操作系统-OS概述（一）

一、实时操作系统

        提供实时任务调度、资源管理和任务间通信的机制和服务

       OS是位于载体硬件和软件之间的软件，负责资源的分配和管理，操作系统的核心是内核，OS的内核始终运行在系统模式，其他程序运行在用户模式。

1、进程管理

        集成是运行中的程序实例。是OS的基本工作单元，程序是静态的实体，进行是动态的实体，进行需要进行资源调用，包括CPU/Memory/IO等。

        同一进程里里面的多个线程共享相同的地址空间，不同进程的线程并不是这样，多个线程还共享全局变量，文件描述符等。

        在嵌入式的OS里面任务描述的是线程或者单线程进程，独一无二的标识符表示PID，内存里面存储的是数据和指令。虚拟内存技术可以保证每个进程在自身独立的地址空间运行。

2、内存管理

        内存中存储的是数据和指令，绝大多数应用程序并不知道物理地址，它们使用的是逻辑地址，逻辑地址是正在执行的应用程序看到的存储器位置所在的位置。

3、中断管理

        中断信号来自计算机连接的设备或者计算机内运行的某个进程，现代OS是中断驱动的，所有活动都由中断的到来引发。中断通过中断向量将控制器转移给ISR，中断向量表包含了所有中断服务程序的地址，中断架构必须保存被中断指令的地址，如果有中断正在响应，那么即将到来的中断将会被忽略，系统调用是一种软件产生的中断，可能由于错误或者用户请求而引发。

4、多任务

        多任务指OS支持多个相互独立的任务在同一个载体上运行，这种功能主要通过分时复用实现，也就是每个程序共享计算机的运行时间。

        每个任务都有一个上下文，这个上下文是存放于任务控制中的一组数据，用于显示任务的执行状态，任务控制块则是一个包含了与任务执行相关的所有信息的数据结构，当调度器将一个任务切出CPU时，该任务的上下文将被存储起来，当该任务继续执行时，该任务的上下文将会被恢复，这样该任务可以从上次中断的点继续执行，在任务执行期间，存储和恢复任务上下文的过程称为上下文切换。

 上下文切换时多任务处理的开销。

5、文件管理

        目前AUTOSAR OS尚未遇到过，暂不区解析什么

6、I/O管理

        对于存储器映射I/O，每个I/O设备在I/O地址空间占据部分地址，通过I/O地址空间中的物理存储位置可以实现I/O设备和处理器之间的通信，通过对相应的地址进行读或写操作，处理器可以获得I/O设备的信息或者向其发送命令。

        I/O操作具有较大的延迟，绝大多数延迟由低速外设导致，例如，在磁盘将目标扇区旋转到读/写磁头下之前，磁盘信息无法读取或写入，通过给外设增加与之关联的输入和输出缓存可以降低延迟。

7、RTOS的内核特性

        RTOS设计的三个关键性要求：

        1、OS的时间特性必须时可预测的，所有OS提供的服务，其执行时间的上限必须时可预知的，包括系统调用和中断处理服务。

        2、OS必须管理着时序和调度，调度器必须了解任务的截至期。

        3、OS必须快，例如：上下文的切换时间必须短，一个快速的OS有助于改善系统的软实时约束及保证硬的截止期。

内核主要在于：时间调度、中断处理、内存管理。

8、时钟和定时器

        在大多数RTOS内核中时间长度由系统节拍的数量表示，RTOS的工作原理时设置一个硬件定时器来周期性的中断，比如1ms更新一次，并根据中断建立所有的程序，定时器也叫心跳定时器，中断也称为时钟中断。

9、优先级调度

        由于实时任务具有软或硬的截至日期，所有任务的紧迫性并不相同，截止期短的任务应该优于截止期长的任务执行。实时应用系统的任务调度通常是基于优先级的、抢占式的调度。

 10、实时信号

        信号和软件中断类似，在RTOS中，当子进程终止时，信号自动传递给父进程，信号也可用于其他的同步和异步通知。

11、信号量

        信号量时用于控制进程或线程间共享资源访问的计数器，信号量的值时当前可用的资源数，信号量有两个基本的操作，一个是计数值自动增加，另一个是等到计数器非空并自动减少计数值，信号量跟踪有多少可用的资源，并不关注可用的资源是什么。

        二进制信号量等同于互斥锁，适用于在任何时刻都只能由一个任务使用资源的场合。

12、消息传递

        消息传递的基本操作是发送和接收，消息传递可以是直接或者间接的，消息传递中，需要通信的进程必须清晰的指定接收或发送者，消息的传递可以是同步或者异步的，同步传递发送进程会阻塞直到执行完消息原语，异步消息传递中，发送进程会立即获得控制权。

13、共享内存

        共享内存是RTOS将公共物理内存空间映射到独立特定进程进程虚拟空间的一种方法，共享内存常用于不同进程或者线程间共享信息（资源），共享内存必须是独占访问的，因此需要用互斥锁或信号量保护内存区域，任务中访问共享数据的代码段称为临界区。

        使用共享内存的一个副作用是它可能导致优先级反转，即出现低优先级任务在运行而高优先级任务在等待的情形。

RTOS示例

        1、LynxOS

        2、OSE

        3、QNX

        4、VxWorks