时间范围内完成，但延迟尽量最小。
3.可靠性：嵌入式实时操作系统需要具备很高的可靠性，因为它们通常应用于对安全性和稳定性要求较高的领域，如航空航天、汽车电子、工业控制等。
可靠性主要包括系统的正确性、稳定性和抗干扰能力等方面。
4.高效性：嵌入式实时操作系统需要高效地利用硬件资源，以实现对系统的实时控制。
高效性主要包括系统资源的利用率、任务的调度算法、内存管理等方面。
第二点：嵌入式实时操作系统的应用领域与发展趋势嵌入式实时操作系统在众多领域都有广泛的应用，下面列举几个典型的应用领域：1.工业控制：嵌入式实时操作系统在工业控制领域具有广泛的应用，如PLC（可编程逻辑控制器）、机器人控制器、工业现场仪表等。
实时操作系统可以实现对工业过程的实时监控和控制，提高生产效率和产品质量。
2.汽车电子：汽车电子领域是嵌入式实时操作系统的另一个重要应用领域。
现代汽车中的电子控制系统，如发动机控制、底盘控制、车身控制等，都需要实时操作系统来保证系统的实时性和稳定性。
嵌入式系统相关知识点总结
嵌入式系统相关知识点总结嵌入式系统（Embedded Systems）是一种专门设计和用途的计算机系统，用于控制设备和机器的各个方面，通常被嵌入到所控制的设备中。
嵌入式系统是一个开放的领域，涵盖了面向硬件和软件的多个方面。
在本文中，我将总结一些与嵌入式系统相关的重要知识点。
一、嵌入式系统的基础知识：1.什么是嵌入式系统：嵌入式系统是一种专门设计和用途的计算机系统，被嵌入到所控制的设备中。
2.嵌入式系统的特点：实时性、可靠性、功耗低、体积小、成本低、资源有限等。
3.嵌入式系统的分类：实时嵌入式系统、网络嵌入式系统、移动嵌入式系统、无线嵌入式系统等。
4.嵌入式系统的组成：硬件平台（处理器、内存、输入输出接口等）和软件平台（操作系统、驱动程序等）。
二、嵌入式系统的硬件知识：1. 存储器：RAM（随机访问存储器）、ROM（只读存储器）、Flash memory（闪存）等。
2.处理器：常见的处理器包括ARM、MIPS、x86等，需要根据应用需求选择适合的处理器。
3.输入输出接口：串口、并口、USB、以太网等用于与外设通信。
4.性能优化：资源有限的嵌入式系统需要优化性能和资源利用，例如使用中断处理、多任务处理等技术。
三、嵌入式系统的软件知识：1. 操作系统（OS）：嵌入式系统通常使用实时操作系统（RTOS），如FreeRTOS、Linux、VxWorks等，用于管理任务、内存、进程和资源。
2.设备驱动程序：用于控制和管理硬件设备，例如串口驱动、触摸屏驱动等。
3.编程语言：C/C++是嵌入式系统开发中常用的编程语言，还有汇编语言适用于对性能要求较高的关键模块。
4.软件开发工具：编译器、调试器、仿真器等用于嵌入式软件的开发和调试。
四、嵌入式系统的开发流程：1.系统需求分析：明确系统的功能、性能、成本等需求，并进行需求分析和规划。
2.硬件设计与开发：选择合适的硬件平台，设计硬件电路，并进行原型制作和测试。
3.软件设计与开发：进行软件系统的设计和开发，包括操作系统选择、驱动程序编写、应用程序开发等。
嵌入式C语言内存操作编程重点知识点
嵌入式C语言内存操作编程重点知识点在嵌入式系统的编程中,经常要求在特定的内存单元读写内容,汇编有对应的MOV指令,而除C/C++以外的其它编程语言根本没有直接访问肯定地址的力量.在嵌入式系统的实际调试中,多借助C 语言指针所具有的对肯定地址单元内容的读写力量.以指针直接操作内存多发生在如下几种状况:(1) 某I/O 芯片被定位在CPU 的存储空间而非I/O 空间,而且存放器对应于某特定地址;(2) 两个CPU 之间以双端口RAM 通信,CPU 需要在双端口RAM 的特定单元(称为mail box)书写内容以在对方CPU 产生中断;(3) 读取在ROM 或FLASH 的特定单元所烧录的汉字和英文字模.