实时操作系统复习重点整理

实时操作系统复习重点整理

1.操作系统概念、功能？

概念：操作系统：计算机系统硬件的软件封装，使计算机成为功能强大的虚拟计算机，使应用程序可以使用软件的方式使用计算机的底层功能，提高程序的执行效率和增强计算机的安全性，负责对计算机的资源进行管理。

功能：(1)操作系统是硬件的封装和功能的扩充

◇从计算机的角度来看，操作系统扩充了计算机硬件的功能，使得带有操作系统的计算机比只有硬件的计算机功能更强，更容易编程。

◇从应用程序设计人员的角度来看，操作系统是计算机硬件系统与应用程序之间的接口

(2)操作系统是计算机资源的管理者

◇处理器的管理：中断管理和进程调度

◇存储器的管理

◇I/O设备的管理

◇文件的管理

◇网络和通信的管理

◇提供用户接口

2.进程、线程概念及其区别？

进程：定义：可并发执行且具有独立功能的程序在一个数据集合上的运行过程，是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。

特征：动态性、并发性、独立性、异步性、结构性

组成：程序代码、数据集合、进程控制块

状态转换：

进程控制块：操作系统感知和控制一个进程的依据。

线程：线程是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。

线程自己基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源，但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。

区别：在多线程操作系统中，进程是资源分配的基本单位，线程是系统调度的基本单位，线程是进程的组成部分，同一进程中的所有线程共享其所获得的资源。

3.为什么说内核是由中断驱动的？

由于操作系统内核的重要性，为防止因用户程序错误调用内核模块而使系统崩溃，所以对操作系统的内核必须加以特殊保护。解决这个问题的一个方法就是，在实现方法上把内核模块的调用与应用程序的一般过程调用区别开来，并对一般用户不公开内核模块的调用方法，从而使应用程序不能直接调用内核模块。

因为高级语言不支持中断，所以达到上述目的的一个方法就是用中断的方法来实现内核模块的调用，从而使高级语言应用程序不可能直接接触到内核模块。

另外就是进程切换的实现问题。进程切换实质上也是处理器执行流程的转移，但这种转移不是由正在执行的进程决定的，所以也要用中断技术来实现。

因此，操作系统内核的运转是由中断驱动的，中断是内核的生命之源。

4.进程调度以及常见的调度方法？

进程调度：是指在系统中所有的就绪进程里，按照某种策略确定一个合适的进程并让处理器运行它。

分类：可剥夺方式、不可剥夺方式

调度器或分配器：分为调度部分和进程切换部分

调度部分：完成两项任务，一是把当前进程的状态信息记录在进程的控制块中；二是按照某种策略确定应

获得处理器使用权的就绪进程。

进程切换部分： 完成两项任务，首先从正在运行的进程收回处理器；然后再把处理器让给已经确定可以使用处

理器的就绪进程来占用。

调度算法： 时间片轮转法：要求系统中的每个进程轮流占用处理器运行一个相同的时间片。

优先级调度法：按进程的优先级别来确定待运行的进程。

多级反馈队列调度法：把系统中的所有进程分成若干的具有不同优先级的组，同一组的进程都

具有与所在组同样的优先级别，并且把每组进程组织成一个先进先出的队列。在设计时，按优

先级别越高的组中的进程应得时间片越短的原则分配时间。

5. 实时系统的概念及特点，实时系统必须要满足的条件，

概念：如果计算机系统完成任务所需的时间可预知，并且小于完成任务所要求的最低时限的系统就叫实时系统。 特点：(1)实时任务具有确切的完成期限 (2)实时任务的活动是不可逆的 (3)实时任务大多由外部事件激活 条件：(1)实时操作系统必须是多任务的 (2)内核应该是可剥夺的

