第1章 嵌入式操作系统应用基础1.docx
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第1章嵌入式操作系统应用基础1
第1章嵌入式操作系统的概念
1.1操作系统的概念和结构
1.1.1操作系统的概念
操作系统的英文表示是“operatingsystem,简称OS”,是位于计算机硬件上的第一层软件,是计算机硬件与应用程序之间的接口,也是用户与计算机硬件之间的接口.
通过操作系统,用户可以很方便在图形化的界面下使用计算机的各种硬件资源、各种外设。
如果没有操作系统,用户只能自己去和各种各样的硬件直接打交道,而这对于普通的电脑用户来说是难以做到的。
现在Windows上的各种各样功能强大、界面漂亮的应用程序也是要在操作系统的支持下才能运行。
可以想象,没有了操作系统的电脑将是多么难以使用。
人们通过各种不同的软件指挥计算机硬件工作来完成所需的完成的任务,他利用计算机自身的能力来管理计算机资源和控制计算机的操作。
操作系统是计算机中最基本,最重要的软件,它的作用主要是:
(1)操作系统提供了对硬件的有效支持,可以实现接受输入设备的信息、能够控制输出设备输出信息、驱动硬件设备工作等功能,同时对硬件设备进行有效的管理,使得不同的软件能够共享同一个硬件设备。
(2)对计算机系统软件资源进行有效的管理和控制,协助用户快速从众多的程序中找到并运行所需的程序。
同时其他的软件都是建立在操作系统之上的,操作系统为他们提供统一的管理支持,使程序的运行更通畅。
(3)为用户提供与计算机交互的工作环境,使得用户能更方便、有效的操作计算机。
现在,我们只需要通过一些简单的鼠标操作就可以指挥计算机工作,这实际上是操作系统操控的。
因此,操作系统是管理,控制和调度计算机硬、软件资源,合理地组织计算机的工作流程,又能为用户提供多种服务的一种程序系统。
1.1.2操作系统
操作系统是直接控制和管理计算机系统硬件和软件资源,以方便用户充分而有效地利用计算机资源的程序集合。
其基本目的有两个,一是操作系统要方便用户使用计算机,为用户提供一个清晰、整洁、易于使用的友好界面。
二是操作系统应尽可能地使计算机系统中的各种资源得到合理而充分的利用。
操作系统在计算机系统中,处于系统软件的核心地位,是用户和计算机系统的界面。
每个用户都是通过操作系统来使用计算机的。
每个程序都要通过操作系统获得必要的资源以后才能执行。
例如,程序执行前必须获得内存资源才能装入;程序执行要依靠处理机;程序在执行时需要调用子程序或者使用系统中的文件;执行过程中可能还要使用外部设备输入输出数据。
操作系统将根据用户的需要,合理而有效地进行资源分配。
1.1.3计算机系统的资源
计算机系统由硬件系统和软件系统组成。
相应地,计算机系统的资源包括硬件资源和软件资源两大部分。
硬件资源包括中央处理机(CPU),存储器(主存储器和各种辅助存储器)和各种输入输出设备。
软件资源又称为信息资源,包括各种程序和数据,程序库,数据库系统和共享文件等等。
软件资源存放在存储器中供用户使用下。
1.1.4操作系统结构
一个计算机系统可以分为如下的四个层次。
硬件层、操作系统层、系统软件和应用程序层。
如图(1-1):
图1-1
每一层都表示一组功能和一个界面,表现为一种单向服务的关系,即上一层的软件必须以事先约定的方式使用下一层软件或者硬件提供的服务。
(1)硬件层。
包括各种硬件资源。
它的对外界面由机器指令系统组成,是操作系统工作的基础。
操作系统及其外层软件通过执行机器指令访问和控制各种硬件资源。
(2)操作系统层。
操作系统是对硬件的首次扩充。
它的对外界面是系统调用或者系统服务。
实用软件层及应用程序层通过系统调用使用计算机资源。
对最终用户,可以通过系统命令利用操作系统的功能。
(3)系统软件。
系统软件的功能是为应用层软件及最终用户处理自己的程序或者数据提供服务。
它是计算机系统的基本组成部分,通常包括各种语言的编译程序,文本编辑程序,调试程序,连接编辑程序,系统维护程序,文本加密程序,终端通信程序以及图文处理软件,数据库管理系统软件等。
(4)计算机系统的最外层是应用层。
包括用户在操作系统和实用软件支持下自己开发的应用程序,以及软件厂家为行业用户开发的专用应用程序包(例如财务软件)等等。
