【單片機到嵌入式之路】序列之7：操作系統基本概念你知道多少？

　　本節我們將從實(shí)時(shí)操作系統來(lái)講解，主要是從下面3個(gè)方面進(jìn)行講解：

　　1.操作系統的分類(lèi)

　　2.實(shí)時(shí)操作系統

　　3.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的基本概念

　　一、操作系統分類(lèi)：

　　目前廣泛使用的操作系統有三個(gè)：

　　A.多道批處理操作系統

　　B.分時(shí)操作系統

　　C.實(shí)時(shí)操作系統

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

　　二、實(shí)時(shí)操作系統：

　　1.實(shí)時(shí)操作系統具有如下特點(diǎn)：

　　a) 異步的事件響應

　　b) 切換時(shí)間和中斷延遲時(shí)間確定

　　c) 優(yōu)先級中斷和調度

　　d) 搶占式調度

　　e) 內存鎖定

　　f) 連續文件

　　g) 同步

　　實(shí)時(shí)操作系統總的來(lái)說(shuō)是事件驅動(dòng)的，能對來(lái)自外界的作用和信號在限定的時(shí)間范圍內做出響應。它強調的是實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性，與實(shí)時(shí)應用軟件相結合成為有機的整體起著(zhù)核心作用，由它來(lái)管理和協(xié)調各項工作，為應用軟件提供良好的運行軟件環(huán)境及開(kāi)發(fā)環(huán)境。

　　從實(shí)時(shí)系統的應用特點(diǎn)來(lái)看實(shí)時(shí)操作系統可以分為兩種：

　　a.一般實(shí)時(shí)操作系統

　　b.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統

　　2.實(shí)時(shí)操作系統的特點(diǎn)

　　一般實(shí)時(shí)操作系統應用于實(shí)時(shí)處理系統的上位機和實(shí)時(shí)查詢(xún)系統等實(shí)時(shí)性較弱的實(shí)時(shí)系統，并且提供了開(kāi)發(fā)、調試、運用一致的環(huán)境

　　嵌入式實(shí)時(shí)操作系統應用于實(shí)時(shí)性要求較高的實(shí)時(shí)控制系統，而且應用程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程是通過(guò)交叉開(kāi)發(fā)來(lái)完成的，即開(kāi)發(fā)環(huán)境與運行環(huán)境是一致。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統具有規模小(一般在幾K~幾十K內)、可固化使用實(shí)時(shí)性強(在毫秒或微秒數量級上)的特點(diǎn)。

　　三、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的基本概念

　　下面主要認識一下幾個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的基本概念，這也是學(xué)習操作系統的基礎。

　　1、前后臺系統：對基于芯片的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，應用程序一般是一個(gè)無(wú)線(xiàn)循環(huán)，可稱(chēng)為前臺系統或超循環(huán)系統。

　　2、操作系統：是計算機中最基本的程序。操作系統負責計算機系統中全部軟硬件資源的分配與回收、控制與協(xié)調等并發(fā)的活動(dòng);操作系統提供用戶(hù)接口，是用戶(hù)獲得良好的工作環(huán)境;操作系統為用戶(hù)擴展新的系統功能提供軟件平臺。

　　3、實(shí)時(shí)操作系統(RTOS):實(shí)時(shí)操作系統是一般在嵌入式系統啟動(dòng)后首先執行的背景程序，用戶(hù)的應用程序是運行于RTOS之上的各個(gè)任務(wù)，RTOS根據各個(gè)任務(wù)的要求，進(jìn)行資源(包括存儲器、外設等)管理、消息管理、任務(wù)調度、異常處理等工作。在RTOS支持的系統中，每個(gè)任務(wù)均有一個(gè)優(yōu)先級，RTOS根據各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級，動(dòng)態(tài)地切換各個(gè)任務(wù)，保證對實(shí)時(shí)性的要求。

　　4、代碼臨界區：也稱(chēng)為臨界區，指處理時(shí)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(kāi)始執行，則不允許任何中斷打入(這不是絕對的，如果中斷不調用任何包含臨界區的代碼，也不訪(fǎng)問(wèn)任何臨界區使用的共享資源，這個(gè)中斷可能可以執行)。為確保臨界區代碼的執行，在進(jìn)入臨界區之前要關(guān)中斷，而臨界區代碼執行完成以后要立即開(kāi)中斷。