记住:CPU 以字节为单位编址,而C 语言指针以指向的数据类型长度作自增和自减.理解这一点对于以指针直接操作内存是相当重要的”.函数指针首先要理解以下三个问题:(1)C 语言中函数名直接对应于函数生成的指令代码在内存中的地址,因此函数名可以直接赋给指向函数的指针;(2)调用函数实际上等同于“调转指令+参数传递处理+回归位置入栈“,本质上最核心的操作是将函数生成的目标代码的首地址赋给CPU 的PC 存放器;(3)由于函数调用的本质是跳转到某一个地址单元的code 去执行,所以可以“调用“一个根本就不存在的函数实体数组vs.动态申请在嵌入式系统中动态内存申请存在比一般系统编程时更严格的要求,这是由于嵌入式系统的内存空间往往是非常有限的,不经意的内存泄露会很快导致系统的崩溃.所以肯定要保证你的malloc 和free 成对消失给出原则:(1)尽可能的选用数组,数组不能越界访问(真理越过一步就是谬误,数组越过界限就荣耀地成全了一个混乱的嵌入式系统);(2)假如使用动态申请,则申请后肯定要推断是否申请胜利了,并且malloc 和free应成对消失!关键字constconst 意味着“只读“.区分如下代码的功能特别重要,也是老生长叹,假如你还不知道它们的区分,而且已经在程序界摸爬滚打多年,那只能说这是一个悲伤:const int a;int const a;const int *a;int * const a;int const * a const;(1)关键字const 的作用是为给读你代码的人传达特别有用的信息.例如,在函数的形参前添加const 关键字意味着这个参数在函数体内不会被修改,属于“输入参数“.在有多个形参的时候,函数的调用者可以凭借参数前是否有const 关键字,清楚的区分哪些是输入参数,哪些是可能的输出参数.(2)合理地使用关键字const 可以使编译器很自然地爱护那些不盼望被转变的参数,防止其被无意的代码修改,这样可以削减bug 的消失.关键字volatileC 语言编译器会对用户书写的代码进展优化,譬如如下代码:int a,b,c;a = inWord(0x100); /*读取I/O 空间0x100 端口的内容存入a 变量*/b = a;a = inWord (0x100); /*再次读取I/O 空间0x100 端口的内容存入a 变量*/c = a;很可能被编译器优化为:int a,b,c;a = inWord(0x100); /*读取I/O 空间0x100 端口的内容存入a 变量*/b = a;c = a;但是这样的优化结果可能导致错误,假如I/O 空间0x100 端口的内容在执行第一次读操作后被其它程序写入新值,则其实第2 次读操作读出的内容与第一次不同,b 和c的值应当不同.在变量a 的定义前加上volatile 关键字可以防止编译器的类似优化,正确的做法是:volatile int a;volatile 变量可能用于如下几种状况:(1) 并行设备的硬件存放器(如:状态存放器,例中的代码属于此类);(2) 一个中断效劳子程序中会访问到的非自动变量(也就是全局变量);(3) 多线程应用中被几个任务共享的变量.。
嵌入式系统第4章 嵌入式Linux操作系统基础
进程间通信相关的信息 进程链接信息 文件系统信息
4.4 arm-linux进程管理和调度
Linux进程的创建 Linux进程的执行 Linux进程的撤销
4.4 arm-linux进程管理和调度
4.4.3 Linux的进程调度
进程调度时机 5大时机
进程 调度
进程调度依据
快速中断请求(FIQ) 0X0000001C
当处理器的外部快速中断请求引脚有效，而 3 且CPSR寄存器的F控制位被清除时，处理器
