嵌入式操作系统设计_v3.0.5R.pptx

1、嵌入式操作系统,主 讲： 王晓荣 Email： ,嵌入式操作系统简介,1,什么是嵌入式操作系统,EOS（Embedded OperatingSystem） 用在嵌入式系统中的操作系统 它在硬件和应用程序之间，通过提供应用程序接口，屏蔽了硬件工作的一些细节，从而提高了应用程序的开发效率,嵌入式操作系统的优缺点,优点： 提高了系统的可靠性 程序设计和扩展更容易 应用程序模块化，设计过程大为简化 缩短了产品的开发周期。 缺点： ROM/RAM开销大 25%的CPU额外负荷 内核费用较高,常见的EOS,Android、Ubuntu、FreeRTOS 、Linux、Windows CE、VxWorks、

2、 、 UCOS、 RT-Thread、mbedOS等 3个以上,EOS市场份额（2013-2014）,Inhouse/custom,Inhouse: 公司内部自己开发 Custom：客户定制 市场份额逐年减少,趋势分析,开源OS超越商用OS,趋势分析,Android与FreeRTOS成为主导 Android： 基于Linux的开源非实时操作系统，主要应用于移动设备，由Google公司和开放手机联盟领导开发。 FreeRTOS：轻量、开源、实时、可靠、易用的操作系统。最近在ST新推的STM32Cube中集成了FreeRTOS，影响力进一步提升。,趋势分析,RT-Thread影响扩大 RT-Thr

3、ead ：由熊谱翔（bernard）发起并组织的开源项目，结合了VxWorks和ucos两个操作系统的优点，综合性能优于ucos。,趋势分析,mbedOS可能成为黑马 mbedOS ：ARM公司2014年底推出的基于 Cortex-M架构的物联网操作系统，可使智能硬件开发进一步简单，可能会一统江湖，但目前还处在早期阶段，稳定性、成本、安全等问题都有待进一步验证。,UCOSII,C/OS-II是一个源码公开、商用收费的实时多任务操作系统。其绝大部分源码是用ANSI C写的，使其可以方便移植并支持大多数类型的处理器。C/OS-II通过了联邦航空局（FAA）商用航行器认证。C/OS-II占用很少的系

4、统资源（几K的 RAM和ROM），并且在高校教学使用是不需要申请许可证。,UCLINUX,uClinux是完全符合GNU/GPL公约的操作系统，完全开放代码。uClinux从Linux 2.0/2.4内核派生而来，沿袭了主流Linux的绝大部分特性。适用于没有虚拟内存或内存管理单元(MMU)的处理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少内存或Flash(几百K)的嵌入式系统。它保留了Linux的大部分优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的API等。,WINCE,Windows CE是微软开发的一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，是基于掌上

5、型电脑类的电子设备操作，它是精简的Win 95。Windows CE的图形用户界面相当出色。Win CE具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口以及与处理器无关等特点。Win CE不仅继承了传统的Windows图形界面，并且在Win CE平台上可以使用Win 95/98上的编程工具（如Visual Basic、Visual C+等）、使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在Windows CE平台上继续使用。,VxWorks,VxWorks操作系统是美国WIND RIVER公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展

6、能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等，甚至在1997年4月登陆火星表面的火星探测器上也使用到了VxWorks。,stm32cube,1,相关软件安装,安装“STM32CubeMX”（需JAVA 支持） 安装“JAVA” 添加MCU组件 详见“软件安装.docx”,例题,led_v0.1 功能：利用cube生成代码框架，编写最简单的代码实现LED亮灭。 步骤见3,课堂练习,在例题基础上，移植嵌入式系统课程中

