嵌入式操作系统复习

μC/OS-II

?Micrium公司产品

?公开源码（教育免费，商业收费）

?实时操作系统

?基于优先级抢占式多任务调度

?功能不完善：多任务管理和简单内存管理

?内核精简：几KB～几十KB

?可裁减性好、可移植性好

?最新版本2.86

?工具链：GCC, Keil MDK-ARM, IAR EWARM等

第一章

操作系统：一组控制和管理计算机软、硬件资源，为用户提供便捷使用计算机的程序的集合，是连接硬件和软件的桥梁

作用：OS作为用户与计算机之间的接口；OS作为计算机系统资源的管理者；

对资源的管理体现在：

（1）处理机管理——用于分配和控制处理机

（2）存储器管理——主要负责内存的分配和回收

（3）I/o设备管理——负责I/O设备的分配与操纵

（4）文件管理——负责文件的存取、共享和保护。

特点：并发性、共享性、虚拟性和不确定性（异步）；

构成：任务管理、存储器管理、设备管理、文件管理、用户接口

1、什么是嵌入式操作系统

嵌入式操作系统（E OS）

一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，是嵌入式系统极为重要的组成部分

通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面等具有通用操作系统的基本特点

能够有效管理越来越复杂的系统资源

能够把硬件虚拟化，简化的驱动程序移植和维护

能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序

2、嵌入式操作系统的优缺点

?优点(利大于弊）

程序的设计和扩展变得容易，移植性好

任务分析成模块，简化应用程序的设计

对实时性要求苛刻的事件得到了快速、可靠的处理

通过有效的系统服务，使得系统资源得到更好的利用

?缺点

额外的存储开销

2~5%的CPU额外负荷

内核的费用

3、嵌入式操作系统的构成

1)初始化工作

a)应用初始化：初始化任务的运行环境

b)请求分配内存

c)创建任务

d)创建队列

e)创建管道

f)创建事件组

g)创建信号量

h)注册中断处理程序

2)多任务管理

任务管理是嵌入式操作系统的核心

a)任务控制例程

b)任务调度

c)任务调度策略

d)任务状态设置

e)任务通信

3)内存管理

4)I/O管理

5)文件系统

6)图形用户接口

7)备注：操作系统内核包括：任务管理、内存管理

4、嵌入式系统的组成

?嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成

?硬件以微处理器为核心集成存储器和系统专用的输入/输出设备

?软件包括：初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。

5、嵌入式操作系统与通用操作系统的区别

?嵌入式系统是不同于通用计算机系统的一种专用计算机系统

?不以独立的物理设备的形态出现，即：它没有一个统一的外观，它的部件根据主体设备以及应用的需要，嵌入在该设备的内部，发挥着运算、处理、存储以及控制等作用。

书本P7 区别体现在：

（1）地址空间

（2）内存管理

（3）应用方式

课件：

通用计算机与嵌入式系统对比

6、嵌入式系统的一些特点

嵌入式操作系统在嵌入式系统中并不是必须的

1、嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的

1)一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、

去除冗余，而通用计算机则是一个通用的计算平台。

2)它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用微处理器

中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部。

3)嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序。

2、嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体系结构的支持

1)通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构，而且主要掌握在少数大公司

手里。

2)嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器体系结构。

3)在嵌入式微处理器产业链上，IP设计、面向应用的特定嵌入式微处理器的设

计、芯片的制造已相成巨大的产业。大家分工协作，形成多赢模式。

4)有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微处理器体系结构可以选择。

3、嵌入式系统通常极其关注成本

4、嵌入式系统有实时性和可靠性的要求

1)一方面大多数实时系统都是嵌入式系统

2)另一方面嵌入式系统多数有实时性的要求，软件一般是固化运行或直接加载

到内存中运行，具有快速启动的功能。并对实时的强度要求各不一样，可分

