第05章 嵌入式任务管理与调度
嵌入式系统中的实时操作系统与任务调度
嵌入式系统中的实时操作系统与任务调度【正文】嵌入式系统中的实时操作系统与任务调度嵌入式系统是一种应用于各种电子设备中的计算机系统，广泛应用于汽车、家电、通信设备等领域。
实时操作系统（RTOS）是嵌入式系统中的关键组成部分，它能够保证系统对时间要求的精确满足，并有效地进行任务调度和管理。
本文将介绍嵌入式系统中的实时操作系统的概念，及其与任务调度相关的重要内容。
一、嵌入式系统中的实时操作系统实时操作系统是一种能够在给定的时间约束内完成任务并作出响应的操作系统。
在嵌入式系统中，时间的可控性对于系统的稳定性和可靠性至关重要。
实时操作系统能够根据任务的优先级和时间需求，对任务进行有效的调度和管理，以满足系统对时间的各种要求。
嵌入式系统中的实时操作系统通常具备以下特点：1. 硬实时性：系统对任务响应时间的要求非常严格，必须要在规定时间内完成任务响应和处理。
2. 软实时性：系统在大部分情况下能够满足任务的响应时间要求，但在某些情况下可能会出现时间延迟。
3. 多任务处理能力：系统能够同时处理多个任务，并根据任务的优先级和时间约束进行合理的调度。
4. 任务通信与同步机制：系统能够提供任务之间的通信和同步机制，便于任务之间的数据交换和协作。
5. 中断处理支持：系统能够及时响应外部中断，并进行相应的处理。
二、实时操作系统的任务调度任务调度是实时操作系统中非常关键的一部分，它决定了任务执行的顺序和执行时间。
常见的任务调度算法包括静态优先级调度、循环调度和最短剩余时间优先调度等。
1. 静态优先级调度：每个任务都有一个预定的优先级，在系统运行之前就已经确定。
系统根据任务的优先级进行任务调度，优先级高的任务将先被执行。
2. 循环调度：系统按照固定的调度顺序执行任务，也称为轮转调度。
每个任务都有一个时间片，当一个任务的时间片用完后，系统将继续执行下一个任务。
3. 最短剩余时间优先调度：系统根据每个任务的执行时间来进行调度，优先执行剩余执行时间最短的任务。
嵌入式系统中的多任务处理和调度算法研究
嵌入式系统中的多任务处理和调度算法研究嵌入式系统是指集成了特定功能和局限性的计算机系统，通常被用于控制、监测、通讯等场景下。
而针对这些场景，嵌入式系统通常需要同时处理多个任务，例如读取传感器数据、实时控制等。
因此，多任务处理和调度算法的研究变得越来越重要。
一、多任务处理在多任务处理中，各个任务相互独立，同时又需要协调完成。
嵌入式系统的多任务处理需要考虑任务的优先级和执行时间等方面。
通常采用以下几种方式来实现任务的切换和调度。
1. 时间片轮转算法时间片轮转算法是多任务处理中最常见的算法之一。
它通过对每个任务分配一个时间片，轮流切换执行，从而达到多任务同时处理的目的。
时间片一般很短，通常在几毫秒到几十毫秒之间。
当一个任务的时间片用完后，如果它还没有执行完，那么就把它放到队列的末尾，等待下次轮到它执行。
2. 优先级调度算法优先级调度算法是根据任务的优先级进行任务的调度。
优先级高的任务首先被执行，而优先级低的任务则要等待。
优先级调度算法通常用于实时系统中，如医疗设备等。
优先级调度算法需要注意避免优先级反转问题，即低优先级任务永远无法得到执行的情况。
3. 就绪队列算法就绪队列算法是指将所有准备执行的任务放到一个就绪队列中，然后根据一定的优先级规则来决定任务的执行顺序。
简单而言，就绪队列算法就是把所有任务都放在同一个队列中排序。
当一个任务完成后，就从队列中取出下一个任务执行。
二、调度算法嵌入式系统中的任务调度需要考虑以下几个方面。
1. 响应时间响应时间是指从任务在队列中被选中开始执行到任务执行完成的时间。
对于实时系统而言，响应时间通常需要控制在毫秒级别。
2. 时钟周期时钟周期是指嵌入式系统中的处理器的时钟频率。
通常时钟周期越长，处理器的性能也就越低，因此需要选择适当的时钟周期来衡量任务的执行时间。
3. 调度快慢调度快慢是指任务在队列中等待的时间，也就是响应时间与执行时间之差。
调度快慢与系统的响应速度密切相关。
嵌入式实时操作系统内核——任务管理与调度共97页
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