　　5、資源：程序運行時(shí)可使用的軟、硬件環(huán)境統稱(chēng)為資源。資源可以是輸入設備。也可以是一個(gè)變量、一個(gè)結構或一個(gè)數組等。

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

　　7、任務(wù)：一個(gè)任務(wù)也稱(chēng)作一個(gè)線(xiàn)程，是一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，該程序可以認為CPU完全屬于該程序自己。實(shí)時(shí)應用程序的設計過(guò)程，包括如何把問(wèn)題分割成多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都是整個(gè)應用的某一部分，每個(gè)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：當多任務(wù)內核決定運行另外的任務(wù)時(shí)，它保證正在運行任務(wù)的當前狀態(tài)，即CPU寄存器中的全部?jì)热?。這些內容保存在任務(wù)的當前狀態(tài)保存區，也就是任務(wù)自己的棧區之中。入棧工作完成以后，就把下一個(gè)將要運行的任務(wù)的當前狀態(tài)從任務(wù)的棧中重裝如CPU的寄存器，并開(kāi)始下一個(gè)任務(wù)的運行，這個(gè)過(guò)程就稱(chēng)任務(wù)切換。做任務(wù)切換所需要的時(shí)間取決于CPU有多少寄存器要入棧。

　　9、內核：多任務(wù)系統中，內核負責管理各個(gè)任務(wù)，或者說(shuō)為每個(gè)任務(wù)分配CPU時(shí)間，并且負責任務(wù)之間的通信。內核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。使用實(shí)時(shí)內核可以大大簡(jiǎn)化應用系統的設計，是因為實(shí)時(shí)內核允許將應用分成若干個(gè)任務(wù)，由實(shí)時(shí)內核來(lái)管理它們。內核提供必不可少的系統服務(wù)，如信號量、消息隊列、延時(shí)等。

　　10、調度：調度是內核的主要職責之一。調度就是決定該輪到哪個(gè)任務(wù)運行了。通過(guò)優(yōu)先級來(lái)實(shí)行調度(非占先式還是占先式)。

　　11、非占先式內核：要求每個(gè)任務(wù)自我放棄CPU的所有權。非占先式調度法也稱(chēng)作合作型多任務(wù)，各個(gè)任務(wù)彼此合作共享一個(gè)CPU。異步事件還是由中斷服務(wù)來(lái)處理。中斷服務(wù)可以使一個(gè)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)以后控制權還是回到原來(lái)被中斷了的那個(gè)任務(wù)，知道該任務(wù)主動(dòng)放棄CPU的使用權時(shí)，那個(gè)高優(yōu)先級的任務(wù)才能獲得CPU的使用權。

　　12、占先式內核：當系統響應時(shí)間很重要時(shí)，要使用占先式內核。因此絕大多數商業(yè)上銷(xiāo)售的實(shí)時(shí)內核都是占先式內核。最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的控制權。當一個(gè)運行著(zhù)的任務(wù)使一個(gè)比它優(yōu)先級高的任務(wù)進(jìn)入了就緒狀態(tài)，當前任務(wù)的CPU使用權就被剝奪了，或者說(shuō)被掛起了，那個(gè)高優(yōu)先級的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權。如果是中斷服務(wù)子程序使一個(gè)高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，中斷完成時(shí)，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級高的那個(gè)任務(wù)開(kāi)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)被調度的優(yōu)先程度。每個(gè)任務(wù)都具有優(yōu)先級。任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級應越高，越容易被調度而進(jìn)入運行態(tài)。

　　14、中斷：中斷是一種硬件機制，用于通知CPU有個(gè)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，跳轉到專(zhuān)門(mén)的子程序，稱(chēng)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. 在前后臺系統中，程序回到后臺程序;

　　B.對非占先式內核而言，程序回到被中斷了的任務(wù);

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

　　15、時(shí)鐘節拍： 時(shí)鐘節拍是特定的周期性中斷。這個(gè)中斷可以看作是系統心臟的脈動(dòng)。中斷之間的時(shí)間間隔取決于不同應用，一般在10ms到200ms之間。時(shí)鐘的節拍式中斷使得內核可以將任務(wù)延時(shí)若干個(gè)整數時(shí)鐘節拍，以及當任務(wù)等待事件發(fā)生時(shí)，提供等待超時(shí)的依據。時(shí)鐘節拍率越快，系統的額外開(kāi)銷(xiāo)就越大。