操作系统
操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动;操作系统提供用户接口,使用户获得良好的工作环境;操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。
实时操作系统
实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序,用户的应用程序是运行于RTOS之上的各个任务,RTOS根据各个任务的要求,进行资源(包括存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在RTOS支持的系统中,每个任务均有一个优先级,RTOS根据各个任务的优先级,动态地切换各个任务,保证对实时性的要求。
代码的临界区
代码的临界区也称为临界区,指处理时不可分割的代码,运行这些代码不允许被打断。一旦这部分代码开始执行,则不允许任何中断打入(这不是绝对的,如果中断不调用任何包含临界区的代码,也不访问任何临界区使用的共享资源,这个中断可能可以执行)。为确保临界区代码的执行,在进入临界区之前要关中断,而临界区代码执行完成以后要立即开中断。
资源
程序运行时可使用的软、硬件环境统称为资源。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。
共享资源
可以被一个以上任务使用的资源叫做共享资源。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。
任务
一个任务,也称作一个线程,是一个简单的程序,该程序可以认为CPU完全属于该程序自己。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,每个任务都是整个应用的某一部分,每个任务被赋予一定的优先级,有它自己的一套CPU寄存器和自己的栈空间。
任务切换
当多任务内核决定运行另外的任务时,它保存正在运行任务的当前状态,即CPU寄存器中的全部内容。这些内容保存在任务的当前状态保存区,也就是任务自已的栈区之中。入栈工作完成以后,就把下一个将要运行的任务的当前状态从任务的栈中重新装入CPU的寄予存器,并开始下一个任务的运行。这个过程就称为任务切换。这个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。做任务切换所需要的时间取决于CPU有多少寄存器要入栈。
内核
多任务系统中,内核负责管理各个任务,或者说为每个任务分配CPU时间,并且负责任务之间的通信。内核提供的基本服务是任务切换。使用实时内核可以大大简化应用系统的设计,是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。内核需要消耗一定的系统资源,比如2%~5%的CPU运行时间、RAM和ROM等。内核提供必不可少的系统服务,如信号量、消息队列、延时等。
调度
调度是内核的主要职责之一。调度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法的。每个任务根据其重要程序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。然而究竟何时让高优先级任务掌握CPU的使用权,有两种不同的情况,这要看用的是什么类型的内核,是非占先式的还是占先式的内核。
非占先式内核
非占先式内核要求每个任务自我放弃CPU 的所有权。非占先式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。
占先式内核
当系统响应时间很重要时,要使用占先式内核。因此绝大多数商业上销售的实时内核都是占先式内核。最高优先级的任务一旦就绪,总能得到CPU的控制权。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状态,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。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。
任务优先级
任务的优先级是表示任务被调度的优先程度。每个任务都具有优先级。任务越重要,赋予的优先级应越高,越容易被调度而进入运行态。
中断
中断是一种硬件机制,用于通知CPU有个异步事件发生了。中断一旦被识别,CPU保存部分(或全部)上下文即部分或全部寄存器的值,跳转到专门的子程序,称为中断服务子程序(ISR)。中断服务子程序做事件处理,处理完成后,程序回到:1. 在前后台系统中,程序回到后台程序;2. 对非占先式内核而言,程序回到被中断了的任务;3. 对占先式内核而言,让进入就绪态的优先级最高的任务开始运行。
时钟节拍
时钟节拍是特定的周期性中断。这个中断可以看作是系统心脏的脉动。中断之间的时间间隔取决于不同应用,一般在10ms到200ms之间。时钟的节拍式中断使得内核可以将任务延时若干个整数时钟节拍,以及当任务等待事件发生时,提供等待超时的依据。时钟节拍率越快,系统的额外开销就越大。