嵌入式实时操作系统内核—— 任务管理与调度
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
嵌入式系统和应用教学大纲
《嵌入式系统及应用》教学大纲课程编号：06083017 适用专业：计算机科学与技术学时数：40+16 学分：开课学期：第7学期先修课程：计算机操作系统、数据结构、计算机组成原理、高级语言程序设计执笔者：罗蕾、桂盛霖编写日期：2013一、课程性质和目标授课对象：本科课程类别：专业核心课教学目标：本课程是计算机科学与技术专业的一门专业核心课程，属必修学科专业课。
它的前续课程是计算机组成原理、数据结构、计算机操作系统、高级语言程序设计等，为学生进一步学习和实践嵌入式系统相关知识打下基础。
课程目标：本课程将理论与实践结合起来，以嵌入式硬件的核心嵌入式微处理器及嵌入式软件的核心嵌入式实时操作系统为重点，以应用为目的，从硬件、软件、系统开发过程、环境、工具及方法等方面，对嵌入式系统进行系统性的讲解，能够让学生系统性地掌握嵌入式系统的原理，具备基本的嵌入式系统软件开发能力。
配合实验课程的实践活动，加深学生对理论知识的理解和掌握，并具备实际开发的能力和经验。
二、课程内容安排和要求（一）教学内容、要求及教学方法本课程共56学时，其中：课堂讲授40学时，上机16学时。
第1章嵌入式系统导论（4学时，多媒体课件结合板书面授）1.主要内容：嵌入式系统基本概念及特点，嵌入式系统分类，嵌入式系统发展历程，嵌入式系统的应用领域及嵌入式系统的发展趋势2.应达到的要求：了解：嵌入式系统的发展历程、应用领域，以及发展趋势。
理解：嵌入式系统的分类、嵌入式系统组成掌握：嵌入式系统的相关基本概念及特点、嵌入式系统的软件分类；第2章嵌入式硬件系统（14学时，多媒体课件结合板书面授）1.主要内容：嵌入式硬件的组成、特点、与通用处理器的异同；嵌入式微处理器的分类，主流的嵌入式微处理器（ARM/MIPS/PPC/SH等），嵌入式微处理器的发展；总线：片内总线，片外并行总线，片外串行总线；存储系统：组成、主存、外存、典型电子盘；ARM处理器介绍：体系结构、编程模式、指令集、异常处理、ARM V4T架构的指令体系（数据处理指令、加载存储指令、分支指令、状态寄存器访问指令、协处理器指令、异常处理指令）、Thumb指令集、ARM汇编语言程序设计（ARM程序的框架结构、C语言程序对汇编程序的调用、ARM与C语言混合程序设计）2.应达到的要求：本章是全课重点之一，要求通过本章学习，建立起嵌入式硬件系统的概念。
手把手，嘴对嘴，讲解UCOSII嵌入式操作系统的任务调度策略（五）
⼿把⼿，嘴对嘴，讲解UCOSII嵌⼊式操作系统的任务调度策略（五）整个UCOSII嵌⼊式操作系统的任务调度策略便是如此，现在进⾏⼀个总结：①某个任务在执⾏中，每隔⼀定周期发⽣滴答时钟中断，在中断中遍历整个任务链表，更新每个任务的延时时间，修改就绪状态。
②任务执⾏完毕后，进⼊延时函数，在延时函数中会把当前任务挂起（清空当前任务的就绪状态，使其进⼊未就绪状态），然后根据查表发找到在就绪任务中，优先级最⾼的那⼀个任务。
③找到新任务以后，⼈⼯强制发⽣⼀个中断，保存上个任务的堆栈信息，弹出下个任务的堆栈信息，同时更改PC指针，进⾏任务切换。
经过以上三个步骤，便可以完成任务的调度。
现在回到第⼀篇提出的那个问题：UCOSII到底是如何保证它的实时性的呢？如果任务的调度都是发⽣在当前任务进⼊延时之后，似乎操作系统根本⽆法⾃⾝的保障实时性。
⽐如⼀个优先级最低的任务由于某些处理⾮常耗费时间，它⼀直⽆法进⼊延时，导致⽆法进⼊任务切换，那么优先级⾼的任务反⽽是⼀只都⽆法被执⾏了……同样在第⼀篇说过，UCOSII系统除了在当前任务进⼊延时函数会发⽣调度之外，还有别的时机会进⾏任务切换： 1.当前任务进⼊了延时。
2.当前任务被挂起。
3.当前任务执⾏时，发⽣了某些中断。
