ReWorks实时操作系统核心功能分析(-)课件.ppt

1、ReWorks嵌入式应用开发嵌入式应用开发ReWorks实时操作系统实时操作系统核心功能分析核心功能分析2培训大纲3培训大纲ReWorks上层应用开发基础上层应用开发基础ReWorks底层驱动开发基础底层驱动开发基础4培训大纲ReWorks上层应用开发基础上层应用开发基础ReWorks底层驱动开发基础底层驱动开发基础5培训大纲时钟时钟/定时器管理定时器管理:阐述ReWorks的系统时钟、时间、定时器等基本功能。中断中断/异常管理异常管理:描述ReWorks对于外部事件的中断响应方式，以及对于CPU异常的处理机制。多任务管理多任务管理:讲述ReWorks中对于多任务的调度机制，以及任务间共享资源

2、以及同步的手段。内存管理：内存管理：叙述实时系统中对于内存的管理方法，包括对于硬件MMU的支持。12345总结：总结：通过几个上机分组实验对培训内容进行归纳总结。6培训大纲时钟时钟/定时器管理定时器管理:阐述ReWorks的系统时钟、时间、定时器等基本功能。中断中断/异常管理异常管理:描述ReWorks对于外部事件的中断响应方式，以及对于CPU异常的处理机制。多任务管理多任务管理:讲述ReWorks中对于多任务的调度机制，以及任务间共享资源以及同步的手段。内存管理：内存管理：叙述实时系统中对于内存的管理方法，包括对于硬件MMU的支持。12345总结：总结：通过几个上机分组实验对培训内容进行归纳

3、总结。7系统时钟v 系统时钟是特定的周期性中断，该中断可以看做系统心脏的脉动系统时钟是特定的周期性中断，该中断可以看做系统心脏的脉动。系统时钟提供计时功能，使内核可以将任务延时若干个整数时钟节拍，以及当任务等待事件发生时，提供等待超时的依据。v ReWorks中缺省的时钟频率为100 次/秒；n 高精度时戳接口 sys_timestamp()返回当前的时戳数；sys_timestamp_freq()返回时戳频率。v 由于不同CPU时钟频率的差异，在调用thread_delay等系统延时函数时，函数的参数避免直接指定tick数，以保证等待的时间一致。1.1系统时钟8实时时钟v RTC时间的设置和

4、获取 实时时钟是硬件提供的管理系统日历时间的功能，ReWorks核心针对系统日历时间的操作的标准接口有：rtc_read、rtc_write,用户可以在这些接口里实现具体的RTC功能，从而可以实现设置、获取及维护系统的日历时间。实时时钟1.29v 定时器通过定时器控制块管理，通过系统时钟的计时手段提供定时触发功能。定时器状态转换图如下图所示：1.3定时器定时器管理10v 辅助时钟 为了提供更高精度的定时功能，硬件可以提供辅助时钟。v 主要接口函数（1）创建定时器 int utimer_create(u32*id)；（2）删除定时器 int utimer_delete(u32 id)；（3）启动

5、定时器 int utimer_start(u32 id,int ticks,void(*func)(void*),void*arg);（4）取消定时器 int utimer_cancel(u32 id);定时器（续）1.3定时器管理11培训大纲时钟时钟/定时器管理定时器管理:阐述ReWorks的系统时钟、时间、定时器等基本功能。中断中断/异常管理异常管理:描述ReWorks对于外部事件的中断响应方式，以及对于CPU异常的处理机制。多任务管理多任务管理:讲述ReWorks中对于多任务的调度机制，以及任务间共享资源以及同步的手段。内存管理：内存管理：叙述实时系统中对于内存的管理方法，包括对于硬件M

