RTOS基本原理以及实例
RTOS基本原理以及实例分析
任
中
务
断
级
级
前后台方式的软件体系需要的系统资源比较 少，但是在实时性方面的性能比较差，任务级响 应时间可能很长，程序的可维护性也比较差。
基于实时操作系统的软件体系
实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先 运行的背景程序，用户的应用程序是运行于实时操 作系统之上的多个任务。实时操作系统依据任务的 要求，进展任务调度、资源安排、特殊处理以及任 务间的通信。微观上多个任务以时分复用方式占用 微处理器，宏观上感觉多个任务是在同时运行。
任务通过调用内核函数使用内核供给的各种 效劳，任务自己感觉不到多进程环境，它觉得自 己始终在把握微处理器，仅仅是调用了一个函数 而已。
内核
不可剥夺型内核 内核类型
可剥夺型内核
不行剥夺型内核要求每个任务主动放弃微处 理器的把握权，任务级响应时间取决于最长的任 务执行时间。
可剥夺型内核允许最高优先级的任务一旦就 绪，总能得到优先运行的时机。任务级响应时间 得以最优化。
基于实时操作系统的软件体系占用的资源比较 多，但是在实时性方面的性能比较好，程序的可维 护性也比较好，更简洁实现模块化。
基于实时操作系统的软件体系
USER PROGRAM APPLICATION MIDDLEWARE DRIVER RTOS HARDWARE
内核
实时操作系统内核的最根本效劳就是进展任 务调度，此外还供给多种系统效劳，包括信号量 治理、大事治理、消息队列和定时延时等。内核 的这些效劳都是通过供给内核函数实现的
每个任务都是一个无限的循环，多个任务以时分复用 方式占用同一个微处理器。
每个任务都有各自独立的堆栈，通过将运行中工作寄 存器的数据保存在堆栈中，每个任务都感觉自己拥有专用 的工作存放器。
RTOSuCOS-II原理及应用-文档资料
ISR_Sta ---- Running状态的任务被中断后进 入的状态。
2019/3/22
山东科技大学 信息学院
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任务在没有被配备 任务控制块或被剥 夺了任务控制块时 的状态叫做任务的 睡眠状态
正在运行的任务，需要 等待一段时间或需要等 待一个事件发生再运行 时，该任务就会把CPU 的使用权让给别的任务 而使任务进入等待状态
2019/3/22 山东科技大学 信息学院
//退出临界区（开中断）
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void MyTask1(void *pdata)
{ …… } 用户应用程序的一般结构 void MyTask2(void *pdata) { …… }
void main( ) “ 用户任务” 代码形式上很像 C函数，但他不是 { 函数！ ……
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第2章
目录
1、任务的基本概念 2、任务堆栈 3、任务控制块及任务控制块链表 4、任务就绪表及任务调度 5、任务的创建 6、任务的挂起和恢复 7、其他任务管理函数 8、uC/OS-II的初始化和任务的启动
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2.1 任务的基本概念
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山东科技大学 信息学院
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2.1 任务的基本概念
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山东科技大学 信息学院
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2.1
任务的基本概念
任务的 5 种状态： 各个任务在多任务系统中也随着环境条 “宏观” 上的多任务并发，实际上是 Sleep ---- 仅有编码未激活。 用单 件的情况而具有不同的状态。 CPU 进行多任务处理，“微观” 任 Ready ---- 已激活并“万事俱备，只欠调度” 何时刻，只能运行一个任务，存在CPU资 Running ---- 正占用 CPU 运行自己。 任务状态划分也是多任务操作系统的管 源竞争 ---- 任务调度、任务现场。 Wait ---- 等待某事件发生。 理手段。