第1点我们已经全部讲完，第2点⾮常好理解，我们现在看⼀个函数：OSTaskSuspend（）这个函数的作⽤是把某个任务挂起（也就是不进⾏调度），现在来分析⼀个实例：有⼀个任务调⽤了这个函数：void App1_task(void *pdata){while(1){if (OS_ERR_NONE != OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF)){Dbg_SendStr("App1_task Suspend Error£¡\r\n");}delay_ms(10);};}当前任务执⾏了红⾊代码之后，便会把⾃⾝挂起来，如果没有再别的地⽅对它进⾏激活，这个任务便永远也不会执⾏下去了。
嵌入式系统-Chapter5-任务管理与调度
Task
Task
Task
Infinite Loop
Low Priority Task
Task
Splitting an application into Tasks
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Task demo based on uCOS
int {
main(void)
// Initialize uCOS-II. OSInit(); // Create the first task OSTaskCreate(TestTask1, (void *) 11, &TestTaskStk1[TASK_STK_SIZE], 11); // Start multitasking. OSStart(); return 0;
• • • • • 进程
•
早期的进程，包含了以下两个方面的内容：
– 资源。进程是资源分配的基本单位，一个进程包 括一个保存进程映像的虚拟地址空间、主存、I/O 设备和文件等资源。 – 调度执行。进程作为操作系统的调度实体，是调 度的基本单位。
void YourTask (void *pdata) { /* USER CODE */ OSTaskDel(OS_PRIO_SELF); }
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void TestTask2(void *pdata) { while (1) { printf("%4u: ***** Test Task 22 *****\n", OSTime); OSTimeDly(1); } }
嵌入式系统及应用
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第五章 任务管理与调度
电子科技大学嵌入式软件工程中心
主要内容
嵌入式系统原理与应用课程教学大纲
《嵌入式系统原理与应用》课程教学大纲一、课程基本信息课程代码：230449课程名称：嵌入式系统原理与应用英文名称：Principle and Application of Embedded System课程类别：专业课学时：72（其中实验18学时）学分：3.5适用对象: 计算机科学与技术业考核方式：考试（平时成绩占总评成绩的30%，期末考试成绩占70%）先修课程：计算机组成原理、操作系统、编译原理二、课程简介嵌入式系统原理与应用是计算机科学技术专业的一门专业课，讲述嵌入式系统的基本理论、原理。
本课程是一门既与硬件关系紧密，又与嵌入式操作系统、嵌入式软件关系十分紧密课程。
它围绕目前流行的32位ARM处理器和源码开放的Linux操作系统，讲述嵌入式系统的概念，软、硬件组成，开发过程以及嵌入式应用程序开发设计方法。
本课程的知识将为学生今后从事嵌入式系统研究与开发打下坚实的基础。
The principle of embedded system is an important course of computer science and technology, which introduce the principles and the theory of embedded system.T his curriculum is tied closely with not only hardware but also embedded operating system and embedded software. It introduce the conception of embedded system, components