是最终用户使用的界面。
1.2操作系统的功能和主要特征
1.2.1操作系统的功能
1.进程管理
进程管理主要是对处理器进行管理。
CPU是计算机系统中最宝贵的硬件资源。
为了提高CPU的利用率,操作系统采用了多道程序技术。
当一个程序因等待某一条件而不能运行下去时,就把处理器占用权转交给另一个可运行程序。
或者,当出现了一个比当前运行的程序更重要的可运行的程序时,后者应能抢占CPU。
为了描述多道程序的并发执行,就要引入进程的概念。
通过进程管理协调多道程序之间的关系,解决对处理器实施分配调度策略、进行分配和进行回收等问题,以使CPU资源得到最充分的利用。
2.存储管理
存储管理主要管理内存资源。
随着存储芯片的集成度不断地提高、价格不断地下降,一般而言,内存整体的价格已经不再昂贵了。
不过受CPU寻址能力以及物理安装空间的限制,单台机器的内存容量也还是有一定限度的。
当多个程序共享有限的内存资源时,会有一些问题需要解决,比如,如何为它们分配内存空间,同时,使用户存放在内存中的程序和数据彼此隔离、互不侵扰,又能保证在一定条件下共享等问题,都是存储管理的范围。
3.文件管理
系统中的信息资源(如程序和数据)是以文件的形式存放在外存储器(如磁盘、光盘和磁带)上的,需要时再把它们装入内存。
文件管理的任务是有效地支持文件的存储、检索和修改等操作,解决文件的共享、保密和保护问题,以使用户方便、安全地访问文件。
操作系统一般都提供很强的文件系统存储管理主要管理内存资源。
4.作业管理
操作系统应该向用户提供使用它自己的手段,这就是操作系统的作业管理功能。
按照用户观点,操作系统是用户与计算机系统之间的接口。
因此,作业管理的任务是为用户提供一个使用系统的良好环境,使用户能有效地组织自己的工作流程,并使整个系统能高效地运行。
括任务管理、界面管理、人机交互、图形界面、语音控制和虚拟现实等。
5.设备管理
操作系统应该向用户提供设备管理。
设备管理是指对计算机系统中所有输入输出设备(外部设备)的管理。
设备管理不仅涵盖了进行实际I/O操作的设备,还涵盖了诸如设备控制器、通道等输入输出支持设备。
除了上述功能之外,操作系统还要具备中断处理、错误处理等功能。
操作系统的各功能之间并非是完全独立的,它们之间存在着相互依赖的关系存储管理主要管理内存资源。
1.2.2操作系统的主要特征
1.2.2.1操作系统的特征
为了提高计算机系统的效率,增强系统的处理能力,最大限度地提高资源利用率,并方便用户使用,现代操作系统广泛采用了并行操作技术,使硬件和软件并行工作。
因此,以多道程序为基础的现代操作系统具有以下特征:
1.并发性
并发是两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生。
对于程序而言,并发也就是多道程序在同一时间间隔内同时执行。
对于单处理机系统而言,程序并发执行实际上是多道程序在一个很小的时间段内交替执行。
而宏观上看,它们似乎是在同时进行,即并发执行。
实现并发性,使操作系统变得复杂。
因为要考虑,如何从一个程序转到另一个程序,如何保护一个程序不受另一个程序侵扰,以及如何实现相互制约等。
单处理机系统中,每一时刻只能执行一道程序,因此微观上这些程序是交替执行的,作业1和作业2交替执行,如图(1-2):
图1-2
2.共享性
共享性就是资源共享,即计算机系统中的硬、软件资源供所有授权程序或用户共同使用。
实际上,由于系统中的资源有限,当多道程序并发执行时,必然要共享系统中的硬、软件资源。
因此,程序并发执行必然依赖于资源共享机制的支持。
如图(1-3):
图1-3
3.虚拟性
所谓虚拟,是采用某种方法把一个物理实体映射为一个或者多个逻辑实体。
前者是客观存在的,后者只是在感觉或效果上存在。
例如在多道程序系统中,虽然只有一个CPU,每次只能执行一道程序;但是采用多道程序技术后,在一段时间内,宏观上看,有多个程序在运行,似乎是多个CPU在运行各自的程序。
也就是说,一个物理上的CPU虚拟为多个逻辑上的CPU,即虚拟处理机。
类似的还有虚拟存储器、虚拟外围设备等。
1.2.2.2操作系统的分类
操作系统的分类有多种方法,最常用的方法是按照操作系统所提供的功能进行分类。
可以分为以下几类。
1.单用户操作系统
其主要特征是,在一个计算机系统内,一次只能支持运行一个用户程序。