(3)任务的切换时间应与系统中的任务数无关并且可预知

(4)系统提供所有服务所需的时间应尽可能短并且是可预知的

(5)中断延迟的时间可预知并尽可能短

6. 实时调度算法及其各自的优缺点，实时进程的可调度性？

为了使内核是可剥夺的，实时系统的调度器必须采用基于优先级的调度算法。

根据不同的优先级分配方法，基于优先级的调度算法可分为静态优先级调度算法和动态优先级调度算法 静态优先级算法：给系统中所有的进程都静态的分配一个优先级

动态优先级算法：根据进程的资源需求动态地分配进程的优先级

调度算法：(1)单调速率RM 算法：一种典型的静态优先级调度算法

主要是用来处理周期性实时进程的，它根据进程执行周期的长短来决定进程的优先级

优点：简单，效率高，易于实现，运行时调度开销比较小

缺点：运行时灵活性较差，自适应性比较弱，对于周期性不强的由外部事件激活的进程，则没有一

个好的方法来确定其优先级。

(2)截止期限最早优先算法：进程的截止期限越近，这个进程紧急程度越高。因此，在确定系统中 进程优先级别时是按进程截止期限的远近来确定的。

优点：根据进程的紧急程度来确定优先级，使得紧急的任务能够快速的完成，实时性较好，同时灵

活性高，CPU 利用率高。

缺点：从进程获得处理器使用权时开始到进程的截止期限这段时间是否能让它运行完毕。如果不能，

那么这个进程是一定要超出截止期限的，是一定保证不了结果的时间正确性的，因此这个结

果也是没有意义的。

(3)可达截止期限最早算法

特点：是对截止期限最早优先算法的改进，实时性好，灵活性高，CPU 利用率高，同时又克服了截

止期限最早优先算法的缺点

(4)最小裕度算法

特点：用进程的富余时间来确定进程的优先级别，同样可以保证较好的实时性，灵活性高。

实时进程的可调度性：指的是多个实时进程是否可经过适当的调度使它们都能正确的完成工作。

在不考虑系统的其他开销时，对于使用单调速率算法的周期性进程集，若满足： ρ=∑C i

P i n i=1≤n(√2n

?1) 则这个进程集被称为是可调度的。

7. 实时时钟的作用？

(1)在按时间片实施调度的实时系统中，如果没有时钟中断，就有可能使系统停止进程调度，从而也就不能实现所谓的并发运行。

(2)在每次中断服务程序中，要对处在等待或睡眠中的进程进行查询，以观察其是否已经到了等待或睡眠的截止时间：如果到了，则要负责唤醒该进程；如果没到，则要负责修改进程等待或睡眠的时间记录。

(3)在实际应用中，有许多进程需要周期性地运行。

8.至少知道5种嵌入式操作系统的名字？

开源：μC/OS-II、RTLinux、ARM-Linux、KURT、TimeSys Linux、Mach

商业：VxWorks QNX pSOS Windows CE

9.μC/OS-II的文件结构？

与应用程序相关的文件：INCLUDES.H：是μC/OS-II的主头文件，在每个.c文件中都要包含这个文件。这个文件把

工程项目中应包含的头文件都集中到了一起。

OS_CFG.H：配置文件。μC/OS-II是依靠编译时的条件编译来实现软件系统的裁剪性的，

即把用户可裁剪的代码段写在#if和#endif预编译指令之间，在编译时根据

#if预编译指令后面常数的值来确定是否该代码段进行编译。

此外，该文件还包括与项目有关的其他一些常数的设置。

与计算机硬件相关的文件：OS_CPU.H：这是一个与计算机硬件相关的文件，其中有些内容在系统移植时需要根

据工程项目的实际使用的处理器来进行修改，有的则无需修改。

OS_CPU_A.ASM：集中了所有与处理器相关的汇编语言代码模块。

OS_CPU_C.C：集中了所有与处理器相关的C语言代码模块。

系统内核的各种服务文件：

OS_CORE.C //核心服务模块文件

OS_FLAG.C //信号量集服务模块文件

OS_MBOX.C //消息邮箱服务模块文件

OS_MEM.C //存储管理服务模块文件

OS_MUTEX.C //互斥型信号量服务模块文件

OS_Q.C //消息队列服务模块文件

OS_SEM.C //信号量服务模块文件

OS_TASK.C //任务管理服务模块文件

OS_TIME.C //时间管理服务模块文件

uCOS_II.C //

uCOS_II.H //与应用相关的配置文件

10.μC/OS-II中系统的初始化、任务的创建、任务的5种状态切换？

初始化：OSInit() Array

创建：OSTaskCreate()

切换：

11.μC/OS-II调度算法中如何确定优先级最高的就绪任务，如何保证实时性的？

由于μC/OS-II中所有的任务都各自具有一个唯一的由用户确定的优先级，并且所有就绪的任务都按照优先级顺序登记在就绪任务表OSRdyGrp和OSRdyTbl[]中，所以可以通过以下代码来找到优先级最高的就绪任务的优先级：

y = OSUnMapTbl[OSRdyGrp];