of software and hardware, developing progresses and designing methods of embedded programming which based on the 32bit arm processor and operating system of opened linux.The knowledge of this course would be solid foundation for the student who would be engaged in researching or developing about embedded system.三、课程性质与教学目的嵌入式系统原理与应用课程的性质：该课程是计算机科学与技术专业的专业课。
嵌入式系统的实时操作与调度
嵌入式系统的实时操作与调度一、引言嵌入式系统是指被嵌入到其他设备或系统中，具有专门功能的计算机系统。
它通常运行在特定硬件平台上，具有实时性要求。
实时操作系统是嵌入式系统中用于操作与调度任务的重要组成部分。
本文将探讨嵌入式系统的实时操作和调度的原理、方法以及在实际应用中的问题。
二、嵌入式系统的实时操作原理1. 实时操作系统实时操作系统是嵌入式系统中实现任务调度与管理的核心技术。
它能够及时响应外部事件，按照预定的优先级和时间要求完成任务。
2. 周期性任务与非周期性任务在实时操作系统中，任务可以分为周期性任务和非周期性任务。
周期性任务具有固定的执行时间，按照一定的周期性执行。
非周期性任务则无固定执行时间，需要按需执行。
3. 实时性要求嵌入式系统通常需要满足严格的实时性要求，即任务必须在规定的时间内完成。
这对实时操作系统的调度算法提出了更高的要求，需要保证任务的截止时间得到满足。
三、嵌入式系统的实时调度算法1. 先来先服务调度算法（FIFO）先来先服务调度算法按照任务的到达顺序进行调度，无法保证任务的实时性。
2. 最短作业优先调度算法（SJF）最短作业优先调度算法按照任务的执行时间进行调度，能够获得最短的平均等待时间，但也无法保证任务的实时性。
3. 优先级调度算法优先级调度算法按照任务的优先级进行调度，可以根据任务的实时性要求分配不同的优先级，但需要注意优先级反转的问题。
4. 最早截止时间优先调度算法（EDF）最早截止时间优先调度算法按照任务的截止时间进行调度，可以保证任务的实时性，但会增加实时操作系统的开销。
四、实际应用中的问题1. 多任务并发在实际应用中，嵌入式系统通常需要同时处理多个任务。
操作系统需要有效地管理任务的调度和切换，避免任务之间的干扰。
2. 中断处理嵌入式系统通常需要对外部中断进行处理，及时响应外部事件。
操作系统需要设计合理的中断处理机制，保证中断的实时性。
3. 资源争用实时操作系统中不同任务之间可能存在对共享资源的争用。
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• 在单处理器系统中：
– 任何时刻都只有一个任务在CPU中执行 • 如果没有任何事情可做，就运行空闲任务执行空 操作。 – 任何一个可以执行的任务都必须处于就绪状态 • 调度程序从任务的就绪队列中选择下一个需要执 行的任务。 • 处于就绪状态的任务，已经拥有除CPU以外的其 他所有需要的资源。 – 任务还可能处于等待状态 • 如果任务在需要等待I/O设备或其他任务提供的数 据，而数据又还没有到达该任务的情况下，就处 于等待状态。
–单进程/单线程模型（如MS-DOS）：整个系统只 有一个进程、一个线程 –单进程/多线程模型：在单进程/多线程模型中，整 个系统有一个进程、多个线程 –多进程/单线程模型（如传统的UNIX）：在多进程/ 单线程模型中，整个系统有多个进程，每个进程只 有一个线程 –多进程/多线程模型（如Windows NT、Solaris、 Mach等）：在多进程/多线程模型中，系统有多个 进程，每个进程又可包含多个线程
第五章 任务管理与调度
5.1 概述 采用多任务的好处（Multi-Tasking）：