实时操作系统原理与应用案例
实时操作系统原理与应用案例实时操作系统（RTOS）是一种针对实时任务的操作系统，其设计和实现目标是为了能够满足实时任务的时限要求。
实时任务是指对于任务的响应时间要求非常严格的任务，例如在工业自动化、航空航天、医疗设备等领域中的控制任务。
一、实时操作系统原理实时操作系统的原理涉及以下几个方面：1. 实时性：实时操作系统要能够保证任务的响应时间满足其时限要求。
为了做到这一点，实时操作系统采用了一些特殊的调度算法，例如优先级调度算法和周期调度算法。
2. 可预测性：实时操作系统的行为必须是可预测的，即在一定的输入下，其输出必须是确定的。
为了达到可预测性，实时操作系统采用了一些限制机制，例如资源管理和任务切换的尽量减少。
3. 实时性与可靠性协作：实时操作系统需要确保实时任务的可靠性，即在遇到异常情况时能够正确处理。
为了做到这一点，实时操作系统采用了一些容错机制，例如异常处理和任务重启。
二、实时操作系统的应用案例实时操作系统广泛应用在许多领域，下面是一些实时操作系统应用案例：1. 工业自动化：在工业自动化中，实时操作系统被用于控制和监控终端设备。
实时操作系统能够实时响应设备的控制命令，并进行数据采集和处理，以实现对设备的精确控制。
2. 航空航天：在航空航天领域，实时操作系统被用于控制飞机、导弹等载具。
实时操作系统能够实时响应飞行控制指令，并对系统状态进行监控和预测，以确保载具的安全和稳定飞行。
3. 医疗设备：在医疗设备中，实时操作系统被用于控制和监控医疗设备的运行。
实时操作系统能够实时响应医疗设备的操作指令，并对设备的感知和检测数据进行处理，以保证医疗设备的准确性和可靠性。
4. 智能交通：在智能交通领域，实时操作系统被用于控制和管理交通系统。
实时操作系统能够实时响应交通信号灯的切换指令，并进行交通流量的检测和优化调度，以提高交通系统的效率和安全性。
步骤：1. 确定实时任务的需求：首先需要明确实时任务的具体需求，包括任务的时限要求、可靠性要求等。
ITRON标准的RTOS的原理和利用
2.1 任务管理功能 ............................................................................................................................12 2.1.1 任务的概述 ........................................................................................................................12 2.1.2 任务的状态 ........................................................................................................................12 2.1.3 任务的迁移 ........................................................................................................................13 2.1.4 任务的应用 ........................................................................................................................14 2.1.5 任务的调度 ........................................................................................................................15 2.1.6 任务的管理 ........................................................................................................................17
rtos任务调度原理