产生快速中断请求异常中断。
4.7嵌入式linux文件系统
4.7.1 Linux文件系统简介
linux
常见文件系统：
JFS、ReiserFS、 ext、ext2、ext3、 ISO9660、XFS、 Minx、MSDOS、 UMSDOS、VFAT、 NTFS、HPFS、
数据访问中止 (Data abort)
0X00000010
如果数据访问指令的目标地址不存在，或者 2 该地址不允许当前指令访问，处理器产生数
据访问中止异常中断。
外部中断请求(IRQ) 0X00000018
当处理器的外部中断请求引脚有效，而且 CPSR寄存器的I控制位被清除时，处理器产 4 生外部中断请求异常中断。系统中各个外设 通常通过该异常中断请求处理器服务。
软件中断
(softwar interrupt 0X00000008 SWI)
6
这是一个由用户定义的中断指令。可用 于用户模式下的程序调用特权操作指令。
4.6 arm-linux的中断管理
异常类型
向量地址 优先级
异常中断含义
指令预取指中止 (Prefetch abort)
第四章 嵌入式实时操作系统内核
无论操作系统的简单或复杂，作为操作系统的内核通常都包括下面的部件： (1) 调度器(scheduler) 调度器是任何操作系统内核的心脏。尤其是对于多任务实时操作系统，调度器提供决定何时必须执 行哪个任务，即在单处理器环境下，准时地完成多个必须同时运行的任务。 多任务是操作系统在设定的死线内处理多个活动的能力，即多个执行线程在并发地运行。然而，在 单处理器环境下，内核是依据预先设定的调度算法，按照任务的优先级执行的。 (2) 上下文切换 每个任务具有自己的上下文，而上下文是任务每次被调度运行时所要求的CPU寄存器的状态。每次 新任务被创立时。内核也创立和维护一个相关的任务控制块TCB(Task Control Block)。TCB是内核用来 维护任务特定信息的系统数据结构。TCB包含内核需要知道的关于特定任务的每个事情。当任务运行时，
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第四章 嵌入式实时操作系统内核
TCB维护任务的动态上下文，当调度器从一个任务切换到另一个任务时，就会发生上下文切换。被禁止 任务的TCB冻结了上下文。以便保存作为该任务解冻时再次使用。
调度器从一个任务切换到另一个任务所需要的时间称为上下文切换时间。上下文切换时间对于实时 操作系统是一个非常重要的技术指标。如果系统的应用设计包含频繁的上下文切换，则应用将遭受不必 要的性能超载，因此在做系统设计时，应该尽可能减少不必要的任务切换。
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第四章 嵌入式实时操作系统内核
以快速、合理地响应外部事件，并完成后续地处理过程。内核对中断提供地管理功能使得这种协同机制 能够实现。一般来讲，内核的中断管理有如下功能：
¾ 安装指定中断的服务程序，使得一个硬件中断和一段例程相关连。当中断发生时，系统作中断 现场的保护和恢复，并且转到相应的ISR中执行。ISR负责处理中断，清除中断标记以使得中断能够再次 发生，以及进行设备操作。ISR运行时可以使用当前被中断任务的堆栈，也可以使用专门的中断堆栈。 实时内核一般提供专门的堆栈来处理中断，防止可能的任务堆栈溢出。
嵌入式系统开发的基础知识与技术要点
嵌入式系统开发的基础知识与技术要点嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它被嵌入到各种智能设备中，例如手机、家电、汽车等。
与传统的个人电脑相比，嵌入式系统通常具有更小的体积、更低的功耗和更高的可靠性要求。