6、MU的支持。12345总结：总结：通过几个上机分组实验对培训内容进行归纳总结。12中断/异常管理v 异常异常是CPU所产生的非预料的事件，包括如：陷阱、中断指令、被零除、浮点指针或整数溢出、错误指令或地址错误。v 中断中断是一种硬件机制，用于通知CPU“有异步事件发生”。中断机制使CPU在事件发生时进行处理，而不必连续查询是否有事件发生。2.1中断/异常概述13中断/异常管理2.1异常号异常号异常名称异常名称异常号异常号异常名称异常名称0除零异常6无效指令异常4溢出异常7浮点异常5越界异常14非法地址异常x86常见异常号v系统出现异常时，CPU通常通过异常号来反映具体的异常信息。以x86为例，

7、常见的异常号如下表所示：14v 中断是一种硬件机制，用于通知CPU“有异步事件发生”。中断机制使CPU在事件发生时进行处理，而不必连续查询是否有事件发生。v ReWorks采用中断处理和任务的关联机制，使主体的中断处理任务可运行于用户空间。2.1外部事件响应中断/异常管理15中断/异常管理v 作为其I/O处理的一部分。ISR 通常直接与一个或多个任务通信，这种通信的性质通常是驱使一个任务运行并处理中断条件。这类似于任务与任务的通信或同步。但有两点重要的差别。v 首先，中断的优先级高于任务，即使ISR 发送一条消息和唤醒一个高优先级的任务使其就绪，ReWorks内核仍然必须先返回到ISR，让IS

8、R完成。v 其次,ISR 通常是通信/同步源，它往往需要返回一个信号量，或者向任务发送一个消息或一个事件。ISR 很少会是通信汇点，它不能等待消息或事件。2.1中断/异常概述16v 中断服务程序（ISR）注意事项（1）ISR代码尽量短；（2）不能调用引起系统阻塞的函数，如semTake、malloc、printf等；（3）锁中断时间应尽量短，否则会引起中断丢失;（4）避免在中断服务程序中使用浮点指针操作;（5）可通过logMsg()或者轮询输出函数printk打印调试信息;（6）不同中断不要使用相同的优先级。2.1外部事件响应（续）中断/异常管理17培训大纲时钟时钟/定时器管理定时器管理:阐述

9、ReWorks的系统时钟、时间、定时器等基本功能。中断中断/异常管理异常管理:描述ReWorks对于外部事件的中断响应方式，以及对于CPU异常的处理机制。多任务管理多任务管理:讲述ReWorks中对于多任务的调度机制，以及任务间共享资源以及同步的手段。内存管理：内存管理：叙述实时系统中对于内存的管理方法，包括对于硬件MMU的支持。12345总结：总结：通过几个上机分组实验对培训内容进行归纳总结。18任务管理v 单任务系统vs多任务系统 以一款具有播放歌曲、阅读电子书功能的多媒体电子设备为例，单任务系统中，两种功能只能顺序执行，不能同时进行；而多任务系统中，阅读电子书的同时可以播放歌曲，两个任务

10、可以同时进行。3.1 单任务系统 多任务系统概述19任务管理v 实时操作系统中多任务的划分原则实时操作系统中多任务的划分原则：（1）I/OI/O原则原则：不同的外设执行不同任务，CPU的操作快于I/O操作，如果将I/O操作串行将会浪费CPU资源；（2）优先级原则优先级原则：不同优先级处理不同的任务，对于突发事件的优先级等价于事件的时间耗尽线，不同优先级处理不同任务；（3）大量运算大量运算：归为一个任务；（4）功能耦合功能耦合：归为一个任务；（5）偶然耦合偶然耦合：归为一个任务，举例：f1()，f2()，f3()。早晨起床以后，刷牙、洗脸、吃早饭之间并没有必然的先后顺序，但由于习惯一直是按这个顺

11、序做的；（6）频率组合频率组合：对于周期时间，不同任务处理不同的频率。任务划分原则3.120任务管理v 任务的组成n 一个堆栈，用于程序执行时的局部变量存储和程序调用传送给程序的参数n 一个TCB，用于操作系统控制，包括一个相关的名字、惟一的ID、优先级、信号掩码、堆栈、任务私有数据和相应的任务例程，这些信息都记录在由系统分配与维护的一个数据结构任务控制块中。n 多个任务可以执行相同的应用执行代码v 提供任务创建、关闭、挂起、恢复以及获取任务信息等操作接口；v 任务状态 就绪、阻塞、运行、挂起、僵死v ReWorks任务的优先级：0255，0 最高，255最低。v 系统缺省的调度方法：基于优先

