【單片機到嵌入式之路】序列之7：操作系統(tǒng)基本概念你知道多少？

　　本節(jié)我們將從實時操作系統(tǒng)來講解，主要是從下面3個方面進行講解：

　　1.操作系統(tǒng)的分類

　　2.實時操作系統(tǒng)

　　3.嵌入式實時操作系統(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：

　　A.多道批處理操作系統(tǒng)

　　B.分時操作系統(tǒng)

　　C.實時操作系統(tǒng)

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

　　二、實時操作系統(tǒng)：

　　1.實時操作系統(tǒng)具有如下特點：

　　a) 異步的事件響應(yīng)

　　b) 切換時間和中斷延遲時間確定

　　c) 優(yōu)先級中斷和調(diào)度

　　d) 搶占式調(diào)度

　　e) 內(nèi)存鎖定

　　f) 連續(xù)文件

　　g) 同步

　　實時操作系統(tǒng)總的來說是事件驅(qū)動的，能對來自外界的作用和信號在限定的時間范圍內(nèi)做出響應(yīng)。它強調(diào)的是實時性、可靠性和靈活性，與實時應(yīng)用軟件相結(jié)合成為有機的整體起著核心作用，由它來管理和協(xié)調(diào)各項工作，為應(yīng)用軟件提供良好的運行軟件環(huán)境及開發(fā)環(huán)境。

　　從實時系統(tǒng)的應(yīng)用特點來看實時操作系統(tǒng)可以分為兩種：

　　a.一般實時操作系統(tǒng)

　　b.嵌入式實時操作系統(tǒng)

　　2.實時操作系統(tǒng)的特點

　　一般實時操作系統(tǒng)應(yīng)用于實時處理系統(tǒng)的上位機和實時查詢系統(tǒng)等實時性較弱的實時系統(tǒng)，并且提供了開發(fā)、調(diào)試、運用一致的環(huán)境

　　嵌入式實時操作系統(tǒng)應(yīng)用于實時性要求較高的實時控制系統(tǒng)，而且應(yīng)用程序的開發(fā)過程是通過交叉開發(fā)來完成的，即開發(fā)環(huán)境與運行環(huán)境是一致。嵌入式實時操作系統(tǒng)具有規(guī)模小(一般在幾K~幾十K內(nèi))、可固化使用實時性強(在毫秒或微秒數(shù)量級上)的特點。

　　三、嵌入式實時操作系統(tǒng)的基本概念

　　下面主要認(rèn)識一下幾個嵌入式實時操作系統(tǒng)的基本概念，這也是學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

　　1、前后臺系統(tǒng)：對基于芯片的開發(fā)來說，應(yīng)用程序一般是一個無線循環(huán)，可稱為前臺系統(tǒng)或超循環(huán)系統(tǒng)。

　　2、操作系統(tǒng)：是計算機中最基本的程序。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)計算機系統(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;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)為用戶擴展新的系統(tǒng)功能提供軟件平臺。

　　3、實時操作系統(tǒng)(RTOS):實時操作系統(tǒng)是一般在嵌入式系統(tǒng)啟動后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運行于RTOS之上的各個任務(wù)，RTOS根據(jù)各個任務(wù)的要求，進行資源(包括存儲器、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，每個任務(wù)均有一個優(yōu)先級，RTOS根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，動態(tài)地切換各個任務(wù)，保證對實時性的要求。

　　4、代碼臨界區(qū)：也稱為臨界區(qū)，指處理時不可分割的代碼，運行這些代碼不允許被打斷。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打入(這不是絕對的，如果中斷不調(diào)用任何包含臨界區(qū)的代碼，也不訪問任何臨界區(qū)使用的共享資源，這個中斷可能可以執(zhí)行)。為確保臨界區(qū)代碼的執(zhí)行，在進入臨界區(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中斷。

　　5、資源：程序運行時可使用的軟、硬件環(huán)境統(tǒng)稱為資源。資源可以是輸入設(shè)備。也可以是一個變量、一個結(jié)構(gòu)或一個數(shù)組等。

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

　　7、任務(wù)：一個任務(wù)也稱作一個線程，是一個簡單的程序，該程序可以認(rèn)為CPU完全屬于該程序自己。實時應(yīng)用程序的設(shè)計過程，包括如何把問題分割成多個任務(wù)，每個任務(wù)都是整個應(yīng)用的某一部分，每個任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級，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)核決定運行另外的任務(wù)時，它保證正在運行任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)，即CPU寄存器中的全部內(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，就把下一個將要運行的任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)從任務(wù)的棧中重裝如CPU的寄存器，并開始下一個任務(wù)的運行，這個過程就稱任務(wù)切換。做任務(wù)切換所需要的時間取決于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)管理各個任務(wù)，或者說為每個任務(wù)分配CPU時間，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。使用實時內(nèi)核可以大大簡化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，是因為實時內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個任務(wù)，由實時內(nèi)核來管理它們。內(nèi)核提供必不可少的系統(tǒng)服務(wù)，如信號量、消息隊列、延時等。

　　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任務(wù)運行了。通過優(yōu)先級來實行調(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)，各個任務(wù)彼此合作共享一個CPU。異步事件還是由中斷服務(wù)來處理。中斷服務(wù)可以使一個高優(yōu)先級的任務(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)還是回到原來被中斷了的那個任務(wù)，知道該任務(wù)主動放棄CPU的使用權(quán)時，那個高優(yōu)先級的任務(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)時間很重要時，要使用占先式內(nèi)核。因此絕大多數(shù)商業(yè)上銷售的實時內(nèi)核都是占先式內(nèi)核。最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的控制權(quán)。當(dāng)一個運行著的任務(wù)使一個比它優(yōu)先級高的任務(wù)進入了就緒狀態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了，或者說被掛起了，那個高優(yōu)先級的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。如果是中斷服務(wù)子程序使一個高優(yōu)先級的任務(wù)進入就緒態(tài)，中斷完成時，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級高的那個任務(wù)開始運行。

　　13、任務(wù)優(yōu)先級：任務(wù)的優(yōu)先級是表示任務(wù)被調(diào)度的優(yōu)先程度。每個任務(wù)都具有優(yōu)先級。任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級應(yīng)越高，越容易被調(diào)度而進入運行態(tài)。

　　14、中斷：中斷是一種硬件機制，用于通知CPU有個異步事件發(fā)生了。中斷一旦被識別，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. 在前后臺系統(tǒng)中，程序回到后臺程序;

　　B.對非占先式內(nèi)核而言，程序回到被中斷了的任務(wù);

　　C.對占先式內(nèi)核而言，讓進入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)開始運行。

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