为了满足这些特殊要求，嵌入式系统开发需要掌握一些基础知识与技术要点。
本文将介绍嵌入式系统开发的基础知识与技术要点，包括硬件设计、嵌入式操作系统、驱动程序开发、实时性要求和安全性要求。
硬件设计是嵌入式系统开发的基础。
在硬件设计中，需要选择适合的处理器、内存、存储器和各种外设，以满足系统的性能和功耗要求。
同时，还需要进行电路设计和布线，确保信号的稳定传输和电源的稳定供应。
在硬件设计过程中，还需要考虑EMC（电磁兼容）和ESD（静电放电）等电磁兼容性问题，以确保系统的稳定工作。
嵌入式操作系统是嵌入式系统开发的核心。
嵌入式系统通常需要在有限的资源条件下运行，因此需要使用轻量级的操作系统，如嵌入式Linux、RTOS（实时操作系统）等。
在选择操作系统时，需要考虑系统的实时性要求、资源占用情况和开发工具的支持情况。
同时，还需要了解操作系统的特性和调度算法，以确保系统的实时性和稳定性。
驱动程序开发是嵌入式系统开发中不可或缺的部分。
驱动程序负责控制硬件设备和外设，使其与操作系统和应用程序进行交互。
在驱动程序开发中，需要了解硬件的规格和接口，使用适当的编程语言和开发工具进行开发。
同时，还需要了解硬件设备的寄存器和通信协议，以确保驱动程序的正确性和稳定性。
实时性要求是嵌入式系统开发的重要考虑因素。
嵌入式系统通常需要在严格的时间要求下进行任务调度和响应。
为了满足实时性要求，需要使用实时操作系统或实时调度算法，并根据任务的优先级和紧急程度进行任务调度。
同时，还需要进行性能测试和优化，以确保系统能够及时响应外部事件和用户操作。
安全性要求是嵌入式系统开发中的另一个重要考虑因素。
嵌入式系统通常处理敏感的数据和信息，因此需要具备一定的安全性保护措施。
实时操作系统考试复习内容
第一章嵌入式系统导论1、RTOS指的是什么？嵌入式系统的定义是什么？P2RTOS指的是嵌入式实时操作系统（Real Time Operating System）。
嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
2、按嵌入式软件结构分类，嵌入式系统可分为哪几类？P9循环轮询系统、前后台系统、单处理器多任务系统、多处理器多任务系统第三章嵌入式软件系统1、什么是“零拷贝”（零复制）技术？P71-72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。
2、（并发，多任务多操作系统）目前操作系统的体系结构有哪些？单块结构、层次结构、客户/服务器（微内核）结构。
第四章嵌入式实时内核基础1、中断响应时间、中断延迟时间的概念是什么？什么是响应性？P126、P124、P94中断响应时间是指从中断发生到开始执行用户中断服务程序的第一条指令之间的时间。
中断延迟时间是指从中断发生到系统获知中断，并且开始执行中断服务程序所需要的最大滞后时间。
响应性是指识别外部事件，并服务该事件。
中断延迟时间=最大关中断时间+中断嵌套时间+硬件开始处理中断到开始执行ISR第一条指令之间的时间最大关中断时间=MAX[MAX(内核关中断时间)，MAX（应用关中断时间）]中断响应时间=中断延迟+保存CPU内部寄存器的时间中断响应时间（抢占式调度）=中断延迟+保存CPU内部寄存器的时间+内核中断服务程序入口函数的执行时间2、可抢占内核与抢占式调度的概念分别是什么？P97可抢占内核：即使正在执行的是内核服务函数，也能响应中断，并且中断服务程序退出时能进行任务重新调度。
如果有优先级更高的任务就绪，就立即让高优先级任务运行，不要求回到被中断的任务，将未完成的系统调用执行完。
嵌入式实时操作系统复习纲要
嵌⼊式实时操作系统复习纲要嵌⼊式实时操作系统复习纲要第⼀章●嵌⼊式系统：嵌⼊到对象体系中，为实现对象体系智能化控制的计算机系统，叫做嵌⼊式计算机系统，简称嵌⼊式系统。