OSPrioHighRdy = (INT8U)((Y<<3)+UnMapTbl[y]);

这样就从就绪任务表中获得最高就绪任务的优先级别，并存放在变量OSPrioHighRdy中。

然后，用这个优先级别OSPrioHighRdy从存放任务控制块指针的数字OSTCBPrioTbl[]中获得该任务的任务控制块指针，并存放在指针变量OSTCBHighRdy中，完成这个任务的代码如下：

OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];

只要获得了最高优先级就绪任务的任务控制块指针，再加上存放在指针变量OSTCBCur中的当前正在运行任务的任务控制块指针，这样系统就掌握另了两个任务控制块。有了这两个任务控制块，加上μC/OS-II又是可剥夺型内核，然后就可以进行任务的切换工作了。

从上面的进程调度算法中可以看出，该算法是和任务的个数是没有关系的，即满足任务的切换时间与系统中的任务数无关并且可预知，从而保证了系统的实时性。

另外，为了加快对任务控制块的访问速度，除了任务控制块链表被创建为双向链表之外，μC/OS-II在uCOS_II.H文件中还定义了一个数据类型为OS_TCB *的数组OSTCBTbl[]，专门用来存放指向任务控制块的指针，并按任务的优先级把这些指针存放在数组的各个元素里面。这样在访问某个任务的任务控制块时，就可以直接根据其优先级来寻找了。这样，也就保证了其实时性。

除此之外，在μC/OS-II的中断服务子程序结束之前，有一次任务调度，只有这样，在中断结束后，才会去运行另外一个优先级最高的任务，而不一定是当前的任务，从而保证了实时性。

12.μC/OS-II中最低优先级和次低优先级任务的功能，ucos-II最多支持多少个任务？

最低优先级的任务：空闲任务。该任务几乎不做任何事情，只是对系统定义的一个空闲任务运行次数计数器OSIdelCtr进行加1操作。当然，这个空闲任务是系统中所有任务中优先级别最低的一个，这样就保证一旦出现其他任务就绪时，即可马上终止空闲任务而去运行那个就绪的任务。

次低优先级的任务：统计任务。这个任务每秒计算一次处理器在单位时间内被使用的时间，并把计算结果以百分比的形式存放在变量OSCPUUsage中，以便应用程序通过他来了解处理器的利用率。

μC/OS-II最多支持64个任务。

13.任务的同步与通信方法有哪些？为什么要同步与通信？

为了实现各任务之间的合作和无冲突的运行，在有关联的任务之间必须建立一些制约关系。这些制约关系主要有两种：直接制约关系和间接制约关系。直接制约关系源于任务之间的合作，间接制约关系源于对资源的共享。因此，在多任务合作工作的过程中，操作系统应解决两个问题：一是各任务间应具有一种互斥关系；二是相关的任务在执行上要有先后次序。任务之间的这种制约性的合作运行机制叫做任务间的同步。

通信就需要依赖中间媒介。在μC/OS-II中，使用信号量、消息邮箱和消息队列这些数据结构来作为中间媒介进行通信。

14.掌握各种同步与通信方法的区别以及他们各自适用的情况？

信号量：为共享资源设立一个表示该资源被占用情况的标志

互斥信号量：主要用于独占式共享资源的管理，同时用于解决优先级反转问题

消息邮箱：用于任务间的数据传递问题

消息队列：用于解决任务间多个数据的传递问题

15.优先级反转问题以及在ucos-II中的解决方法？

优先级反转：任务优先级低的任务先于任务优先级高的任务运行

出现的原因：因为一个优先级别较低的任务在获得了信号量使用共享资源期间被具有较高优先级的任务所打断而不能释放信号量，从而使正在等待这个信号量的更高优先级的任务因得不到信号量而被迫处于等待

状态，在这个等待期间，就让优先级低的任务先运行了。

解决的办法：使获得信号量的任务的优先级在使用共享资源期间暂时提升到所有任务最高优先级的高一个级别上，以使该任务不被其他任务多打断，从而能尽快的使用完共享资源并释放信号量，然后在释放了信号

量之后，再恢复该任务原来的优先级别。在μC/OS-II中，通过互斥信号量来解决这个问题。

16.信号量集是为了解决什么问题？

在实际应用中，任务常常需要与多个事件同步，即要根据多个信号量的组合作用的结果来决定任务的运行方式。μC/OS-II为了实现多个信号量组合的功能定义了一种特殊的数据结构——信号量集。