此用户独占计算机系统的全部硬件、软件资源。
早期的微机操作系统例如DOS是这样的操作系统。
2.处理操作系统
用户把要计算的问题、数据、作业说明书等一起交给系统操作员,由他将一批算题输入计算机,然后由操作系统控制执行。
采用这种批处理作业技术的操作系统称为批处理操作系统。
这类操作系统又分为批处理单道系统和批处理多道系统。
3.实时操作系统
“实时”是“立即”的意思。
典型的实时操作系统包括过程控制系统、信息查询系统和事务处理系统。
实时系统是较少有人为干预的监督和控制系统。
其软件依赖于应用的性质和实际使用的计算机的类型。
实时系统的基本特征是事件驱动设计,即当接到某种类型的外部信息时,由系统选择相应的程序去处理。
4.分时操作系统
这是一种使用计算机为一组用户服务,使每个用户仿佛自己有一台支持自己请求服务的计算机的操作系统。
分时操作系统的主要目的是对联机用户的服务和相应。
其具有同时性、独立性、及时性、交互性。
分时操作系统中,分时是指若干道程序对CPU的分时,通过设立一个时间分享单位--时间片来实现。
分时操作系统与实时操作系统的主要差别在交互能力和响应时间上。
分时系统交互行强,而实时系统响应时间要求高。
5.网络操作系统
提供网络通信和网络资源共享功能的操作系统称为网络操作系统。
它是负责管理整个网络资源和方便网络用户的软件的集合。
网络操作系统除了一般操作系统的五大功能之外,还应具有网络管理模块。
后者的主要功能是,提供高效而可靠的网络通信能力;提供多种网络服务,如远程作业录入服务,分时服务,文件传输服务等。
6.布式操作系统
分布式系统是由多台微机组成且满足如下条件的系统:
(1)系统中任意两台计算机可以通过通信交换信息;
(2)系统中的计算机无主次之分;
(3)系统中的资源供所有用户共享;
(4)一个程序可以分布在几台计算机上并行地运行,互相协作完成一个共同的任务。
用于管理分布式系统资源的操作系统称为分布式操作系统。
当前,微型机常用的操作系统有UNIX、Linux、Windows9X、WindowsNT,WindowsXP、WindowsVista其中Windows系列操作系统以其友好的人机界面已取代DOS成为微机的主流操作系统。
1.3嵌入式操作系统
1.3.1嵌入式操作系统的概念
嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件,它是嵌入式开发(包括硬、软件系统)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、标准化浏览器等。
嵌入式开发操作系统具有通用操作系统的基本特点,如能够有效管理越来越复杂的系统资源;能够把硬件虚拟化,使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来;能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。
与通用操作系统相比,嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。
1.3.2嵌入式操作系统的种类
一般情况下,嵌入式开发操作系统可以分为两类,一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统,如windriver公司的vxworks、isi的psos、qnx系统软件公司的qnx、ati的nucleus等;另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统,这类产品包括个人数字助理(pda)、移动电话、机顶盒、电子书、webphone等。
1.3.3嵌入式操作系统的发展
嵌入式技术的发展,大致经历了四个阶段。
第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统,同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。
这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中,一般没有操作系统的支持,通过汇编语言编程对系统进行直接控制,运行结束后清除内存。