●嵌⼊式操作系统：嵌⼊到特定设备的专⽤的可裁剪的计算机系统●嵌⼊式操作系统分为实时操作系统和分时操作系统。
●嵌⼊式系统的三个要素：嵌⼊性、专⽤性和计算机系统●嵌⼊式系统的特点：专⽤性强、可裁剪性好、实时性与可靠性好、功耗低●内核类型：可剥夺型和不可剥夺型●⼏种常见的嵌⼊式操作系统：VxWorks、pSOS、Windows CE、QNX OS；⼿持设备的有：Plam、WinCE、EPOC；互联⽹⽅⾯的有：uCLinux、uC/OS-II.（记住其中五种）第⼆章●任务：任务是⼀种程序实体，实质上时⼀个线程。
●uC/OS-II的任务组成：任务程序代码（任务的执⾏部分）、任务推栈（保存任务⼯作环境）、任务控制块（保存任务属性）●uC/OS-II的任务有两种：⽤户任务和系统任务；其中系统任务有分为：空闲任务和统计任务，空闲任务是⽤户应⽤程序必须使⽤的，统计任务是应⽤程序可以根据实际需要来选择使⽤的。
●任务的5种状态：睡眠状态、就绪状态、运⾏状态、等待状态、中断服务状态。
要重点看⼀下P17页的图2-2。
在这些状态中睡眠状态只能直接进⼊就绪状态，就绪状态和中断服务状态可以直接进⼊运⾏状态，就绪状态可以直接进⼊睡眠状态和运⾏状态，中断服务状态只能直接进⼊运⾏状态，等待状态可以直接进⼊除了中断服务状态外的其他三种状态。
运⾏状态可以进⼊其他四种状态。
等待状态有：延时等待、请求等待和任务挂起等。
●临界段：为了有效地对中断进⾏控制，在任务的代码⾥可使⽤uC/OS-II定义的宏OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()来控制任务何时响应中断，何时屏蔽中断。
在运⾏这两个宏之间的代码时是不会响应中断的，这种受保护的代码段叫做临界段。
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支持多任务；
支持抢占多任务；
支持任务优先级调度；
任务优先级可继承；
支持可预测的任务同步机制；
实时内核的运行时间是可预测的；
系统调用的确定性。
1.调度算法 无论对单处理器还是多处理器，调度算法对响应时间都有很
大影响。实时系统的目标：所有的硬实时任务要在它们的最 后期限之前完成。尽可能多的将软实时任务在它们的最后期 限到达前完成。因此，实时内核中，为了能够在突发状态时 作出反应，都采用抢占优先级任务调度。
第四章
嵌入式实时内核基础
主要内容
• 嵌入式实时内核的关键设计问题 • 嵌入式实时内核的主要功能 • 嵌入式实时内核的主要指标
第一节
嵌入式实时内核的关键设计问题
中断基本概念介绍 实时性 可移植性 可剪裁、可配置性 可靠性 应用编程接口
中断概念介绍
中断概念
实时系统处理外部事件，如按键一旦按下，此事件就会通过中断连线通知系统。 于是CPU当前运行的程序就被这个外部事件打断，来执行此外部事件的中断处理 程序ISR，即读出按键数据，分析是哪个按键按下。中断处理过程分为检测、响应 和处理三个阶段。CPU执行每个指令结束时，进入中断周期，检查是否有中断到 来，如无，就取下条指令执行；如有，则CPU进入中断响应。中断响应是CPU内 部硬件完成的。中断响应后，就开始执行相应的ISR。
4. 数据结构 为保证各个功能执行时间的确定性，引入优先级位图算法和 双向链表及差分时间；5. 存储管理机制；6.资源有限时间等待（自学）。
7.优先级反转问题
抢占式内核可降低任务重新调度的延迟时间，但是会产 生优先级反转问题。低优先级任务占有临界资源，但没有 CPU处理权，高优先级任务有被处理权，但须等待临界资源。 凡是有资源竞争的场合，都会有优先级反转问题。因此需用 内核间接地通过互斥信号量来解决。