rtos任务调度原理RTOS（Real-Time Operating System）是一种实时操作系统，用于处理实时任务的调度和管理。
任务调度是RTOS的核心功能之一，它决定了任务的执行顺序和时间片分配，以保证系统的实时性和响应性。
RTOS的任务调度原理可以分为两种类型：协同式调度和抢占式调度。
协同式调度是指任务主动释放CPU控制权，将CPU资源交给其他任务执行。
而抢占式调度则是由RTOS内核根据任务的优先级决定任务的执行顺序，当有更高优先级的任务就绪时，RTOS会立即切换到该任务执行。
在协同式调度中，任务执行的顺序是由任务自身控制的。
每个任务都有一个无限循环的主函数，通过调用RTOS提供的任务切换函数或挂起函数，来决定何时释放CPU控制权。
当一个任务主动释放CPU后，RTOS会在就绪任务队列中选择一个优先级最高的任务来执行。
这种调度方式简单易懂，但存在一个问题：如果有一个任务陷入死循环或长时间执行，会导致其他任务无法得到执行，从而影响系统的实时性。
为了解决协同式调度的问题，抢占式调度应运而生。
抢占式调度由RTOS内核控制，它通过任务优先级和时间片分配来决定任务的执行顺序。
RTOS会为每个任务分配一个优先级，优先级越高的任务会优先执行。
当一个任务执行完毕或进入等待状态时，RTOS会根据优先级重新选择一个就绪任务执行。
同时，RTOS还会为每个任务分配一个时间片，用于限制任务的执行时间，当时间片用完时，RTOS会自动切换到下一个任务执行。
这种调度方式能够确保高优先级任务的及时响应，并避免了某个任务长时间占用CPU导致其他任务无法执行的问题。
在抢占式调度中，任务的优先级是非常重要的。
优先级决定了任务在就绪任务队列中的位置，优先级越高的任务越有可能被RTOS选择执行。
任务的优先级可以根据任务的重要性和紧急程度来设置，一般来说，响应时间要求较高的任务应该设置较高的优先级。
除了任务的优先级，任务的时间片也是任务调度的重要参数。
为什么我们需要RTOS？带你透彻理解RTOS
为什么我们需要RTOS？带你透彻理解RTOS与RTOS见面还是大学的时候，老师让我为毕业设计选一个课题，要求有关嵌入式实时操作系统，于是开始在网上搜索，顺理成章的就发现了uCos，于是开始了uCos之路，但后来由于硬件平台的问题，毕设没有用uCos，而用了另外一个不开源的。
毕业后，自己做的项目用到过RTX51、uCos、Linux，当做linux 下的项目时，研究过一阵子linux的源码，后来有一天，闲来无事再去看uCos的源码时，突然发现uCos里的一些原理，对于深刻理解和使用这个操作系统有更好的见解！今天就给大家来整理一下uCos里的一些原理，相信对于更透彻的理解RTOS定会有好处！首先，第一个要解决的问题是，为什么我们需要uCos？就像最开始学C编程时，老师告诉我们，指针很重要，那时你肯定有一个大的疑问，指针到底有什么好？心里一直犯嘀咕着：不用指针不一样把程序编出来了？现在想想看c语言没了指针，是不是寸步难行呢。
回到正题，我们到底为什么需要uCos？一般的简单的嵌入式设备的编程思路是下面这样的：main{ {处理事务1}；{处理事务2}；{处理事务3}； ....... {处理事务N}；}isr_server{ {处理中断}；} 这是最一般的思路，对于简单的系统当然是够用了，但这样的系统实时性是很差的，比如“事务1”如果是一个用户输入的检测，当用户输入时，如果程序正在处理事务1下面的那些事务，那么这次用户输入将失效，用户的体验是“这个按键不灵敏，这个机器很慢”，而我们如果把事务放到中断里去处理，虽然改善了实时性但会导致另外一个问题，有可能会引发中断丢失，这个后果有时候比“慢一点”更加严重和恶劣！又比如事务2是一个只需要1s钟处理一次的任务，那么显然事务2会白白浪费CPU的时间。
这时，我们可能需要改进我们的编程思路，一般我们会尝试采用“时间片”的方式。
这时候编程会变成下面的方式：main{ {事务1的时间片到了则处理事务1}； {事务2的时间片到了则处理事务2}； ....... {事务N的时间片到了则处理事务N}；}time_isr_server{ {判断每个事务的时间片是否到来，并进行标记}；}isr_server{ {处理中断}；}我们可以看到，这种改进后的思路，使得事务的执行时间得到控制，事务只在自己的时间片到来后，才会去执行，但我们发现，这种方式仍然不能彻底解决“实时性”的问题，因为某个事务的时间片到来后，也不能立即就执行，她必须等到当前事务的时间片用完，并且后面的事务时间片没到来，她才有机会获得“执行时间”。