12、级调度，关闭轮转调度。3.1任务基本概念213.1ReWorks系统任务vReWorks中的系统任务 任务名任务名任务描述任务描述优先级优先级任务名任务名任务描述任务描述优先级优先级wdg看门狗31ntwk网络70recycle任务回收32shellshell80log日志65ftpdftp95exc异常66init初始化100telnettelnet75idle空闲255任务管理223.1ReWorks中的任务类型中断任务ReWorks任务POSIX任务VxWorks任务优先级031322556425464254接口ithread_createithread_closeuthread_cre

13、ate,uthread_closeuthread_lock,uthread_unlockuthread_pri_setuthread_pri_getuthread_suspenduthread_resumeuthread_is_suspendeduthread_selfuthread_id_verifyuthread_options_setuthread_options_getthread_name_to_idthread_name pthread_createpthread_selfpthread_once,pthread_exitpthread_join,pthread_killpthre

14、ad_detachpthread_equalpthread_cancelpthread_testcancelpthread_setcancelstatepthread_setcanceltypepthread_setschedparampthread_getschedparampthread_cleanup_pushpthread_cleanup_poptaskSpawn，sptaskTcb,taskActivatetaskDelete,taskDeleteForcetaskLock,taskUnlocktaskPrioritySet,taskPriorityGettaskSuspend,ta

15、skResumetaskSafe,taskUnsafetaskDelayPeriod，repeattaskRestart,taskIsReadytaskIsSuspendedtaskIdSelf,taskIdVerifytaskNameToId,taskName任务管理23任务管理v ReWorks内核缺省采用基于优先级的抢占调度算法v 可选择时间片轮转法以及先进先出算法调度相同优先级的任务；v 基于优先级的抢占调度算法指任何时刻都严格按照高优先级任务在处理器上运行的原则进行任务的调度；3.1基于优先级的抢占调度 基于优先级的抢占调度24任务管理v 时间片轮转调度时间片轮转调度：当2个或2个以

16、上任务有同样的优先级时，内核允许一个任务运行一段确定的时间后，切换到另外一个就绪态的任务。v 缺省系统关闭时间片轮转调度。时间片轮转任务调度 时间片轮转调度3.125任务管理v 任务在执行过程中发生同步上下文切换任务在执行过程中发生同步上下文切换n 任务自身发生阻塞、延时、挂起等状态变化n 当启动一个高优先级任务时n 减低当前任务的优先级n 任务自行运行完毕，退出执行v 当有中断发生时发生异步上下文切换当有中断发生时发生异步上下文切换n 使得一个高优先级任务准备运行n 挂起当前的任务或减低其优先级任务切换点3.126任务管理v 代码重入是指同一段代码可以被多个任务同时调用访问代码重入是指同一段

17、代码可以被多个任务同时调用访问v 重入代码内应该无全局变量以及静态变量重入代码内应该无全局变量以及静态变量v ReWorks使用以下的机制来实现重入使用以下的机制来实现重入n 动态堆栈变量，即局部变量，每个任务在自己的堆栈中进行操作n 资源共享机制，可以实现对于全局变量以及静态变量的共享访问，主要包括锁中断、锁任务、互斥信号量等n 任务变量，保存在任务的上下文中，每次上下文切换时保存变量值代码重入3.127任务管理v 每个任务使用一个全局整数来保存错误标识号每个任务使用一个全局整数来保存错误标识号n 程序发生错误，可以设置相应错误号n 每个错误号有定义的详细错误信息n 可以通过查询错误号可以进