第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。
这一阶段的操作系统具有一定的兼容性和扩展性,但用户界面不够友好。
第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。
这一阶段系统的主要特点是:
嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上,兼容性好;操作系统内核精小、效率高,并且具有高度的模块化和扩展性;具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能;具有大量的应用程序接口(API),开发应用程序简单;嵌入式应用软件丰富。
第四阶段是以基于Internet为标志的嵌入式系统,这是一个正在迅速发展的阶段。
目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外,但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切,嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。
1.嵌入式系统的开发人员对操作系统的依赖性
早期的硬件设备很简单,软件的编程和调试工具也很原始,与硬件系统配套的软件都必须从头编写。
程序大都采用宏汇编语言,调试是一件很麻烦的事。
随着系统越来越复杂,操作系统就显得很必要。
如图(1-4)
图1-4
(1)操作系统能有效管理越来越复杂的系统资源。
(2)操作系统能够把硬件虚拟化,使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来。
(3)操作系统能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。
2.嵌入式操作系统的特点
与其他类型的操作系统相比,嵌入式操作系统具有以下一些特点。
(1)体积小。
嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统,它不具备像硬盘那样大容量的存储介质,而大多使用闪存(FlashMemory)作为存储介质。
这就要求嵌入式操作系统只能运行在有限的内存中,不能使用虚拟内存,中断的使用也受到限制。
因此,嵌入式操作系统必须结构紧凑,体积微小。
(2)实时性。
大多数嵌入式系统都是实时系统,而且多是强实时多任务系统,要求相应的嵌入式操作系统也必须是实时操作系统(RTOS)[8]。
实时操作系统作为操作系统的一个重要分支已成为研究的一个热点,主要探讨实时多任务调度算法和可调度性、死锁解除等问题。
(3)特殊的开发调试环境。
提供完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开发人员所期待的。
一个完整的嵌入式系统的集成开发环境一般需要提供的工具是编译/连接器、内核调试/跟踪器和集成图形界面开发平台。
其中的集成图形界面开发平台包括编辑器、调试器、软件仿真器和监视器等。
3.嵌入式操作系统的发展状况
嵌入式操作系统主要有Vxwork、QNX、PalmOS、WindowsCE、Linux等。
(1)WindowsCE:
MicrosoftWindowsCE是一个简洁的,高效率的多平台操作系统。
它不是削减的Windows95版本,而是从整体上为有限资源的平台设计的多线程,完整优先权,多任务的操作系统。
它的模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。
操作系统的基本内核需要至少200K的ROM。
从SEGA的DreamCast游戏机到现在大部分的高价掌上电脑,都采用了WindowsCE。
(2)VxWorks:
VxWorks是目前嵌入式系统领域中使用非常广泛,嵌入式Vxworks系统的主要应用领域主要有以下几方面:
数据网络:
如:
以太网交换机、路由器、远程接入服务器等。
远程通讯:
如:
电信用的专用分组交换机和自动呼叫分配器,蜂窝电话系统等。
医疗设备:
如:
放射理疗设备。
消费电子:
如:
个人数字助理等。
交通运输:
如:
导航系统、高速火车控制系统等。
工业:
如:
机器人。
航空航天:
如:
卫星跟踪系统。
多媒体:
如:
电视会议设备。
计算机外围设备:
如:
X终端、I/O系统等。
VxWorks的系统结构是一个相当小的微内核的层次结构。
内核仅提供多任务环境、进程间通信和同步功能。
这些功能模块足够支持VxWorks在较高层次所提供的丰富的性能的要求。
采用GNU的编译和调试器。
(3)pSOS:
ISI公司已经被WinRiver公司兼并,现在是属于WindRiver公司的产品。
这个系统是一个模块化,高性能的实时操作系统,专为嵌入式微处理器设计,提供一个完全多任务环境,在定制的或是商业化的硬件上提供高性能和搞可靠性。
可以让开发者将操作系统的功能和内存需求定制成每一个应用所需的系统。
开发者可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。
(4)QNX:
QNX是一个实时的,可扩充的操作系统,它遵循POSIX.1(程序接口)和POSIX.2(Shell和工具)、部分遵循POSIX.1b(实时扩展)。
它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。
其内核仅提供4种服务:
进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理,其进程在独立的地址空间运行。
所有其它OS服务,都实现为协作的用户进程,因此QNX内核非常小巧(QNX4.x大约为12Kb)而且运行速度极快。
这个灵活的结构可以使用户根据实际的需求将系统配置成微小的嵌入式操作系统或是包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。
(5)PalmOS:
3Com公司的PalmOS在PDA市场上占有很大的市场份额,它有开放的操作系统应用程序接口(API),开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。
目前已经有总共3500多个应用程序可以运行在PalmPilot上,其中大部分应用程序均为其他厂商和个人所开发,使得PalmPilot的功能得以不断增多。
这些软件包括计算器、各种游戏、电子宠物、地理信息等等。
在开发环境方面,可以在Windows95/98,WindowsNT以及Macintosh下安装PalmPilotDesktop;PlamPilot可以与流行的PC平台上的应用程序如Word,Excel等进行数据交换。
(6)OS-9:
Microwave的OS-9是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统,广泛应用于高科技产品中,包括消费电子产品,工业自动化,无线通讯产品,医疗仪器,数字电视/多媒体设备中。
它提供了很好的安全性和容错性。
与其他的嵌入式系统相比,它的灵活性和可升级性非常突出。
(7)LynxOS:
LynxReal-timeSystems的LynxOS是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统,它遵循POSIX.1a、POSIX.1b和POSIX.1c标准。
LynxOS支持线程概念,提供256个全局用户线程优先级;提供一些传统的,非实时系统的服务特征;包括基于调用需求的虚拟内存,一个基于Motif的用户图形界面,与工业标准兼容的网络系统以及应用开发工具。
(8)Linux:
Linux是一套以UNIX为基础发展而成的操作系统。
自1991年诞生至今,Linux在很多方面已经赶上甚至超过了很多商用的UNIX系统。
它充分利用了x86CPU的任务切换机制,实现了真正的多任务、多用户环境。
Linux对硬件配置的要求相当低,能够在4M内存的386机器上很好的运行。
而且可以支持很多种处理器芯片。
此外更为重要的是,很多高手愿意在Linux上开发程序,而且有很多高手随时对Linux的开放内核进行升级和修补,很多bug可以很快得到检测和修复。