实时操作系统R的TOS培训
时间片轮转调度
02
将CPU时间划分为多个时间片，每个任务按照顺序获得一个时
间片的处理时间，实现公平调度。
多任务并发处理
03
通过任务分割和并行处理技术，实现多个任务同时执行，提高
系统吞吐量。
内存管理优化技巧
分区存储管理
将内存划分为多个固定大小的区域，每个任务在各自的区域内进 行存储和访问，避免内存碎片产生。
实时操作系统R的TOS培训
目录
• 实时操作系统R概述 • TOS基本原理与概念 • TOS编程实践与技巧 • TOS性能优化方法探讨 • TOS在嵌入式系统中应用案例分析 • TOS发展趋势和展望
01
实时操作系统R概述
实时操作系统定义与特点
定义
实时操作系统（RTOS）是一种特殊 的操作系统，它能在确定的时间内对 外来事件做出响应，并控制所有实时 任务协调一致地运行。
任务创建、删除和状态管理示例代码分析
任务创建
在TOS中，任务是一个独立的执行单元，可以通过API函 数进行创建。创建任务时需要指定任务优先级、堆栈大小 等参数，并编写相应的任务函数。
任务删除
当任务不再需要时，可以通过API函数进行删除。删除任 务时需要确保任务已经停止运行，并释放任务所占用的资 源。
挑战和解决方案
实时性挑战
资源受限挑战
针对嵌入式系统对实时性的高要求，介绍 如何通过优化TOS的任务调度算法、减少系 统延迟等方法来提高实时性。
针对嵌入式系统资源受限的问题，介绍如 何通过裁剪TOS内核、优化系统资源配置等 方法来降低资源消耗。
安全性挑战
兼容性挑战
针对嵌入式系统面临的安全威胁，介绍如 何通过加强TOS的安全机制、采用加密技术 等方法来提高系统的安全性。
rtos 速率单调调度算法
RTOS速率单调调度算法1. 什么是RTOS？RTOS（Real-Time Operating System）是一种实时操作系统，用于管理实时任务和资源，以确保系统能够满足实时性要求。
RTOS通常用于嵌入式系统，例如汽车、航空航天和医疗设备等领域。
RTOS的核心功能包括任务管理、调度、中断处理、内存管理和通信等。
其中，调度算法是RTOS中的重要组成部分，它决定了系统中各个任务的执行顺序和时间分配。
2. 什么是速率单调调度算法？速率单调调度算法（Rate Monotonic Scheduling Algorithm）是一种静态优先级调度算法，用于确定实时任务的执行顺序。
该算法基于任务的周期，将优先级分配给任务，优先级越高的任务具有更短的周期。
速率单调调度算法的核心思想是，周期更短的任务具有更高的优先级，因为它们需要更频繁地执行。
通过为任务分配优先级，可以确保系统中的实时任务按照其周期的递减顺序进行调度，从而满足实时性要求。
3. 速率单调调度算法的原理速率单调调度算法的原理可以概括为以下几个步骤：•根据实时任务的周期，为每个任务分配优先级。
周期越短的任务，优先级越高。
•当多个任务具有相同的周期时，可以根据任务的执行时间来确定优先级。
执行时间越短的任务，优先级越高。
•根据任务的优先级，将任务按照优先级递减的顺序进行排序。
•在每个周期开始时，按照排序后的顺序依次执行任务。
如果任务未完成，则等待下一个周期执行。
速率单调调度算法的核心思想是根据任务的周期和执行时间来确定优先级，从而实现任务的有序执行。
该算法的优点是简单高效，适用于周期性任务的调度。
4. 速率单调调度算法的应用速率单调调度算法广泛应用于实时系统中，特别是对于周期性任务的调度。
以下是一些典型的应用场景：•汽车控制系统：例如发动机控制、刹车系统和稳定性控制等任务需要按照严格的时间要求执行。
•航空航天系统：例如飞行控制、导航系统和通信系统等需要快速响应和准确执行的任务。
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时钟节拍
时钟节拍是一个特定的周期性中断，一般使 用定时器中断实现。时钟节拍如同操作系统内核 的脉搏，为各种内核服务提供一定精度的时间信 息。 时钟节拍的抖动是总是存在的，具体的抖动 幅度不仅取决于时钟节拍的周期，也和微处理器 的负荷有关系。 由于时钟节拍的抖动，调用操作系统延时函 数时应多定义一个时钟节拍。
任务
每个任务总是处于休眠、就绪、运行、挂起 和被中断这五种状态中的一种，并且在程序运行 过程中不断变化状态。 挂起
休眠
就绪
运行
被中断
任务调度