7、的led模块、delay模块实现led亮灭。,例题,在上一练习基础上，利用cube实现对uart1的支持。,例题,添加printf模块。,freeRTOS简介,1,创始人,2002年由Richard Barry创建。,freeRTOS简介,“小巧，简单，易用”的开源实时操作系统 主要实现：任务管理，（任务间）通讯，硬件接口 “任务管理”大约占核心代码的50% “通讯” 大约占核心代码的40% “硬件接口”大约占核心代码的6%,课堂练习,利用cube实现对freeRTOS的支持。,创建任务,1,例题,os_create_task_v0.1 1P10例1：创建任务 观察运行结果,结果分析(P12)

8、,感觉2个任务同时运行 实际上，每次只有1个任务在运行,HAL,Hardware Abstraction Layer 硬件抽象层,时间片轮转,当优先级相同任务同时运行时，实际上是定时轮流执行。（1P18图4）,时间片轮转时间,1 / configTICK_RATE_HZ,思考,为什么串口没有输出？,栈深度,1000word = 4000byte 4k + 4k + 1.5k = 9.5k 3k 解决办法： 1. 将1000改小（190以下） 2. 将3k改大,思考,为什么会出现帧丢失？,例题,os_create_task_v0.2 在v0.1版本上做了如下改动： 利用cube将heap更改为：

9、0 x8000 在任务中增加循环次数的打印输出 观察运行结果,分析,Printf函数执行时，独占了串口缓冲区资源。,访问临界区,taskDISABLE_INTERRUPTS()：禁止中断 taskENTER_CRITICAL()：进入临界区 vTaskSuspendAll ()：禁止调度 成对出现 三对函数在功能上的区别,禁止中断,taskDISABLE_INTERRUPTS() taskENABLE_INTERRUPTS() 最简单、最强大 不再响应任何中断，但对实时性影响巨大。 禁止中断时间尽可能短。,进入临界区,taskENTER_CRITICAL() taskEXIT_CRITICAL

10、() 增加了一个临界区嵌套计数 当进入临界区时，禁止中断 退出所有嵌套的临界区后再使能中断 如果只有1层，效果等同于禁止中断。,禁止调度,vTaskSuspendAll () xTaskResumeAll () 允许中断，但禁止任务调度。,例题,os_create_task_v0.3 在v0.2版本上作如下改动： 在任务中写串口时，加保护。 观察运行结果,课堂练习,例题是在启动调度器之前先完成两个任务的创建。请修改例题，实现在一个任务中创建另一个任务。(1P13),任务优先级,1,优先级实验,将例题“os_create_task_v0.3”中任务2的优先级设为2，观察运行结果。,结果分析（P1

11、9）,调度器总是选择具有最高优先级的可运行任务来执行。 任务1 的执行时间被任务2“饿死(starved)”了。,执行流程（P20）,扩充“非运行态”,1,非运行态（P21）,阻塞态（blocked） 挂起态（suspended ） 就绪态（ready）,阻塞态（blocked）,任务正在等待某个事件： 定时事件 同步事件,挂起态（suspended ）,调度器对挂起态的任务“不可见”,就绪态（ready）,任务已准备好，等待被运行。,任务状态机,思考,分析例题“os_create_task_v0.3”中，各任务的状态。,调度器,调度器总是在所有就绪态任务中，选择最高优先级的任务，进入运行态。

12、 如果被选中的任务不止一个，则轮流进入运行态。,例题,os_task_delay 利用阻塞态实现延迟 实现：将例题“os_create_task_v0.3”中的任务2优先级设为2，2个任务中的延时语句替换为： “vTaskDelay(1000 / portTICK_RATE_MS);”,vTaskDelayUntil(),vTaskDelay()延时的时间是：从该函数调用起，到该函数切出止。 vTaskDelayUntil()延时的时间是：从上一次切出该函数起，到这一次切出该函数止。,课堂练习,将例题“os_task_delay”中的延时语句替换为vTaskDelayUntil()。,incl