为硬实时和软实时。

3)嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能，特别是对于一些在极端

环境下运行的嵌入式系统而言，其可靠性设计尤其重要。

4)在大多数嵌入式系统的软件中一般都包括一些机制，比如硬件的看门狗定时

器，软件的内存保护和重启动机制。

5、嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、

可固化的嵌入式操作系统

1)由于嵌入式系统应用的特点，像嵌入式微处理器一样，嵌入式操作系统也是

多姿多彩的。

2)大多数商业嵌入式操作系统可同时支持不同种类的嵌入式微处理器。

3)可根据应用的情况进行剪裁、配置。

4)嵌入式操作系统规模小，所需的资源有限如内核规模在几十KB。

5)一般包括一个实时内核，其调度算法一般采用基于优先级的可抢占的调度算

法。

6)目前一些操作系统还提供了HA（High Available）机制。

7)嵌入式操作系统能与应用软件一样固化运行。

6、嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法

a)多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并行设计和开发，其开发过程一般分为几

个阶段：

1)产品定义

2)软件与硬件设计与实现

3)软件与硬件集成

4)产品测试与发布

5)维护与升级

?由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，产品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改，必须有一套专门的开发环境。

?该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、调试、测试等工具），采用交叉开发的方式进行

7、嵌入式操作系统的特点P6

1)可裁剪性

2)强实时性

3)可移植性

4)可扩展性

8、μC/OS-Ⅱ的特点

1)有源代码源代码公开的实时操作系统

2)可移植性

μC/OS-Ⅱ的源代码使用一致性很强的ANSI C编写，与微处理器相关的代码使用

汇编语言编写的。

3)可固化

只要是具备合适的系列软件工具，就可以将μC/OS-Ⅱ嵌入到产品中作为产品的

一部分

4)可裁剪

用户可以在应用程序中通过语句#define constants来定义所需的μC/OS-Ⅱ功能

模块，以减少不必要的存储空间的开支

5)可剥夺性

μC/OS-Ⅱ是完全可剥夺的实时型内核，即μC/OS-Ⅱ总是运行就绪条件下优先

级最高的任务

6)多任务

μC/OS-Ⅱ可以管理64个任务，支持56个用户任务，8个系统保留任务。赋予

每个任务的优先级必须是不同的，这意味着μC/OS-Ⅱ不支持时间片轮转调度算

法

7)可确定性

绝大多数μC/OS-Ⅱ的函数调用和服务执行时间具有可确定性。用户可以知道执

行了多长时间

8)任务栈

μC/OS-Ⅱ的每个任务都有自己的任务栈，它允许每个任务有不同的栈空间

9)系统服务

μC/OS-Ⅱ提供很多系统服务，如信号量、事件标志、消息邮箱、消息队列、块

儿大小固定的内存申请与释放及时间管理函数等。

10)中断管理

中断可以使正在执行的任务暂时挂起。如果μC/OS-Ⅱ优先级更高的任务被该中

断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套的数量

可以达到255层。

9、嵌入式系统、嵌入式操作系统的区别

第二章

1、嵌入式软件的交叉开发环境

?交叉开发环境是指用于嵌入式软件开发的所有工具软件的集合，一般包括文本编辑器、交叉编译器、交叉调试器、仿真器、下载器等工具。

?交叉开发环境由宿主机和目标机组成，宿主机与目标机之间在物理连接的基础上建立起逻辑连接。

宿主机（Host）：是用于开发嵌入式系统的计算机。一般为PC机（或者工作站），具备丰富的软硬件资源，为嵌入式软件的开发提供全过程支持。

目标机（Target）：即所开发的嵌入式系统，是嵌入式软件的运行环境，其硬件软件是为特定应用定制的。

在开发过程中，目标机端需接收和执行宿主机发出的各种命令如设置断点、读内存、

写内存等，将结果返回给宿主机，配合宿主机各方面的工作。

?物理连接和逻辑连接

物理连接是指宿主机与目标机通过物理线路连接在一起，连接方式主要有三种：串口、以太口和OCD（On Chip Debug）方式如JTAG、BDM等。

物理连接是逻辑连接的基础。

逻辑连接指宿主机与目标机间按某种通信协议建立起来的通信连接，目前逐步形成了一些通信协议的标准。

2、交叉编译技术

把在宿主机上编写的高级语言程序编译成可以运行在目标机上的代码，即在宿主机上能够编译生成另一种CPU（嵌入式微处理器）上的二进制程序。

3、具体有哪些调试技术，有哪些特征、区别

?交叉调试器：

是指调试程序和被调试程序运行在不同机器上的调试器, 调试器通过某种方式能控制目标机上被调试程序的运行方式，并且通过调试器能查看和修改目标机上的内存、寄存器以及被调试程序中的变量等。