运行的任务主动放弃CPU 任务调度的原因 中断使高优先级任务抢占CPU
时间片
基于时间 任务调度的策略 基于优先级 结合优先级和时间 就绪时间
中断
中断是一种硬件机制，用于通知微处理器有 异步事件发生了。中断的一旦被识别，微处理器 首先执行保护现场操作，而后调用中断服务程序 处理异步事件。 对于不可剥夺型内核，中断返回后回到被中 断的任务；而对于可剥夺型内核，中断返回后将 让进入就绪状态的最高优先级任务运行，被中断 任务如果不是最高优先级的就绪任务，将进入挂 起状态，等待运行的机会。 中断级的优先权总是高于任务级。
事件等待
通常信号量、事件和消息都可以支持无限等 待方式和限时等待方式。 在无限等待方式下，任务无条件等待事件的 发生从而进入就绪状态，如果所等的事件始终没 有发生，任务将始终处于挂起状态。 在限时等待方式下，任务在指定的时间范围 内等待事件的发生，如果所等的事件发生，任务 将立刻进入就绪状态，如果在指定时间内所等的 事件没有发生，任务也将在进入就绪状态。
信号量
信号量实际上是一种约定机制，在多任务内 核中普遍使用。信号量像是一把钥匙，任务要运 行下去，得先拿到这把钥匙。如果某信号量已被 别的任务占用，其他需要该信号量的任务只得被 挂起，直到该信号量被当前使用者释放。 控制共享资源的互斥使用 标志某事件的发生
信号量的作用
使两个任务的行为同步
事件
事件实际上是一种标志。通常使用一个与微 处理器位宽相同的变量，每个比特表示一定的含 义，用于在任务之间传递少量的信息，实现任务 的同步。 独立型（OR） 事件的同步方式 关联型（AND）
消息
消息邮箱也称作交换消息，是一种非常灵活 的任务通信方式。通过内核服务，任务或者中断 服务程序把一则消息（即一个指针）放到邮箱里 去。一个或多个任务可以通过内核服务接收这则 消息。该指针指向的内容就是任务之间传递的消 息。 多个消息邮箱可以构成消息队列。通常内核 按照先进先出的策略管理消息队列。
实时操作系统
（Real Time Operating System）
ห้องสมุดไป่ตู้
实时系统
实时系统是指必须在有限的时间内做出响应 的系统。根据对时间要求的严格程度可以划分为 硬实时系统和软实时系统。
硬实时系统是指系统响应必须在指定的时间 之内；软实时系统对时间的要求相对较低，偶尔 响应较慢也可以接受。
前后台方式的软件体系
内核
不可剥夺型内核 内核类型 可剥夺型内核 不可剥夺型内核要求每个任务主动放弃微处 理器的控制权，任务级响应时间取决于最长的任 务执行时间。 可剥夺型内核允许最高优先级的任务一旦就 绪，总能得到优先运行的机会。任务级响应时间 得以最优化。
任务
每个任务都是一个无限的循环，多个任务以时分复用 方式占用同一个微处理器。 每个任务都有各自独立的堆栈，通过将运行中工作寄 存器的数据保存在堆栈中，每个任务都感觉自己拥有专用 的工作寄存器。 每个任务通常有一定的优先级，越重要的任务优先级 越高。实时系统大多综合了软实时和硬实时这两种需求， 应当合理创建任务，并且给任务赋予合理的优先级。 最低优先级任务： Idle Task。
后台行为：在一个无限循环中按顺序执行操作。 前台行为：当中断发生时处理异步事件。
任 务 级
中 断 级
前后台方式的软件体系需要的系统资源比较 少，但是在实时性方面的性能比较差，任务级响 应时间可能很长，程序的可维护性也比较差。
基于实时操作系统的软件体系
实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先 运行的背景程序，用户的应用程序是运行于实时操 作系统之上的多个任务。实时操作系统根据任务的 要求，进行任务调度、资源分配、异常处理以及任 务间的通信。微观上多个任务以时分复用方式占用 微处理器，宏观上感觉多个任务是在同时运行。 基于实时操作系统的软件体系占用的资源比较 多，但是在实时性方面的性能比较好，程序的可维 护性也比较好，更容易实现模块化。
基于实时操作系统的软件体系
USER PROGRAM APPLICATION MIDDLEWARE DRIVER RTOS HARDWARE
内核
实时操作系统内核的最基本服务就是进行任 务调度，此外还提供多种系统服务，包括信号量 管理、事件管理、消息队列和定时延时等。内核 的这些服务都是通过提供内核函数实现的 任务通过调用内核函数使用内核提供的各种 服务，任务自己感觉不到多进程环境，它觉得自 己始终在控制微处理器，仅仅是调用了一个函数 而已。