《嵌入式操作系统》PPT课件.ppt

1、嵌入式操作系统,陈香兰 助教：陈博、李春华 Spring 2009,RTEMS操作系统介绍,3,提纲,RTEMS概述 RTEMS4.0.0体系结构及模块介绍 RTEMS4.0.0的启动 Hello任务的运行 Printf的实现,4,RTEMS概述,实时多处理器系统Real Time Executive for Multiprocessor Systems 开源的无版税的实时嵌入操作系统 最早用于美国国防系统first=实时导弹系统=Real Time Executive for Missile Systemsthen=实时军用系统=Real Time Executive for Militar

2、y Systems， 现在由OAR公司负责版本的升级与维护。 在航空航天、军工、民用等领域都有广泛应用。,5,RTEMS体系结构,版本4.0.0 APP静态联编，包括 应用程序、C库、RTEMS RTEMS相关的所有源代码都在c目录下，包括操作系统、测试包、应用实例、BSP包、设备驱动以及支持库。 总体上RTEMS代码由两部分组成 EXEC：RTEMS操作系统执行体 82, 645 行 LIB：RTEMS库，包括libc、bsp（包括驱动）以及libcpu 146, 262 行,EXEC,LIB,6,RTEMS的源代码结构,阅读各个层次目录下的readme 观察主要目录及文件,7,EXEC,R

3、TEMS操作系统包括一个核心score 核心之上有可以支持两种操作系统封装 符合POSIX标准的 RTEMS 在最上层是SAPI EXEC代码统计信息 SCORE：52166 行 RTEMS：16045 行 POSIX：11345 行 SAPI：3089 行,8,LIB,Libbsplibbsp.a Libc Libcpu Libmisc Libnetworking Start,BSP基本功能,BSP基本驱动,基本C库,CPU库，CPU相关操作，但与board无关,一些工具,网络,启动支持，i386和ppc都不在这,9,SCORE中的模块及其依赖关系,Src：15个主要的handler API

4、扩展、user扩展、Workspace、heap、Object、Thread、threadq、Watchdog、tod、Msg、sem、mutex、Isr、interr、chain 一些辅助handler：address、sysstate、state、context、priority等 Mp相关 Cpu：提供CPU相关的一些支持,10,API和user扩展,不同的操作系统封装具有不同的操作系统语义。有时需要在score的基础上进行扩展。 score提供两种扩展： API扩展和user扩展。 API扩展提供了3个可扩展点 Predriver：系统初始化时，所有驱动初始化前 Postdriver：

5、系统初始化时，所有驱动初始化后 Postswitch：根据需要在线程切换后,11,User扩展提供了8个扩展点： Thread_create：在线程初始化后执行 Thread_start：在线程启动后 Thread_restart：在线程重启后 Thread_delete：在线程close的后面运行 Thread_switch：上下文切换之前 Thread_begin：在线程入口程序运行前 Thread_exitted：在线程入口程序退出后 Fatal：系统出错时,12,每次扩展都要提供API/user扩展点集的扩展例程集，组织成一个扩展节点 可以进行多次扩展，所有扩展节点使用链表连接在一起

6、_API_extensions_List _User_extensions_List 扩展例程的执行 在每个扩展点，遍历API/user扩展链表，对每个扩展节点，找到这个扩展点的例程并执行,13,Score中的chain,这是score中普遍使用的一种数据结构 类似双向链表 包括一个链表控制结构和若干链表节点 使用chain链表的大多数数据结构都将链表节点数据结构作为第一个元素，以便于通过类型转换方式维护链表,14,Score的heap,一种动态内存管理方法 堆=一组堆块 所有的空闲堆块组织成一个空闲堆块链表。 分配算法：首次适应算法 分配：分割；回收：合并 初始化给定内存区域，划分成两个堆块

7、 一个大堆块，基本覆盖全部内存区域 最后8个字节为第二个堆块为整个堆的尾堆块，永远不会分配出去,15,Score的workspace,Workspace是score的可用内存区域。 Score的各个模块都通过workspace的分配/回收函数使用内存。 Workspace是score heap的一个应用实例。 Workspace的初始化 根据rtems静态配置信息，计算出Workspace的大小 在系统初始化时，辟出相应的物理内存作为Workspace,16,Score的对象管理,17种对象类型 内部线程、RTEMS任务、POSIX线程 其他8种RTEMS对象类型： 定时器、信号量、消息队列、

8、分区、区域、端口、周期、扩展 其他6种POSIX对象类型： 中断、消息队列、互斥量、信号量、条件变量、键值,17,每个对象类型有专门的对象类型信息结构保存该类对象的基本信息，包括： 类型号 最小和最大id 最多对象个数 有效对象句柄表 对象名字字符串数组、最大对象名字长度 空闲对象链表 等等,18,每个有效对象都有一个32位的对象id标识 后16位：对象索引号 中间11位：对象位置信息（本地or远程） 高5位：对象类型号,19,对象数据结构 对象控制结构 链表节点：连接同一种类型的对象。,20,Score的watchdog,Watchdog实现定时执行功能。 提供两种定时单位：tick和sec