?非交叉调试：

是指仿真开发方式，用软件模拟目标机硬件资源环境来进行调试软件。

交叉调试方式

Crash and Burn

Rom Monitor

Simulator方式（非交叉）

交叉开发的缺点：

?硬件支持必须有目标机或评估板

?易使用性普通编程人员不熟悉

?廉价性成本高

?可移植性、可扩展性不高

?团队开发较难

?开发周期较长

第三章

1、任务

指拥有所有CPU资源的简单程序。

实时应用程序的设计与实现过程，主要包括如何把问题分割成多个任务，每个任务都是整个应用的某一部分，每个任务被赋予一定的优先级，有一套CPU寄存器和栈空间

2、任务的管理

典型的实时系统中，每个任务都是一个无限的循环。

每时每刻每个任务都处在以下5种状态之一，这5种状态是休眠态，就绪态、运行态、挂起态和被中断态。

任务的五个状态

睡眠态、就绪态、运行态、等待态、中断服务状态。

任务状态的转换。

?任务控制块OS_tcb，主要包括：

任务堆栈指针

状态

优先级

任务表位置

任务链表指针等

?所有的任务控制块分为两条链表

空闲链表

使用链表

任务切换及上下文切换的区别，任务切换是否包含上下文切换

任务调度的方式剥夺和非剥夺

什么是剥夺什么是非剥夺

什么是可重入代码

模块与模块是否共享，如果有共享则要考虑执行顺序

优先级反转是什么，如何解决优先级反转

同步、互斥（消息邮箱、信号量之类的，在后面章节）

第四章

μC/OS-Ⅱ的优缺点，如何运行，有哪些特点、实时性强强在哪里

μC/OS-Ⅱ的结构分成几块（书中有图）

具体函数的调用

与应用相关的（配置文件、？）

整个内核结构要清楚

重点：μC/OS-Ⅱ里面的任务队列如何刮泥、如何调度、就绪

如何实现，如何查找优先级，如何删除行、列

入队、出队、选择最高优先级

具体任务切换的工作流程

中断，具体函数的使用

嵌套中断如何实现

中断服务程序

中断处理的流程

μC/OS-Ⅱ的初始化过程，必须做哪些工作

（任务控制块、存储管理模块等、还有变量等的初始化

任务的建立、空闲任务

实时操作系统中的任务调度算法

图、谁先执行谁后执行

（执行时间/周期时间）≤1 则说明是可调度的

第五章

有关任务管理所涉及到的接口，基本的应用

创建一个任务首先要

μC/OS-Ⅱ有哪些状态

任务间的通信问题，所有的同步以事件为基础

如何从邮箱中

如何建立消息队列、如何生成消息队列

互斥信号量如何解决优先级反转

如何解决优先级反转

第七章

内存管理采用什么方式

具体的数据结构

时钟的延时操作

第二次课：

重点：

作业：

1、画出μC/OS-II中的中断处理过程图。

2、简述μC/OS-II中的中断服务子程序的功能。

3、列举5项可以提高嵌入式系统实时效果的内核技术。

4、简述运用查表法将某就绪的任务插入就绪任务表。比如任务优先级为29。

5、简述运用查表法选出优先级最高的任务的步骤。

6、简述将某就绪的任务移出就绪任务表。比如任务优先级为37。

习题：

?请运用相关算法，实现以下操作：

1、从等待任务列表中删除一个优先级为26任务

2、在等待任务列表中查找最高优先级的任务（假定当前OSEventGrp的值是112）

3、将一个任务插入到事件的等待任务列表中（假定该任务优先级为18）

提示：

（1）写出算法的每一步表达式的值

（2）参考课件中查表算法及表值

? 1. 调用OSSemCreate(10)创建一个信号量，给出相应信号量事件的数据结构示意图。

2.一个信号量当前计数器的值为4，且有5个等待任务，等待任务的优先级分别为5，

10，14，19，52，给出相应信号量事件的数据结构示意图。

3.用信号量实现一个生产者一个消费者共享一个缓冲区的同步问题。

作业：

编写一个应用程序，在一个任务中，每隔2秒钟，通过调用系统函数OSTimeGet( ) 获取当前绝对时钟，当时钟到达界限时，通过调用OSTimeSet( )进行绝对时钟的清零。