执行ISR所需时间；
中断嵌套的影响。
（3）响应时间 确定性和响应性在一起构成了系统对外部事件的响应时间。
对于多任务实时应用来讲，分为中断响应时间和任务响应时间。 中断响应时间是指从中断发生到开始执行ISR的第一条指令的时 间；任务响应时间是指从任务对应的中断产生到该任务真正开 始执行这一过程所花费的时间。任务响应时间又称任务调度延 迟。实时内核的几个重要原则是：
保护现场就是保存当前CPU寄存器内容。恢复就是将保存的现场恢 复到寄存器中。这些是由中断接管程序完成的。以便确保返回被中断的 程序时有属于自己的寄存器内容。
用户中断服务程序（ISR）
当中断线上出现中断信号，对应中断向量中注册的ISR就会被调 用。这个过程是由CPU负责，不需要OS内核调度。但需要内核接 管服务程序辅助处理。如果允许嵌套，当前的ISR还可能被更高优 先权的ISR中断（抢占）。
ISR应尽量短小，以保障系统能及时处理其他中断和任务。ISR通 常只处理一些必要的操作，其他的操作则交给与其协作的任务DSR （Deferred Service Routine）来完成。ISR只是进行与外围相关的设 备进行数据传送，以及发出确认信息，然后唤醒与之相应的任务， 使其准备就绪，将这个事件进一步处理。例如，网卡ISR只传送原 始的包数据，而对包内数据的分析与解释则由DSR来完成。
（1）非嵌套中断处理
（2）嵌套中断处理
中断管理
多任务系统中，ISR包括三方面内容：中断前导、用户ISR和中断后 续。前导是保护现场，保存被中断程序的状态；用户ISR完成对中断的 具体处理；而后续是恢复现场，前导和后续是由内核的中断接管程序实 现的。发生中断->接管程序->用户ISR->接管程序。
复习一下实时内核
实时内核是实时操作系统的基础。它提供 任务管理、内存管理、通信、同步与互斥机 制、中断管理、时间管理以及任务扩展功能。 内设计问题
4.1.1 实时性
实时性是实时内核最重要特性之一。实时系统的正确性不 仅依赖于系统计算的逻辑结果，还依赖于产生这些结果的时 间。实时性能取决于硬件、OS和应用程序AP。当硬件和AP 确定之后，实时内核起到关键作用。实时性就是实时内核应 该保证系统尽可能快的对外部时间做出反应。
优先级继承 就是临时提高已经占有临界资源的任务的优 先级，使之优先执行，然后释放临界资源，以便高优先级任 务获得它。
2. 可抢占内核
可抢占内核是指在执行内核服务程序时，也能响应中断。可 抢占内核调度，可进一步提高系统响应性。
a.不可抢占内核情况。
b.可抢占内核调度情况。
3. 内核的关中断时间 临界资源：某时刻仅允许一个进程单独访问的资 源。硬件有：打印机，接口等,软件有：消息缓冲队列、 变量、数组等。因此各进程间应采取互斥方式，来实 现对这种资源的先后共享。 而每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。 保证各进程单独地进入临界区，才可实现各进程对临 界资源的互斥访问。为此，每个进程在进入此区之前， 应先检查它是否正被其他进程访问。如无，进程便可 进入临界区对该资源进行访问，并设置正在被访问的 标志；如有，则此进程就不能进入此临界区。 内核关中断时间是由内核服务函数对临界资源的 操作引入的。为的是保护临界资源不被破坏。在临界 区中进行暂时中断屏蔽，即关中断，以便阻止其他进 程访问此临界区代码。从而实现访问互斥。
（1）确定性
确定性是指系统对外部事件（任务）相应的最长处理 时间是可预知的。实时性和确定性是缺一不可的。一 个系统是确定的，就是说，它在固定的、预先确定的 时间间隔内操作。
（2）响应性
响应性反映的是，在识别外部事件后，系统要花费多 长时间来处理这个事件。例如：
中断处理初始化及开始执行ISR所需的时间；