【單片機(jī)到嵌入式之路】序列之7：操作系統(tǒng)基本概念你知道多少？

　　本節(jié)我們將從實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)講解，主要是從下面3個(gè)方面進(jìn)行講解：

　　1.操作系統(tǒng)的分類

　　2.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

　　3.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的基本概念

　　一、操作系統(tǒng)分類：

　　目前廣泛使用的操作系統(tǒng)有三個(gè)：

　　A.多道批處理操作系統(tǒng)

　　B.分時(shí)操作系統(tǒng)

　　C.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

　　這三種系統(tǒng)雖然都很重要，但是我們接觸最多的是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，所以下面重點(diǎn)將介紹實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

　　二、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：

　　1.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

　　a) 異步的事件響應(yīng)

　　b) 切換時(shí)間和中斷延遲時(shí)間確定

　　c) 優(yōu)先級(jí)中斷和調(diào)度

　　d) 搶占式調(diào)度

　　e) 內(nèi)存鎖定

　　f) 連續(xù)文件

　　g) 同步

　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)總的來(lái)說(shuō)是事件驅(qū)動(dòng)的，能對(duì)來(lái)自外界的作用和信號(hào)在限定的時(shí)間范圍內(nèi)做出響應(yīng)。它強(qiáng)調(diào)的是實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性，與實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件相結(jié)合成為有機(jī)的整體起著核心作用，由它來(lái)管理和協(xié)調(diào)各項(xiàng)工作，為應(yīng)用軟件提供良好的運(yùn)行軟件環(huán)境及開(kāi)發(fā)環(huán)境。

　　從實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)來(lái)看實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以分為兩種：

　　a.一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

　　b.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

　　2.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的上位機(jī)和實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)等實(shí)時(shí)性較弱的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，并且提供了開(kāi)發(fā)、調(diào)試、運(yùn)用一致的環(huán)境

　　嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求較高的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，而且應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程是通過(guò)交叉開(kāi)發(fā)來(lái)完成的，即開(kāi)發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境是一致。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有規(guī)模小(一般在幾K~幾十K內(nèi))、可固化使用實(shí)時(shí)性強(qiáng)(在毫秒或微秒數(shù)量級(jí)上)的特點(diǎn)。

　　三、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的基本概念

　　下面主要認(rèn)識(shí)一下幾個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的基本概念，這也是學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

　　1、前后臺(tái)系統(tǒng)：對(duì)基于芯片的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，應(yīng)用程序一般是一個(gè)無(wú)線循環(huán)，可稱為前臺(tái)系統(tǒng)或超循環(huán)系統(tǒng)。

　　2、操作系統(tǒng)：是計(jì)算機(jī)中最基本的程序。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中全部軟硬件資源的分配與回收、控制與協(xié)調(diào)等并發(fā)的活動(dòng);操作系統(tǒng)提供用戶接口，是用戶獲得良好的工作環(huán)境;操作系統(tǒng)為用戶擴(kuò)展新的系統(tǒng)功能提供軟件平臺(tái)。

　　3、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS):實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一般在嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行于RTOS之上的各個(gè)任務(wù)，RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的要求，進(jìn)行資源(包括存儲(chǔ)器、外設(shè)等)管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。在RTOS支持的系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)均有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，動(dòng)態(tài)地切換各個(gè)任務(wù)，保證對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

　　4、代碼臨界區(qū)：也稱為臨界區(qū)，指處理時(shí)不可分割的代碼，運(yùn)行這些代碼不允許被打斷。一旦這部分代碼開(kāi)始執(zhí)行，則不允許任何中斷打入(這不是絕對(duì)的，如果中斷不調(diào)用任何包含臨界區(qū)的代碼，也不訪問(wèn)任何臨界區(qū)使用的共享資源，這個(gè)中斷可能可以執(zhí)行)。為確保臨界區(qū)代碼的執(zhí)行，在進(jìn)入臨界區(qū)之前要關(guān)中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完成以后要立即開(kāi)中斷。

　　5、資源：程序運(yùn)行時(shí)可使用的軟、硬件環(huán)境統(tǒng)稱為資源。資源可以是輸入設(shè)備。也可以是一個(gè)變量、一個(gè)結(jié)構(gòu)或一個(gè)數(shù)組等。

　　6、共享資源：可以被一個(gè)以上的任務(wù)使用的資源。為了防止數(shù)據(jù)被破壞，每個(gè)任務(wù)在與共享資源打交道時(shí)，必須獨(dú)占該資源，這叫做互斥。