18、行错误的定位和诊断v 相关函数：相关函数：设置错误号errno_Set()、获取错误号errno_Get()、获取错误描述信息strerrorv 用户自定义错误编码用户自定义错误编码任务错误号3.128任务管理v 创建一个任务，创建一个任务，ReWorks必须必须n 分配堆栈和TCB存储空间n 初始化堆栈和TCBn 初始化上下文，将任务放到就绪队列中v uthread_create接口接口 u32 uthread_create(char*name,void(*entry)(void*),void*argu,int stacksize,u32 options,int pri);任务创建3.129

19、29任务管理任务创建3.1RE_FP_TASK指任务支持浮点运算，指任务支持浮点运算，RE_NO_STACK_FILL指指 创建任务堆栈时，任创建任务堆栈时，任务堆栈不需要填写务堆栈不需要填写0XEE，RE_NO_TIMESLICE指任务不支持时间片调度。指任务不支持时间片调度。30v 实例描述：生产者实例描述：生产者-消费者问题消费者问题u一群生产者任务在生产消息，并将此消息提供给消费者任务去消费。u为使生产者和消费者能并发执行，在它们之间设置一个具有N个缓冲区的缓冲池，生产者将生产的消息放入一个缓冲区，消费者从一个缓冲区取得一个消息消费。u所有的生产者和消费者任务都是以异步方式运行，但它们

20、之间必须保持同步。问题的提出3.2任务通信31 当生产者任务将生产的消息放到缓冲区后，要及时通知消费者任务消费消息，使得两个任务同步，实现同步的机制主要有：u 信号量信号量：生产者通过获取和释放二进制信号量通知消费者任务消费消息。在多个任务需要同步情况下，可以通过计数信号量实现。u 事件事件：生产者任务将消息放入缓冲区后，发送特定事件，消费者任务接收到该事件后开始运行。u 消息队列消息队列：生产者任务将生产的消息放到指定消息队列中，消费者任务接收消息，实现任务同步。同时，生产者任务和消费者任务都会访问存放消息的缓冲区，为了保护缓冲区内容，只能让一个任务独占该资源，可以通过以下机制实现：u 互斥

21、信号量互斥信号量：特殊的二进制信号量，它支持所有权、递归访问、任务删除安全和一个或多个协议，以避免互斥固有的问题。解决方法3.2任务通信32任务通信v 信号量是任务同步的最主要手段，在一定程度上亦可提供互斥功能。ReWorks下信号量被优化，是能够提供最快的任务间通信服务的机制。v 信号量分类n 二进制信号量：最快和常用的信号量，提供阻塞方式，用于实现同步或互斥；n 计数信号量：类似于二进制信号量，记录信号量被释放的次数。适合于一个资源的多个实例需要保护的情况；n 互斥信号量：互斥量是保护临界区资源、实现任务间互斥通信的主要手段。v 保护临界区资源的主要措施u 锁中断u 锁任务，禁止任务调度u

22、 互斥信号量信号量3.233任务通信v 消息队列是应用动态创建的具有可消息队列是应用动态创建的具有可变长度的缓冲区变长度的缓冲区。消息的长度和存储在其中的内容都是用户定义的，可以是实际的数据、指针或空。通过它，任务和ISR发送和接收消息，实现带数据的通信和同步。v 消息队列是系统管理的机构。消息队列是系统管理的机构。队列允许任务传递可变长的消息。可使用队列进行几个同种资源的互斥访问。队列的长度相当于资源的数目，它决定了有多少个任务能够同时使用该资源。消息队列ReWorks的消息队列3.234任务通信v reworks内核提供一个特殊的寄存器作为每个任务控制块的一部分，即事件（event）寄存器

23、。它是一个属于任务的对象，并由一组跟踪指定 事件值的二进制值事件标志组成。事件寄存器的长度为32bit，寄存器中每一位作为二进制标志（事件标志），并可以被设置或 删除。v 事件没有等待队列，每个事件只针对特定任务；v 事件接口：（1）发送事件 u32 event_send(u32 id,u32 event_in);（2）接收事件 u32 event_recv(u32 event_in,u32 option_set,u32 ticks,u32*event_out)；事件3.235任务通信v 编程实例事件（续）事件（续）void task1()/*发送事件给指定任务*/event_send(tas