13、ude the API function,当空间受限时，可屏蔽不用的函数。,运行结果,尽管两个任务优先级不同，但2个任务都可以得到执行。,执行流程(P25),利用cube创建任务,1,课堂练习,用cube创建任务,空闲任务与钩子函数,1,空闲任务,优先级最低(0) 不能堵塞或挂起 作用： 使处理器有任务运行 可编写代码实现：测量CPU空闲时间、进入省电模式等功能。,回调函数,供驱动层或操作系统层调用的应用层函数，称为回调函数（call-back）,钩子函数,钩子函数（hook）是回调函数的一种。,例题,Os_hook 空闲任务钩子函数,观察结果,任务循环1次，空闲任务循环了若干次。,驱动程序移

14、植,1,驱动程序,嵌入式系统课程中“裸奔”的程序，只需稍作修改即可移植到操作系统中。,例题,“led”模块的移植。,课堂练习,参考例题移植“key”模块，并在cube默认建的任务中实现：按键打印输出KEY_1所按下的次数。,课堂练习,在freertos中，完成通用定时器的封装和移植，并实现以下功能：在利用cube新建的任务中，定时串行打印输出定时中断调用次数。,中断服务程序(ISR),代码尽可能短 不能传递参数 不能返回值 不能加串口调试代码,解决办法,通常的解决办法： 在ISR中做个标志，然后放到主程序中处理 适用于：实时性要求不高时。,例题,os_time_v0.1 定时时间设置 启动定时

15、器 HAL_TIM_Base_Start_IT(,课堂练习,在os_time_v0.1的基础上，实现led每隔0.2秒定时左移。,问题,有全局变量 如何实现全局变量的封装？,例题,os_time_v0.2 增加中间驱动层,思考,如果中断的实时性要求很高，如何处理？,中断管理,1,回顾,中断服务程序(ISR)要求： 代码尽可能短 不能传递参数 不能返回值 不能加串口调试代码,回顾,通常的解决办法： 在ISR中做个标志，然后放到主程序中处理 适用于：实时性要求不高时。,二值信号量,创建1个二值信号量 ISR中，发送信号 主程序中，接收信号 如何使用二值信号量发送中断信号？,接收信号主程序中，挂起等

16、待信号,发送信号,ISR中，发送信号,接收信号,主程序接收到信号,创建二值信号量,定义1个信号变量： xSemaphoreHandle xSemaphore; 创建信号： vSemaphoreCreateBinary(xSemaphore);,ISR中，发送信号,相关函数： portBASE_TYPE xSemaphoreGiveFromISR ( xSemaphoreHandle xSemaphore, portBASE_TYPE *pxHigherPriorityTaskWoken );,函数说明,信号量可以在ISR中发送，也可在任务中发送。 xSemaphoreGiveFromISR()

17、是xSemaphoreGive()的特殊形式，专门用于ISR中。,参数说明,参数1：信号量 参数2：输出参数，1P75 返回值： pdPASS：函数调用成功。 pdFAIL： 函数调用失败。,主程序中，接收信号,相关函数： portBASE_TYPE xSemaphoreTake ( xSemaphoreHandle xSemaphore, portTickType xTicksToWait );,参数说明,参数2： 阻塞超时时间，即任务进入阻塞态以等待信号量的最长时间。 以节拍数为单位。 如果设为portMAX_DELAY ， 则永久等待。 返回值： pdPASS：获得信号量 pdFALSE

18、：未获得信号量,例题,os_time_v0.3 使用信号量,流程,中断产生 当前任务ISR给出信号量 ISR退出时，运行堵塞任务,课堂练习,利用信号量，实现串口输出电子钟。输出格式为：hh:mm:ss，每秒单独显示1行。,课堂练习,利用外部中断，触发串口输出。,外部中断,引脚设置 MX_GPIO_Init();,函数重入,1,函数重入定义,如果一个函数可以安全地被多个任务或中断调用，则这个函数是可重入的。 如果一个函数除了访问自己栈空间上的数据外，不访问其它任何数据，则这个函数就是可重入的。,不可重入函数特征,访问了全局变量、静态变量、I/O函数等各种共享资源。,不可重入示例,static i