9、ond。使用两个定时器链表分别维护： _Watchdog_Ticks_chain _Watchdog_Seconds_chain 维护：只需要考虑最前面的定时器 定时器按到期时间先后排序 后继定时器记录与前驱定时器之间的时间差,21,Score的线程队列,有两种线程队列维护方式 基于FIFO，所有线程都在一个队列上 基于优先级： 一共256个优先级， 为查找方便256个优先级划分为4组，每组一个队列，负责64个优先级 查找时高32个优先级从队列前方开始搜索底32个优先级从队列后方开始搜索,22,Score的消息队列,两种消息队列： 基于FIFO的：等待消息的线程按照FIFO原则排队 基于优先级

10、的：等待消息的线程按照优先级原则排队 Score允许紧急消息。 当没有等待线程时：普通消息插入消息链表的末尾；紧急消息插入消息队列的前面。,23,Score的信号量,Score的信号量也有两种类型：（根据等待线程的排队原则） 基于FIFO 基于优先级,24,Score的互斥锁,Score的互斥锁有四种 基于FIFO 基于优先级 基于优先级继承 基于优先级置顶,25,Score的interr处理,内部出错处理流程： 填写出错信息 执行user扩展中的fatal扩展 调用CPU相关代码_CPU_Fatal_halt停止系统运行 对于i386，首先关中断，然后执行hlt指令,26,RTEMS,Tas

11、k INTR Partition，Region Dpmem Clock，Timer Ratemon Signal，Event，MsgQ，Sem,27,SAPI,INIT Debug Extension Fatal Io,28,RTEMS Partition,一种静态分区内存管理机制。 分区中，内存被组织成固定大小的缓冲区。 初始化时，所有的内存被划分成一个个缓冲区，并链接为空闲链表； 分配时，从空闲链表上获得缓冲区； 释放时，将缓冲区释放到空闲链表上。,29,RTEMS Region,一种动态内存管理方法。 区域中的内存按照堆（score heap）的方式动态管理 区域中的堆块又称为段。 分配

12、时，若内存不够，则申请者可以考虑等待。 释放时，若有等待线程，则要考虑将空闲内存分配给等待者。,30,Libcsupport & newlib,Malloc _REENT IO,31,RTEMS-4.0.0的启动,上电？ BSP：start16.s BSP：Start.s BSP：Main.c RTEMS：INIT ,32,Start.s（pc386）,关中断 装载各个段寄存器 装载Gdt和Idt 通过ljmp装载全新的CS，并且清空指令cache等 装载ss、ds、es、fs、gs 重新设置8259 建立堆栈 BSS段清0 检查CPU信息 调用boot_card,33,Main.c：boot

13、_card,缺省初始化Cpu_table 复制配置表 调用bsp_start 调用rtems_initialize_executive_early 调用main （一旦从main退出执行到这里，就说明系统运行结束） 调用bsp_cleanup,34,Bspstart.c：bsp_start,校正时间 为printk进行初始化 空闲内存起始地址初始化rtemsFreeMemStart 初始化Cpu_table 对齐空闲内存起始地址 设置BSP_Configuration中workspace的起始地址参数 空闲内存起始地址指向workspace之后 为console保留资源 初始化rtems的中断

14、管理 初始化rtems的异常管理,35,RTEMS第一阶段初始化,rtems_initialize_executive_early 初始化各个模块 在合适的位置执行各项扩展 bsp的多任务启动前扩展、驱动初始化前扩展、驱动初始化后扩展 API扩展的驱动初始化前扩展、驱动初始化后扩展 初始化设备驱动 创建idle线程,36,Bsp的main,调用rtems_initialize_executive_late进行第二阶段的初始化，并进入实际运行阶段 若返回，则说明系统运行已经结束 返回0,37,RTEMS第二阶段初始化,rtems_initialize_executive_late 启动多任务（从

15、bsp上下文切换到线程后继运行） 一旦从多任务返回，则系统运行结束 ,38,Hello任务的运行,观察hello中init.c、Makefile.in以及system.h 涉及pc386.cfg等文件；confdef.h RTEMS应用的启动程序，名为init 通过配置表的方式传递给RTEMS的初始化管理器 rtems_initialization_tasks_table Initialization_tasks =, init, rtems_api_configuration_table Configuration_RTEMS_API = , Initialization_tasks rte

16、ms_configuration_table Configuration =,39,在初始化第一阶段 调用_RTEMS_API_Initialize初始化API相关内容 调用_RTEMS_tasks_Manager_initialization初始化任务管理器 添加API扩展_RTEMS_tasks_API_extensions包含_RTEMS_tasks_Initialize_user_tasks作为postdriver _API_extensions_Run_postdriver中被调用,40,在RTEMS初始化的第二阶段，上下文切换到调度后继 这个调度后继，永远指向当前最应该运行的任务 在初始化刚刚完成时，通常就是init 考察rtems_task_start,_Thread_Start,_Thread_Ready,_Thread_Calculate_heir,41,Project 4,在RTEMS4.0.0中，选择下列任一模块加以分析： 内存管理