– 任务的规模较小 • 每个任务更容易编码和调试，其质量更容易得到保 证。 – 不少应用本身就是由多个任务构成的 • 一个应用可能需要进行以下任务的处理：计算、从 网络获取数据和刷新显示。 • 采用多任务的处理方式是应用问题的一个非常自然 的解决方式。 – 任务之间具有较高的独立性，耦合性小 • 通过增加新的任务就能方便的扩充系统功能 – 实时性强 • 保证紧急事件得到优先处理成为可能
– 系统中包含多个进程，每个进程对应又包含 多个线程 – 适合于处理复杂的应用
第二节
任 务
任务的定义及其主要特性 任务的内容 任务的分类 任务参数
5.2.1 任务的定义及其主要特性
• 任务是一个具有独立功能的无限循环的程序段的一次运行 活动，是实时内核调度的单位，具有以下特性： – 动态性：任务状态是不断变化的。 • 一般分为就绪态、运行态和等待态。 • 在多任务系统中，任务的状态将随着系统的需要不断 进行变化。 – 并行性： • 系统中同时存在多个任务，这些任务在宏观上是同时 运行的。 – 异步独立性： • 每个任务各自按相互独立的不可预知的速度运行，走 走停停。
• 在嵌入式实时系统中
– 任务（task）通常是进程（process）和线程 （thread）的统称。 – 任务是调度的基本单位。
• 进程是60年代提出来的，主要包括以下 内容：
– – – – 一个正在执行的程序； 计算机中正在运行的程序的一个实例； 可以分配给处理器，并由处理器执行的一个实体； 由一个顺序的执行线程、一个当前状态和一组相关 的系统资源所刻画的活动单元。
•
进程由代码、数据、堆栈和进程控制块构成。
– 进程控制块包含操作系统用来控制进程所需要的信息：
• • • • • 进程状态 CPU寄存器 调度信息 内存管理信息 I/O状态信息等
•
早期的进程，包含了以下两个方面的内容：
– 资源。进程是资源分配的基本单位，一个进程包括一个 保存进程映像的虚拟地址空间、主存、I/O设备和文件 等资源。 – 调度执行。进程作为操作系统的调度实体，是调度的基 本单位。
……
任务控制块示意图
• 为节约内存，任务数量通常需要进行预先 配置
– 按照配置的任务数量初始化任务控制块，一个任务对 应一个初始的任务控制块，形成一个空闲任务控制块 链。
• 在任务创建时，实时内核从空闲任务控制 块链中为任务ห้องสมุดไป่ตู้配一个任务控制块。
– 随后对任务的操作，都是基于对应的任务控制块来进 行的。 – 当任务被删除后，对应的任务控制块又会被实时内核 回收到空闲任务控制块链。
• 截止时间可以分为强截止时间（hard deadline）和弱
截止时间（soft deadline）两种情况： – 具有强截止时间的任务即为关键任务，如果截止时间
不能得到满足，就会出现严重的后果。 – 拥有关键任务的实时系统又被称为强实时（hard realtime）系统，否则称为弱实时（soft real-time）系统。
单进程/单线程模型
单进程/多线程模型
多进程/单线程模型
多进程/多线程模型
• 大多数嵌入式实时内核：单进程/多线程 模型，或简单地称为任务模型
– 把整个应用当作一个没有定义的进程来对待； – 应用则被划分为多个任务的形式来进行处理。 – 适用于实时性要求较高的、相对简单的应用
• 也有一些嵌入式实时操作系统采用了多 进程/多线程模型：
• 随着操作系统的发展，进程所包含的两 个方面的内容逐渐被分开：
– 轻量级进程或线程：调度执行的单位。 – 进程：资源分配的单位。 – 线程是进程内部一个相对独立的控制流，由 线程上下文和需要执行的一段程序指令构成 的。 – 在进程中，所有线程共享该进程的状态和资 源，可以访问相同的数据。
• 引入线程的概念后，可把进程和线程的 使用分为以下几种模型：
• 任务会在不同的状态之间进行转换，即 任务状态的变迁
运行态
需要 资源
获得CPU 就绪态
被高优先级 任务抢占或 超时
获得资源
等待态
任务状态变迁
5.3.2 任务控制块
• 任务管理是通过对任务控制块（Task Control Block，TCB）的操作来实现的。 • 任务控制块是包含任务相关信息的数据结构