24、k_id,OS_EVENT1);void task2()/*接收事件任务*/*接收指定事件*/event_recv(OS_EVENT1,OS_ANY_EVENT,NO_TIMEOUT,&events);/*如果接收到指定事件时，任务进入就绪状态，否则，继续等待*/3.236任务通信v 信号是所谓的软件中断软件中断，在系统里经由一些软件的执行而产生。例如，在shell中执行ctrl-c操作可以终止shell里某个操作的执行。信号3.237371、当任务处于阻塞状态时收到信号；2、任务离开阻塞队列，进入就绪队列，准备运行；3、当任务成为就绪队列中的最高优先级任务时，执行信号处理程序；4、信号处理程

25、序执行完后，任务返回阻塞状态，保持原始超时信息不变。信号处理流程阻塞队列阻塞队列就绪队列就绪队列运行事件处运行事件处理程序理程序任务通信3.238任务通信3.238v信号不适合于实现普通的任务间通信信号不适合于实现普通的任务间通信u信号处理程序的优先级太高，会阻塞其他任务的执行u打断了任务的正常执行顺序。最好创建两个任务，而不是在一个任务中通过信号控制u可能导致任务的重入问题：例如，运行信号服务程序的任务和运行正常代码的相同任务v可以用于告诉一个任务将其自身关闭可以用于告诉一个任务将其自身关闭信号使用注意事项39培训大纲时钟时钟/定时器管理定时器管理:阐述ReWorks的系统时钟、时间、定时器

26、等基本功能。中断中断/异常管理异常管理:描述ReWorks对于外部事件的中断响应方式，以及对于CPU异常的处理机制。多任务管理多任务管理:讲述ReWorks中对于多任务的调度机制，以及任务间共享资源以及同步的手段。内存管理：内存管理：叙述实时系统中对于内存的管理方法，包括对于硬件MMU的支持。12345总结：总结：通过几个上机分组实验对培训内容进行归纳总结。40ReWorks内存地址分布结构(x86)4.1内存管理41MMU内存管理v MMU功能 MMU将虚拟地址映射为物理地址,从而提供硬件机制的内存访问授权，增强系统内存访问的安全性和可靠性.v ReWorks的MMU功能 内存一一映射 页的

27、访问控制内存管理4.142cache管理vcache功能 缓存管理通过CPU相关缓存（指令cache、数据cache）和目标板相关缓存（体系结构相关），实现了常用数据的快速读写，从而提高程序的执行效率.vcache工作方式write-through：数据直接写入主存，再备份到cache copyback：写操作只执行写到cache并不写到内存，只有存在写内存要求时才执行写内存。vReWorks的cache分类指令cache 数据cache内存管理4.143cache主要接口内存管理4.144内存分配释放接口内存管理4.145培训大纲时钟时钟/定时器管理定时器管理:阐述ReWorks的系统时钟、

28、时间、定时器等基本功能。中断中断/异常管理异常管理:描述ReWorks对于外部事件的中断响应方式，以及对于CPU异常的处理机制。多任务管理多任务管理:讲述ReWorks中对于多任务的调度机制，以及任务间共享资源以及同步的手段。内存管理：内存管理：叙述实时系统中对于内存的管理方法，包括对于硬件MMU的支持。12345总结：总结：通过几个上机分组实验对培训内容进行归纳总结。46培训内容归纳知识点总结1324嵌入式实时系统嵌入式实时操作系统概念ReWorks核心功能ReWorsk应用部署reworks任务管理、中断/异常、时钟/定时器、信号量、消息队列、信号、事件、文件系统/IO、设备管理reworks引导、加载、固化、升级嵌入式实时系统定义、特点、举例嵌入式实时操作系统的主要作用5.1