看书抄书——UCOSII(邵贝贝)第二章

 第二章 实时操作系统概念

                                                                                                  2009-7-28

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();

}