• 任务上下文环境（context） – 包括了实时内核管理任务、以及处理器执行任务所需 要的所有信息。 • 任务优先级 • 任务的状态等实时内核所需要的信息 • 以及处理器的各种寄存器的内容（hardware context）：程序计数器、堆栈指针、通用寄存器 等的内容 – 任务的上下文环境通过任务控制块（Task Control Block，TCB）来体现。
5.2.2 任务的内容
• 任务主要包含以下内容： – 代码：一段可执行的程序 – 数据：程序所需要的相关数据（变量、工作空间、缓 冲区等） – 堆栈 – 程序执行的上下文环境
• 任务与程序的区别： – 任务能真实地描述工作内容的并发性，而程序不能； – 程序是任务的组成部分 • 除程序外，任务还包括数据、堆栈及其上下文环 境等内容； – 程序是静态的，任务是动态的； – 任务有生命周期，有诞生、有消亡，是短暂的；而 程序是相对长久的； – 一个程序可对应多个任务，反之亦然； – 任务具有创建其他任务的功能，而程序没有。
•
任务切换将导致任务状态发生变化： – 当前正在运行的任务将由运行状态变为就绪 或是等待状态； – 需要投入运行的任务则由就绪状态变为运行 状态。
返回
• 任务的就绪时间
任务具备了在处理器上被执行所需要条件时的时间。
• 任务的截止时间
• 意味着任务需要在该时间到来之前被执行完成。 • 截止时间可以通过绝对截止时间（absolute deadline）
和相对截止时间（relative time）两种方式来表示 – 相对截止时间为任务的绝对截止时间减去任务的就绪时 间。
任务1
实时内核调度程序 保存任务1的上下文到TCB1 …… 从TCB2恢复任务2的上下文
任务2
时间
保存任务2的上下文到TCB2 …… 从TCB1恢复任务1的上下文
任务1执行一段时间后，由于某种原因，需要进行任务切换，进入实时 内核的调度程序。调度程序首先把当前的上下文内容保存到任务 1的任 务控制块TCB1中，然后又把任务2的上下文从TCB2中恢复到CPU寄存器， 随后任务2得到执行。任务2执行一段时间后，由于某种原因，需要进行 任务切换，进入实时内核的调度程序。调度程序首先把当前的上下文内 容保存到任务2的任务控制块TCB2中，然后又把任务1的上下文从TCB1中 恢复到CPU寄存器，随后任务1得到执行。
– sporadic task：有最小到达间隔时间限制 – aperiodic task：没有到达时间限制
• 关键任务与非关键任务
– 关键任务：
• 为需要得到及时执行的任务，否则将出现灾难性的 后果。例：飞行器中用于处理生命支持系统和稳定 性控制系统的任务。
– 非关键任务：
• 如果没有得到及时执行，则不会产生严重后果。
• 飞行器中处理稳定性控制的任务，就需要具有较 高的优先级，一旦执行条件得到满足，应及时得 到执行
– 任务的优先级分为静态优先级和动态优先级。
• 静态优先级：任务的优先级被确定后，在系统运 行过程中将不再发生变化； • 动态优先级：系统运行过程中，任务的优先级是 可以动态变化的。
返回
• 周期
– 周期任务所具有的参数，表示任务周期性执行的间隔 时间。
第三节
任务管理
任务状态与变迁 空闲任务 任务控制块 任务切换 任务队列 任务管理机制
5.3.1 任务状态与变迁
• 任务拥有的资源情况是不断变化的，导致任务状态 也表现出不断变化的特性。 • 不同的实时内核实现方式对任务状态的定义不尽相 同，但是都可以概括为三种基本的状态： – 等待（waiting）：任务在等待某个事件的发生； – 就绪（ready）： 任务等待获得处理器资源； – 执行（running）：任务获得处理器资源，所包含 的代码内容正在被执行。
– 包含了任务执行过程中所需要的所有信息。
• 任务控制块大都包括以下信息(数据结构）：
– – – – – – – – 任务的名字 任务的ID 任务的状态 任务的优先级 任务的硬件上下文（堆栈指针、PC和寄存器等) 任务的队列指针 任务（程序）执行的起始地址 …
task name task ID task status task priority task context（registers and flags of CPU） programm of task
5.2.4 任务参数
• 任务参数有：
– 优先级（priority）