在应用于嵌入式系统方面,Linux小得可以放在一张软盘上运行;为实时系统而开发的变种RTLinux(Real-TimeLinux),可以让Linux支持硬实时任务;Linux的开放式开发原则使得Linux下的驱动和升级变得越来越多和越来越快。
(9)μC/OS
uC/OS—II的开发者是JeanJ.Labrosse,他于1992年推出了叫做uC/OS的第一个版本·
后来,在此基础上经过修改和扩充之后又推出了第二版,并称做uC/OS—II。
这个版本以其精巧、实用而受到了业界及教育界的欢迎。
本书采用的是
μC/OS-II最主要的特点就是源码公开的自由软件。
这一点对于用户来说可谓利弊各半;好处在于,一方面它是免费的;另一方面用户可以根据自己的需要对它进行修改。
坏处在于,它缺乏必要的支持。
它没有功能强大的软件包,用户通常得自己编写驱动程序,特别当用户使用的是不太常用的单片机,还必须自己编写移植程序。
可移植性(Portable)
绝大部分μC/OS-Ⅱ的源码是用移植性非常强的ANSIC写的。
和微处理器硬件相关的那部分是用汇编语言写的。
汇编语言写的部分已压到最低限度,使得μC/OS-Ⅱ便于移植到其他微处理器上。
如同μC/OS相同,μC/OS-Ⅱ能移植到许多微处理器上。
条件是,只要该微处理器有堆栈指针,由CPU内部寄存器入栈、出栈指令。
另外,使用的C编译器必须支持内嵌汇编(inlineassembly)或该C语言可扩展、可连接汇编模块,使得关中断、开中断能在C语言程式中实现。
μC/OS-Ⅱ能在绝大多数8位、16位、32位以至64位微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)上运行。
从移植了的μC/OS升级到μC/OS-Ⅱ,全部工作一个小时左右就可完成。
因为μC/OS-Ⅱ和μC/OS是向下兼容的,应用程式从μC/OS升级到μC/OS-Ⅱ几乎不必改动或根本不必改动。
移植的范例能从互连网上找到,网址是www.uCOS-Ⅱ.com。
可固化(ROMable)
μC/OS-Ⅱ是为嵌入式应用而设计的,这就意味着,只要读者有固化手段(C编译、连接、下载和固化),μC/OS-Ⅱ能嵌入到读者的产品中成为产品的一部分。
可裁剪(Scalable)
能只使用μC/OS-Ⅱ中应用程式需要的那些]系统服务。
也就是说某产品能只使用非常少几个μC/OS-Ⅱ调用,而另一个产品则使用了几乎所有μC/OS-Ⅱ的功能。
这样能减少产品中的]μC/OS-Ⅱ所需的存储空间(RAM和ROM),这种可裁剪性是靠条件编译实现的。
只要在用户的应用程式中(用#defineconstants语句)定义哪些μC/OS-Ⅱ中的功能是应用程式需要的就能了。
程式和数据两部分的存储用量已被最大努力的压低了。
占先式(Preemptive)
μC/OS-Ⅱ完全是占先式的实时内核。
这意味着μC/OS-Ⅱ总是运行就绪条件下优先级最高的任务。
大多数商业内核也是占先式的,μC/OS-Ⅱ在性能上和他们类似。
多任务
μC/OS-Ⅱ能管理64个任务,然而,目前这一版本保留8个给系统。
应用程式最多能有56个任务。
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法(Round-robinScheduling)。
该调度法适用于调度优先级平等的任务。
可确定性
全部μC/OS-Ⅱ的函数调用和服务的执行时间具有其可确定性。
也就是说,全部μC/OS-Ⅱ的函数调用和服务的执行时间是可知的。
进而言之,μC/OS系统服务的执行时间不依赖于应用程式任务的多少。
任务栈
每个任务有自己独立的栈,μC/OS-Ⅱ允许每个任务有不同的栈空间。
以便压低应用程式对RAM的需求。
使用μC/OS-Ⅱ的栈空间校验函数,能确定每个任务到底需要多少栈空间。
系统服务
μC/OS-Ⅱ提供非常多系统服务,例如邮箱、消息队列、信号量、块大小固定的内存的申请和释放、时间相关函数等。
中断管理
中断克以使正在执行的任务暂时挂起。
如果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即时执行,中断嵌套层数可达255层。
稳定性和可靠性
μC/OS-Ⅱ是基于μC/OS的,μC/OS自199
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