19、nt tmp;void func1(int* x, int* y) tmp=*x; *x=*y; *y=tmp; ,可重入示例,void func2(int* x, int* y) int tmp; tmp=*x; *x=*y; *y=tmp; ,问题,在中断函数或任务中，访问共享资源均容易出问题。,互斥量,互斥量是一种特殊的二值信号量，专门用于解决共享资源问题。,互斥量原理,互斥量可看作是与共享资源关联的令牌。一个任务想要合法地访问资源，必须先得到(Take)该资源对应的令牌(成为令牌持有者)。当令牌持有者完成资源使用后，必须马上归还(Give)令牌。如果拿不到令牌，则不能访问共享资源。,互

20、斥量展示,互斥量展示,互斥量展示,互斥量使用,互斥量创建 互斥量获取 互斥量归还,例题,os_reentrant_printf_1 封装printf为可重入函数,实验,通过实验对比reentrant_printf函数和printf函数的区别 将任务的优先级设为不同，再观察实验现象,实验分析,当任务的优先级相同时，printf函数出现了问题。 而当任务的优先级不同时，printf函数没有出现问题。 reentrant_printf函数都没有出现问题。,课堂练习,编写代码临摹例题。,例题,os_reentrant_printf_2 将波特率降为19200，使用外部中断触发任务1。,实验,采用pri

21、ntf函数时，多次按键触发任务1，观察任务2输出是否有遗漏。 改用reentrant_printf函数时，观察是否有遗漏。,实验分析,中断使printf函数出现了问题。 中断对reentrant_printf函数没有影响，但是否有潜在缺陷？,潜在缺陷,现象,Task2的优先级高于task1 但特殊情况下，高优先级的task2需让低优先级的task1先运行。 这一现象称为“优先级反转”。 图说明,优先级反转,这是不合理的行为方式。 最坏的情形：当高优先级任务正等待信号量的时候，一个介于两个任务优先之间的中等优先级任务开始执行，这就会导致一个高优先级任务在等待一个低优先级任务，而低优先级任务却无法

22、执行！,优先级反转流程,解决办法,互斥量已经提供了最基本的“优先级继承”机制。 优先级继承：持有互斥量的低优先级任务“继承”了等待互斥量的任务的优先级。,优先级继承流程,最基本,FreeRTOS只能实现最基本的互斥量的优先级继承机制。 这种实现是假定一个任务在任意时刻只会持有一个互斥量。,另一个潜在缺陷,死锁（ Deadlock ） 当两个任务都在等待被对方持有的资源时，两个任务都无法再继续执行，这种情况就被称为死锁。 死锁是利用互斥量提供互斥功能的另一个潜在缺陷。,死锁现象,1. 任务A 执行，并成功获得了互斥量X。 2. 任务A 被任务B 抢占。 3. 任务B 成功获得了互斥量Y，之后又试

23、图获取X。但X已被任务A 持有，因此，任务B 进入阻塞态以等待X 被释放。 4. 任务A 得以继续执行，其试图获取Y。Y 已经被任务B持有，任务A 进入阻塞态以等待Y 被释放。 5.任务A和任务B都无法执行。,解决办法,避免死锁的最好方法就是在设计阶段就考虑到这种潜在风险。 设计人员应熟悉整个应用程序，并能找出发生死锁的代码区域，消除死锁问题。 可通过守护任务访问共享资源彻底解决“优先级反转”和“死锁”问题。,队列管理,1,队列,FreeRTOS中的每个任务都是具有独立权限的小程序。 任务之间的通信是通过队列实现的。 队列就是有特殊功能的确定长度确定大小的数据单元。,队列读写过程,队列读写过程,队列的特性,可多个任务向同一队列写入或读出 如果队列为空，读队列的任务可保持阻塞状态 如果队列为满，写队列的任务可保持阻塞状态,队列的创建,队列发送,xQueueSend ( xQueueHandle xQueue, const void * pvItemToQueue, portTickType xTicksToWait );,队列接收,xQueueReceive ( xQueueHandl