ucos-II中的一些基本概念①



一、实时系统

软实时系统：软实时系统中系统的宗旨是使各个任务运行得越快越好，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成

硬实时系统：在硬实时系统中，各任务不仅要执行无误而且要做到准时

 

二、前后台系统

前后台系统又称循环系统，应用程序为一个无限循环。在循环中完成的工作称为后台行为，由中断触发的中断服务程序完成的工作称为前台行为。所以，后台又称为任务级，前台也称为中断级。时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务来保证的，但是由于中断任务的执行要等到后台执行到这个任务时才可以触发，所以实际花费的时间要比预想的慢一点，这个指标称作任务级响应时间，取决于整个循环执行的时间。

 

三、代码的临界段

这段代码一旦执行就不允许被打断，所以在执行这段代码前，要将中断关掉。

 

四、资源

任何为任务所占用的实体都可称为资源。资源可以是输入输出设备，例如打印机、键盘、显示器，资源也可以是一个变量，一个结构或一个数组等

 

五、共享资源

可以被一个以上的任务使用的资源成为共享资源。

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。这叫做互斥

 

六、多任务

多任务运行的实现实际上是靠CPU(中央处理单元)在许多任务之间转换、调度

多任务与后台有些相似，但是后台系统的任务有多个，CPU只有一个

多任务运行使CPU的利用率得到最大的发挥

 

七、任务

1.一个任务也称作一个线程

2.一个应用程序是多个任务组成的，每个任务有自己的优先级，拥有自己的CPU寄存器和栈空间，每个任务都是一个无限循环

3.每个任务有五种状态：休眠态，就绪态、运行态、挂起态(等待某一事件发生)和被中断态

休眠状态：任务只是以代码的形式驻留在程序空间（ROM或RAM），还没有交给操作系统进行管理

就绪状态：该任务已经准备好，可以运行了，但由于该任务的优先级比正在运行的任务的优先级低，还暂时不能运行

运行状态：该任务掌握了CPU的控制权，正在运行中

挂起状态：挂起状态也可以叫做等待事件态WAITING，指该任务在等待（已经交出CPU的使用权），等待某一事件的发生，（例如等待某外设的I/O操作，等待某共享资源由暂不能使用变成能使用状态，等待定时脉冲的到来或等待超时信号的到来以结束目前的等待，等等）

中断状态：发生中断时，CPU提供相应的中断服务，原来正在运行的任务暂不能运行，就进入了被中断状态（中断执行完后会继续返回执行）

 

1. 任务切换

   Context switch , 任务切换或者CPU寄存器内容切换，任务切换的步骤：

1. 保存当前运行任务的状态，即CPU寄存器中的全部内容，这些任务状态保存在任务自己的栈区中

2. 把将要运行的任务的当前状态从栈中重新载入到CPU的寄存器，并且开始运行

   任务切换的时间取决于CPU有多少寄存器要入栈

    

1. 内核

   1.内核的作用是负责管理各个任务，或者说为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通讯，提供的基本服务是任务切换

   2.实时内核：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，所以会大大简化应用系统的设计

   3.但是由于内核本身也增加了应用程序的额外负荷，代码空间增加ROM的用量，内核本身的数据结构增加了RAM的用量，单片机一般不能运行实时内核

    

2. 调度

   1.调度是内核的职责之一，就是要决定该轮到哪个任务运行了

   2.多数实时内核是基于优先级调度法的。每个任务根据其重要程度的不同被赋予一定的优先级。基于优先级的调度法指，CPU总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。但是，究竟何时让高优先级任务掌握CPU的使用权，要看用的是什么类型的内核，是不可剥夺型的还是可剥夺型内核

    

   十一、不可剥夺型内核

   1.所谓不可剥夺型内核，就是要求每个任务能够自我放弃CPU的所有权

2.不可剥夺型调度法也称作合作型多任务，各个任务彼此合作共享一个CPU。异步事件还是由中断服务来处理。中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状态（等待状态）变为就绪状态。但中断服务以后控制权还是回到原来被中断了的那个任务，直到该任务主动放弃CPU的使用权时，那个高优先级的任务才能获得CPU的使用权。

