分类： 嵌入式
2009-07-28 22:31:41
第二章 实时操作系统概念
实时操作系统的特点是：如果逻辑和时序出现了偏差，将会引起严重后果。
软实时系统和硬实时系统：在软实时系统的宗旨里面，各个任务尽快的运行，而不要求限定某一个任务在多长时间内完成；在硬实时系统中，各任务不仅必须执行无误，而且要做到准时。
大多数实际的系统都是两者的结合。
前后台系统（超循环系统）：应用程序是个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为。中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为。后台叫做任务级，前台叫做中断级。
代码的临界段（临界区）：指处理时不可分割的代码。一旦这部分代码开始执行，则不允许任何中断打入。
资源：任何为任务所占用的实体都可以称为资源。
共享资源：可以被一个以上任务使用的资源叫做共享资源。
互斥：为了防止数据被破坏，每个任务在与共享资源打交道时，必须独占该资源。
多任务：多任务运行的实际上是靠CPU在许多任务之间转换和调度。CPU只有一个,轮流服务于一系列任务中的某一个。
任务：一个任务，也称做一个线程，是一个简单的程序，该程序可以认为CPU完全只属于该程序自己。实时应用程序的设计过程包括如何把问题分割成多个任务。
任务的状态：
（1） 休眠态：任务驻留在内存，却不被多任务内核所调度；
（2） 就绪态：任务已经准备好，可以运行，但优先级比当前任务低；
（3） 运行态：指任务掌握了CPU的使用权，正在运行中；
（4） 挂起态（等待事件态）：指任务在等待，等待某一事件的发生；
（5） 被中断状态：发生中断时，CPU会中断原来正在运行的任务，该任务就进入被中断状态。
任务切换（上下文切换）：context switch实际含义是任务切换，或CPU寄存器内容切换。当多任务内核决定运行另外的任务时，它保存正在运行的任务的当前状态（context），即CPU的全部内容，这些内容保存在任务的当前状况保存区(task’s context storage area)中。入栈工作完成后，就把下一个将要运行的任务的当前状态从该任务的堆栈中重新装入CPU的寄存器，并开始下一个任务的运行，这一个过程叫做任务切换。
任务切换过程增加了应用程序的额外负荷,CPU的内部寄存器越多，额外负荷就越重。
内核：多任务系统中，内核（kernel）负责管理多个任务，或者说为每个任务分配CPU时间，并且负责任务间的通信。内核提供的基本服务是任务切换。使用内核可以大大简化应用系统的设计，因为实时内核允许将应用分成若干个任务，由实时内核来管理它们。内核本身也增加了应用程序的额外负荷，因为内核提供的服务需要一定的执行时间。额外负荷的量取决于用户多久调用一次这类服务。
设计的好的应用系统，内核占用2%-5%，内核会增加ROM的用量，内核的数据结构会增加RAM（数据空间的用量），更主要的是，每个任务自己的栈空间，这部分占用内存相当多。
调度（schedulers）：英文还有一词dispatcher，也是调度的意思。这是内核的主要职责之一，就是决定该轮到哪个任务运行了。多数实时内核是基于优先级调度的。
不可剥夺型内核（non-preemptive kernel）：要求每个任务主动放弃CPU的使用权。不可剥夺型调度法也叫合作型多任务。优点：（1）响应中断块；（2）几乎无须使用信号量保护共享数据；最大缺陷：响应时间。
可剥夺型内核：最高任务一但就绪，总能得到CPU的使用权。
注意：使用可剥夺型内核的时候，应用程序不可直接使用不可重入函数。
可重入函数：可以被一个或以上的任务调用，而不必担心数据被破坏。
使用一下技术之一，可以使一个函数变成可重入：
局部变量；函数调用前关中断，调用后开中断；用信号量。
时间片轮转调度法：当2个或2个以上任务有同样的优先级时，内核允许1个任务运行事先确定的一段时间，这段时间叫做时间额度（quantum），然后切换给另一个任务。
静态优先级：任务优先级不变；
动态优先级：任务的优先级可变；
优先级反转：优先级反转问题是实时内核出现的最多的一个问题；（任务1 高于2 高于3； 3 执行，1、2挂起，事件触发1，1要等待3的资源，1挂起，3继续执行，事件触发2，2执行，3执行，1执行）
纠正的方法：在3使用共享资源时，提升3的优先级，任务完成后，恢复。
任务优先级分配：一个方法——单调执行调度法（RMS rate monotonic scheduling），用于分配任务的优先级。基于任务执行的次数。RMS假设：所有任务都是周期性的；任务间不需要同步，没共享资源，没数据交换；可剥夺型内核。
互斥条件：实现任务间通信的最简便的方法是使用共享数据结构。但必须保证任务在处理共享数据时的排它性，以避免竞争和数据的破坏。使之满足互斥的一般的方法有：关中断；使用测试并置位指令；禁止做任务切换；利用信号量。
关中断的时间不能太长，否则会影响系统的中断响应时间。
测试并置位操作：
Disable interrupts; 关中断
if (‘Access Variable’ is 0) { 如果资源不可用，标志为0
Set variable to 1; 置资源不可用，标志为1
Reenable interrupts; 重开中断
Access the resource; 处理该资源
Disable interrupts; 关中断
Set the ‘Access Variable’ back to 0; 清资源不可使用，标志为0
Reenable interrupts; 重新开中断
} else { 否则
Reenable interrupts; 开中断
/* You don’t have access to the resource, try back later; */
/* 资源不可使用，以后再试; */
}
禁止，然后允许任务切换：
void Function (void)
{
OSSchedLock();
.
. /* You can access shared data in here (interrupts are recognized) */
. /*在这里处理共享数据(中断是开着的)*/
OSSchedUnlock();
}