　　7、任務(wù)：一個(gè)任務(wù)也稱作一個(gè)線程，是一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，該程序可以認(rèn)為CPU完全屬于該程序自己。實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括如何把問(wèn)題分割成多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都是整個(gè)應(yīng)用的某一部分，每個(gè)任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，有它自己的一套CPU寄存器和自己的?？臻g。

　　8、任務(wù)切換：當(dāng)多任務(wù)內(nèi)核決定運(yùn)行另外的任務(wù)時(shí)，它保證正在運(yùn)行任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)，即CPU寄存器中的全部?jī)?nèi)容。這些內(nèi)容保存在任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)保存區(qū)，也就是任務(wù)自己的棧區(qū)之中。入棧工作完成以后，就把下一個(gè)將要運(yùn)行的任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)從任務(wù)的棧中重裝如CPU的寄存器，并開(kāi)始下一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行，這個(gè)過(guò)程就稱任務(wù)切換。做任務(wù)切換所需要的時(shí)間取決于CPU有多少寄存器要入棧。

　　9、內(nèi)核：多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或者說(shuō)為每個(gè)任務(wù)分配CPU時(shí)間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。使用實(shí)時(shí)內(nèi)核可以大大簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是因?yàn)閷?shí)時(shí)內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個(gè)任務(wù)，由實(shí)時(shí)內(nèi)核來(lái)管理它們。內(nèi)核提供必不可少的系統(tǒng)服務(wù)，如信號(hào)量、消息隊(duì)列、延時(shí)等。

　　10、調(diào)度：調(diào)度是內(nèi)核的主要職責(zé)之一。調(diào)度就是決定該輪到哪個(gè)任務(wù)運(yùn)行了。通過(guò)優(yōu)先級(jí)來(lái)實(shí)行調(diào)度(非占先式還是占先式)。

　　11、非占先式內(nèi)核：要求每個(gè)任務(wù)自我放棄CPU的所有權(quán)。非占先式調(diào)度法也稱作合作型多任務(wù)，各個(gè)任務(wù)彼此合作共享一個(gè)CPU。異步事件還是由中斷服務(wù)來(lái)處理。中斷服務(wù)可以使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷服務(wù)以后控制權(quán)還是回到原來(lái)被中斷了的那個(gè)任務(wù)，知道該任務(wù)主動(dòng)放棄CPU的使用權(quán)時(shí)，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才能獲得CPU的使用權(quán)。

　　12、占先式內(nèi)核：當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間很重要時(shí)，要使用占先式內(nèi)核。因此絕大多數(shù)商業(yè)上銷售的實(shí)時(shí)內(nèi)核都是占先式內(nèi)核。最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的控制權(quán)。當(dāng)一個(gè)運(yùn)行著的任務(wù)使一個(gè)比它優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)進(jìn)入了就緒狀態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了，或者說(shuō)被掛起了，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。如果是中斷服務(wù)子程序使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，中斷完成時(shí)，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級(jí)高的那個(gè)任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行。

　　13、任務(wù)優(yōu)先級(jí)：任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是表示任務(wù)被調(diào)度的優(yōu)先程度。每個(gè)任務(wù)都具有優(yōu)先級(jí)。任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級(jí)應(yīng)越高，越容易被調(diào)度而進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。

　　14、中斷：中斷是一種硬件機(jī)制，用于通知CPU有個(gè)異步事件發(fā)生了。中斷一旦被識(shí)別，CPU保存部分(或全部)上下文即部分或全部寄存器的值，跳轉(zhuǎn)到專門(mén)的子程序，稱為中斷服務(wù)子程序(ISR)。中斷服務(wù)子程序做事件處理，處理完成后，程序回到：

　　A. 在前后臺(tái)系統(tǒng)中，程序回到后臺(tái)程序;

　　B.對(duì)非占先式內(nèi)核而言，程序回到被中斷了的任務(wù);

　　C.對(duì)占先式內(nèi)核而言，讓進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行。

　　15、時(shí)鐘節(jié)拍： 時(shí)鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷。這個(gè)中斷可以看作是系統(tǒng)心臟的脈動(dòng)。中斷之間的時(shí)間間隔取決于不同應(yīng)用，一般在10ms到200ms之間。時(shí)鐘的節(jié)拍式中斷使得內(nèi)核可以將任務(wù)延時(shí)若干個(gè)整數(shù)時(shí)鐘節(jié)拍，以及當(dāng)任務(wù)等待事件發(fā)生時(shí)，提供等待超時(shí)的依據(jù)。時(shí)鐘節(jié)拍率越快，系統(tǒng)的額外開(kāi)銷就越大。