操作系统原理与实践教程(第四版)习题及答案 第10章

第10章嵌入式操作系统说明嵌入式系统的定义。答：关于嵌入式系统已经有多种不同的定义：(1)从应用的角度可定义为：嵌入式系统是控制、监视或辅助设备、机器和车间运行的装置。(2)从计算机系统分类角度：可将除大型机和个人计算机以外的其他计算机系统统称为嵌入式系统。(3)从服务对象的角度：可将嵌入式系统定义为可多设备或系统联合为一个用户服务的计算机系统。(4)从技术的角度：可认为嵌入式系统是一个以计算机技术为基础并融合了通信、微电子、机械和自动控制等技术，面向应用需求对软硬件进行裁剪，以满足其对功能、可靠性、实时性、成本、体积、功耗和运行环境的特殊要求的专用计算机系统。在许多应用场景中，嵌入式系统还可能是一个大型系统或产品的重要组成部分。(2)比较嵌入式系统和个人计算机的异同。答：嵌入式系统在以下方面与个人计算机存在不同：(1)外形个人计算机通常由主机、显示器、键盘、鼠标等设备组成，其外形基本一致，且作为一个独立的系统供用户使用。而嵌入式系统则很少独立出现，它会隐藏在各类产品或设备中，其外形也因产品或设备的功能不同而变化多端。(2)功能：个人计算机通常具有通用且复杂多样的功能，是供个人使用的多用途计算机，满足用户的工作、娱乐、学习等多样化的应用需求。而嵌入式系统的功能则具有专用性，每个系统的具体功能与其所在的产品或设备的主体功能息息相关，通常为专有硬件平台而定制。(3)资源：个人计算机拥有的资源更为丰富全面，可满足用户不断变化的应用要求。而嵌入式系统受限于所在产品和设备本身的资源组成，能够管理的资源有限，甚至为了满足低功耗要求，还要主动缩减和复用资源。(4)功耗：个人计算机当前的功耗通常为几十瓦。而嵌入式系统通常是小型甚至微型的应用系统，如无人机、手机等，为保证其便携性，通常无法配置大体积和大容量的电源，因此低功耗一直是嵌入式系统的重要性能指标之一。(5)价值：评价计算机系统的价值的指标不尽相同。对于大型机和个人计算机，人们更关注其存储能力和计算能力。而对于嵌入式系统，由于其功能的专用性和定制性，人们经常用其所在的产品或设备的性能来评价其优劣。说明嵌入式硬件系统的组成。答：嵌入式系统的硬件平台通常由嵌入式存储器、嵌入式处理器、嵌入式I/O接口、嵌入式I/O设备组成。嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心，嵌入式存储器则负责储存程序和数据，它们通过总线连接，并通过嵌入式I/O接口与各类I/O设备相联系。说明嵌入式控制软件的结构？答：与通用操作系统的发展不同，有些功能较为简单的嵌入式产品可以仅使用引导程序和应用程序完成用户需求。引导程序在硬件系统上电后启动，完成系统自检、存储映射、时钟系统和I/O接口配置等一系列硬件初始化操作。应用程序则是直接运行于硬件之上，在引导程序之后运行，用于实现嵌入式系统的核心功能。这些运行于嵌入式硬件平台上的软件被统称为嵌入式控制软件。嵌入式控制软件通常采用前后台结构设计。这个结构由一个无限循环和若干终端服务程序组成：应用程序是一个无限循环，循环中调用相应的函数完成特定操作（后台），中断服务程序用于处理系统的异步事件（前台）。因此前台也被称为终端级，后台是任务级。说明具备操作系统的嵌入式软件的架构。答：具备操作系统的嵌入式软件通常由设备管理层、操作系统层和应用程序层组成。（1）设备管理层：设备管理层由引导加载程序和设备驱动程序两部分组成。①引导加载程序：除与嵌入式控制软件的引导程序同样具备硬件初始化功能外，引导加载程序还要加载和启动嵌入式操作系统。②设备驱动程序：是一组设备管理相关的库函数，用来对硬件进行初始化和管理，并为上层软件提供透明的设备操作接口。设备驱动程序主要包括硬件配置、中断响应、数据I/O等基本功能函数和错误处理函数。（2）操作系统层近年来，嵌入式操作系统组成从仅内核发展到除内核外还具备嵌入式文件系统、网络协议、图形界面等功能模块，具有可裁剪、可移植和资源有限等特点。内核是嵌入式操作系统的核心，用于完成任务调度、管理和通信，存储管理和时间管理等嵌入式操作系统的基本功能。嵌入式文件系统是嵌入式操作系统中用于管理文件的软件模块。嵌入式网络协议则是为支持嵌入式系统的网络功能配备，通常由网络通信控制器硬件和协议栈软件共同组成。而随着智能手机等智能移动终端的不断发展和应用，嵌入式图形用户界面（GUI）也为上层应用程序提供了大量功能调用，用以实现人机交互。根据用户的应用需求的不同，嵌入式操作系统开发人员可以在内核基础上添加相关功能模块，实现系统功能定制和裁剪。(3)应用程序层应用程序层是基于操作系统层的多个独立程序组成的软件集合。每个程序完成特定的任务。由于当前嵌入式系统内核功能丰富全面，因此许多嵌入式系统开发都采用在特定嵌入式操作系统内核上进行应用软件开发的形式，开发人员的主要工作任务是在应用程序层完成任务划分、任务设计、任务同步和通信。说明嵌入式操作系统的特征。答：嵌入式操作系统面向的是专用硬件平台、实现特定用户的任务需求，因此具有如下特征。专用性：嵌入式操作系统通常运行于专有硬件平台、按照特定应用需求设计、完成指定功能，并不具备通用性。可裁剪性：受多方面因素影响，嵌入式系统有时不能使用通用系统的全部功能。因此在设计时可以根据实际应用需求对通用系统进行裁剪，使得系统以最小代码量、最优配置满足用户需求。实时性：嵌入式系统通常对实时性要求比较高，不同的嵌入式操作系统使用了各不相同的手段，以确保任务满足截止时间要求。大部分的嵌入式系统都属于硬实时系统，即必须在截止时间内完成任务需求。微型化：由于受到体积限制和实时性要求，许多嵌入式系统不可能提供如微型机那样大的内外存空间，因此其体量必然不能像大型机甚至微型机系统那样庞大。高可靠性：嵌入式系统对可靠性的要求比通常的个人计算机系统要高。高可移植性：嵌入式系统通常会在一系列功能相似的嵌入式硬件上运行。为满足不同硬件或不同应用场合的特殊需求，嵌入式系统应该能在简单修改后就可以在不同的环境中正确有效地运行，即嵌入式系统应具有可移植性，不依赖于特定硬件。工具和环境依赖性：嵌入式操作系统对于硬件