嵌入式实时操作系统的基本概念

第一章 嵌入式实时操作系统的基本概念
1.1计算机操作系统
1.计算机是一种功能强大的数字运算装置，由中央微处理器（CPU），存储器，接口及外部设备等物理装置构成，构成计算机的物理装置即硬件系统。
2.计算机系统由 硬件 + 相应软件 构成；只由硬件构成的计算机为裸机。
3. 操作系统，硬件，应用程序间的关系         
应用软件
系统软件，
编译程序，汇编程序，编辑程序，.......数据库
操作系统
Windows Linux...Solacs 
计算机硬件系统


 下层是上层基础，对上层隐藏下层功能实现的细节，只对上层提供功能接口，上层为下层扩充。操作系统层通常是最靠近硬件层的软件层，主要完成计算机硬件资源的调度和分配，信息的存储和保护以及并发活动的协调和控制等许多工作。
1.1.2操作系统的作用和功能
1.从应用程序设计人员的角度来看，操作系统是计算机操作系统与应用程序之间的接口。计算机操作系统可看作一个统筹的资源管理，为程序员提供函数和虚拟计算机的环境。
2. 操作系统的功能：①处理器的管理（一是对中断的管理，二是对处理器的工作进行调度）（处理器硬件只能发现外部事件的中断）②存储的管理③设备的管理④文件的管理⑤网络和通信的管理（网上资源管理，网络通信，故障管理，安全管理及性能管理等网络功能）⑥提供用户接口。
1.2嵌入式系统和嵌入式操作系统
1.什么是嵌入式系统
嵌入式系统是对对象进行自动控制而使其具有智能化并可嵌入对象体系中的专用计算机系统。
嵌入性，专用性，与计算机系统是嵌入式系统的三个基本要素。
对象系统也叫作嵌入式系统的宿主对象系统。
2.嵌入式系统的发展历程
嵌入式系统起源于微型计算机时代
嵌入式系统独立发展的初期是单片机时代  有过两种模式 ∑模式和创新模式
 ∑模式把通用计算机系统中的基本单元根据应用的需要进行裁剪后集成在一个芯片上，构成单片微型计算机；而创新模式则是在体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等方面完全按嵌入式应用要求设计全新的、满足嵌入式要求的芯片。


单片机形态的嵌入式系统硬件大体上可以分为MCU，SoC两个阶段。
微控制器（MCU）阶段：不断在一个芯片上扩展满足宿主对象系统所要求的各种外围电路与接口电路，以增强其对宿主对象的智能化控制能力，典型Intel公司的51单片机。
单片系统（SoC）阶段：在通用串行接口（USB），数字信号处理器（DSP），TCP/IP通信模块，GPRS通信模块，蓝牙模块接口等功能模块出现后，人们根据应用需要把这些功能模块与MCU进行有机的结合，制造出集成度更高的系统级的芯片，这种芯片就是SoC系统。


各种不同位数的嵌入式系统微处理器的应用层面也有明显的区分，位数越高的嵌入式微处理器，其数据处理能力及其附加值也越高。
目前说到嵌入式系统的硬件时，通常指的是单片型系统芯片。
3.嵌入式系统的硬件部分包括处理器/微处理器，存储器及外设器件和I/O端口，图形控制器，使用EPROM，EEPROM或闪存（Flash Memory）作为存储介质。
   嵌入式系统的软件包括操作系统软件和应用软件，操作系统一般具有较强的实时性，并可以对多任务进行管理，而应用软件都是专门性很强的应用程序。
4.嵌入式计算机系统与通用型计算机系统相比：
  ①专用性强；②可裁剪性好；③实时性与可靠性好；④功耗低。
1.2.2 嵌入式操作系统
1.什么是嵌入式操作系统
嵌入式操作系统就是运行在嵌入式硬件平台上，对整个操作系统及其所操作的部件、装置等资源进行统一协调、指挥和控制的系统软件。
嵌入式操作系统的特点：
①微型化
②可裁剪性
③实时性
④高可靠性
⑤易移植性
按嵌入式操作系统的应用范围划分，可分为通用型嵌入式操作系统和专用型嵌入式操作系统。通用型嵌入式操作系统可用于多种应用环境。
按对外部事件的响应能力来分类，嵌入式操作系统有实时操作系统和分时操作系统两类。
2.实时操作系统
基本要求：①实时系统的计算必须产生正确的结果，称为逻辑或功能正确；
②实时系统的计算必须在预定的周期内完成，称为时间正确。
按时间正确的程度来分，实时操作系统又分为硬实时操作系统和软实时操作系统
3.分时操作系统
可按管理的任务数把CPU分成若干个时间片，将每个时间片分配给一个任务，CPU按时间片轮流执行这些任务，这种操作系统就叫做分时操作系统。
1.2.3实时操作系统需满足的条件
1.多任务 ：把一个大任务分解成多个可并行运行的小的任务，在等待I/O时交出CPU的使用权，从而提高CPU的利用率，给提高系统的实时性能创造了条件。另外，多任务系统还可以让程序员把一个大的应用程序分成相对独立的多个任务来完成。
2.内核的类型：根据系统中的任务获得使用CPU的权利的方式，多任务实时操作系统的内核分为可剥夺型和不可剥夺型。每个任务都必须具有一个唯一的优先级别来表示它获得CPU的权利。
  不可剥夺型内核也叫做合作型多任务内核，在这种内核中，总是优先级别高的任务最先获得CPU的使用权。
  在可剥夺型内核中，CPU总是运行多个任务中优先级别最高的那个任务，即使CPU正在运行某个低优先级别的任务，当有高优先级别的任务准备就绪时，该高级别的任务就会剥夺正在运行任务的CPU使用，而使自己获得CPU的使用权
3.任务的切换时间：即调度器进行任务切换所用的时间不能接受应用程序中其他因素的影响。
4.中断延时（自CPU相应中断到CPU转向中断服务程序之间所用的时间叫作中断延时）可预知且尽可能短。
1.2.4嵌入式系统的任务及嵌入式实时操作系统
1.uc/os-II支持多达64个任务。
2.典型的嵌入式系统任务的结构： 为无限循环结构，通过中断，在中断服务程序处理异步事件
3.嵌入式实时操作系统
①内存管理（主要是动态内存）
②多任务管理  应该提供丰富的多任务管理函数
③外围资源管理