3.优点：

①响应中断快。不可剥夺型内核允许使用不可重入函数，每个任务都可以调用非可重入性函数，而不必担心其它任务可能正在使用该函数，从而造成数据的破坏，因为每个任务要运行到完成时才释放CPU的控制权

②几乎不需要使用信号量保护共享数据。因为运行着的任务占有CPU，不必担心被别的任务抢占，当然也不是绝对的

1. 缺点任务级响应时间不确定，不知道什么时候最高优先级的任务才能拿到CPU的控制权

    

   十二、可剥夺型内核

1.可剥夺型内核的特点是最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的控制权。具体表现为：①当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入了就绪态，当前任务的CPU使用权就被剥夺了，或者说被挂起了，那个高优先级的任务立刻得到了CPU的控制权

②如果是中断服务子程序使一个高优先级的任务进入就绪态，中断完成时，中断了的任务被挂起，优先级高的那个任务开始运行

1. 优点：最高优先级的任务什么时候可以执行，可以得到CPU的控制权是可知的。使用可剥夺型内核使得任务级响应时间得以最优化

2. 注意点：应用程序不应直接使用不可重入型函数。调用不可重入型函数时，要满足互斥条件，这一点可以用互斥型信号量来实现。如果直接调用不可重入型函数时，低优先级的任务CPU的使用权被高优先级任务剥夺，不可重入型函数中的数据有可能被破坏。

    

1. 可重入性

1. 概念：可以被一个以上的任务调用，而不必担心数据的破坏

2. 特点：任何时候都可以被中断，一段时间以后又可以运行，而相应数据不会丢失

3. 注意点：可重入型函数或者只使用局部变量，即变量保存在CPU寄存器中或堆栈中。如果使用全局变量，则要对全局变量予以保护。

    

1. 时间片轮番调度法

   当两个或两个以上任务有同样优先级，内核允许一个任务运行事先确定的一段时间，叫做时间额度（quantum），然后切换给另一个任务。也叫做时间片调度。

   内核在满足以下条件时，把CPU控制权交给下一个任务就绪态的任务：

• 当前任务已无事可做

• 当前任务在时间片还没结束时已经完成了。

  目前，μC/OS-Ⅱ不支持时间片轮番调度法。应用程序中各任务的优先级必须互不相同。

   

1. 静态优先级

   应用程序执行过程中诸任务优先级不变，则称之为静态优先级。在静态优先级系统中，诸任务以及它们的时间约束在程序编译时是已知的。

    

2. 动态优先级

   应用程序执行过程中，任务的优先级是可变的，则称之为动态优先级。实时内核应当避免出现优先级反转问题。

    

3. 优先级反转

   优先级反转是在使用实时内核是经常出现的问题

   如果低优先级的任务占用着高优先级任务需要用到的资源的话，高优先级需要等待低优先级的任务释放该资源才得以运行，此时，次高优先级的任务剥夺了低优先级任务的CPU使用权，使得次高优先级的任务首先完成，此时，最高优先级任务的次高优先级任务的优先级实际上发生了反转。

   解决方法：在低优先级任务使用共享资源时,提升低优先级任务的优先级。任务完成时予以恢复。低优先级任务的优先级必须升至最高,高于允许使用该资源的任何任务。

   优先级继承：为防止发生优先级反转,内核能自动变换任务的优先级

    

4. 任务优先级分配

1. 单调执行率调度法RMS(Rate Monotonic Scheduling)

   这种方法基于哪个任务执行的次数最频繁,执行最频繁的任务优先级最高

   RMS做了一系列假设：

• 所有任务都是周期性的

• 任务间不需要同步，没有共享资源,没有任务间数据交换等问题

• CPU必须总是执行那个优先级最高且处于就绪态的任务。换句话说，要使用可剥夺型调度法。

   RMS认为最高执行率的任务具有最高的优先级，但最某些情况下，最高执行率的任务并非是最重要的任务

   

1. 互斥条件

   虽然共享数据区法简化了任务间的信息交换，但是必须保证每个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。

   与共享资源打交道时，使之满足互斥条件最一般的方法有：

• 关中断

• 使用测试并置位指令

• 禁止做任务切换

• 利用信号量