嵌入式操作系统教程第一章课件.ppt
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- 嵌入式 操作系统 教程 第一章 课件
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1、 嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念2 第一章 操作系统的基本概念 嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念3第一章 操作系统的基本概念1.1 计算机操作系统一、操作系统的基本概念1操作系统与计算机系统的关系。中央处理机(中央处理机(CPU)硬件子系统硬件子系统 存储器存储器 裸机裸机计算机系统计算机系统 输入输出设备输入输出设备 操作系统操作系统 系统程序系统程序 程序设计语言程序设计语言 软件子系统软件子系统 编译程序编译程序 应用程序应用程序注:有的操作系统本身也包含了程序设计语言和编译程序等功能。嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念4硬件部分:硬件部分:构成
2、了系统本身和用户作业赖以活动的物质基构成了系统本身和用户作业赖以活动的物质基础础 和环境。和环境。系统软件:系统软件:主要管理计算机系统本身的操作;主要管理计算机系统本身的操作;应用软件应用软件:主要解决用户的问题。主要解决用户的问题。2操作系统在计算机系统中的地位和作用 应应 用用 软软 件件 系系 统统 编译软件编译软件 软软 程序设计语言程序设计语言 件件 操作系统操作系统(底层)(底层)裸裸 机机计算计算机操作机操作系统系统 嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念5计算机系统的层次结构计算机硬件操作系统系统工具应用软件应用用户应用开发人员操作系统开发人员操作系统的地位:操作系统
3、的地位:是系统硬件之上的第一层软件,为其他软是系统硬件之上的第一层软件,为其他软件提供单向支撑作用。件提供单向支撑作用。裸机:裸机:没有任何软件支持的计算机。没有任何软件支持的计算机。虚拟机:虚拟机:对裸机功能的首次扩充,把裸机改造成功能更强、对裸机功能的首次扩充,把裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。使用更方便的机器。嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念6二、操作系统的功能1 1、对计算机系统硬件封装和扩充,提供一个计算机用户与计对计算机系统硬件封装和扩充,提供一个计算机用户与计算机硬件系统之间的接口(算机硬件系统之间的接口(API函数和函数和SHELL命令),使计命令),使计算
4、机系统更易于使用;算机系统更易于使用;2 2、有效地控制和管理计算机系统中的各种硬件和软件资源,有效地控制和管理计算机系统中的各种硬件和软件资源,提高计算机系统资源利用率;提高计算机系统资源利用率;3 3、合理地组织计算机系统的工作流程,以改善系统性能。合理地组织计算机系统的工作流程,以改善系统性能。三、操作系统的定义 操作系统操作系统是计算机系统中的一个大型的系统软件,它管是计算机系统中的一个大型的系统软件,它管理和控制计算机系统中的全部软、硬件资源,合理地组织计理和控制计算机系统中的全部软、硬件资源,合理地组织计算机的工作流程,为用户应用程序的运行提供一个友好的界算机的工作流程,为用户应用
5、程序的运行提供一个友好的界面和良好的工作环境。面和良好的工作环境。嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念7 嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念8一、中断和中断处理 1几个概念内核:内核:由由HAL(硬件抽象层)中的程序模块及进程管理、(硬件抽象层)中的程序模块及进程管理、内存管理等基本服务程序模块组成的系统核心部分内存管理等基本服务程序模块组成的系统核心部分 称为操作系统的内核。称为操作系统的内核。异步事件:异步事件:与当前正在做的事情不存在逻辑关系的事件。与当前正在做的事情不存在逻辑关系的事件。中断:中断:因异步事件的发生而迫使程序执行流程发生转移的因异步事件的发生而迫使
6、程序执行流程发生转移的 现象。现象。1.2 操作系统的内核是由中断驱动的 嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念92中断处理流程 嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念10二、系统时钟的实现1定时器:CPUCPU周期性工作的保证。周期性工作的保证。2系统时钟:由定时器发出的中断请求。由定时器发出的中断请求。嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念111.3 进程和线程的基本概念一、进程 1.概念:程序的一次运行过程程序的一次运行过程。2.特征:动态、并发、独立、异步和机构性。动态、并发、独立、异步和机构性。嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念12二、进程的概念1
7、.进程的实体:存储在存储器中且与进程直接相关的实存储在存储器中且与进程直接相关的实 体体代码、进程控制块及数据集合。代码、进程控制块及数据集合。可重入代码:可共享的程序代码。可重入代码:可共享的程序代码。2.进程状态及转换 就绪状态就绪状态:除除CPUCPU外,进程获取了其他所有必须得资源。外,进程获取了其他所有必须得资源。运行状态:就绪状态进程一旦获取运行状态:就绪状态进程一旦获取CPUCPU,进入运行状态。,进入运行状态。阻塞状态:因自身原因而暂停执行,转入阻塞状态。阻塞状态:因自身原因而暂停执行,转入阻塞状态。进程调度:在就绪进程中选择一个并使之运行的工作。进程调度:在就绪进程中选择一个
8、并使之运行的工作。嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念133.进程控制块 为了记录和跟踪进程的相关信息,操作系统用来记载相为了记录和跟踪进程的相关信息,操作系统用来记载相应信息的一种数据结构。应信息的一种数据结构。嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念144.进程的内存映像 进程控制块(进程控制块(PCBPCB)、进程数据、程序代码、进程堆栈)、进程数据、程序代码、进程堆栈三、线程的概念 为了减少系统切换进时的时间和空间开销,把进程进为了减少系统切换进时的时间和空间开销,把进程进一步分割为更小的单位一步分割为更小的单位线程。线程。操作系统在进行资源分配时,对存储空间资源,系统
9、操作系统在进行资源分配时,对存储空间资源,系统仍然以进程为单位进行分配,而对处理器资源则以线程为仍然以进程为单位进行分配,而对处理器资源则以线程为单位进行分配。单位进行分配。5.进程控制块链表 为了管理的方便,操作系统根据系统当前不同的状态,为了管理的方便,操作系统根据系统当前不同的状态,把那些具有相同状态的进程的进程控制块用链表组织。把那些具有相同状态的进程的进程控制块用链表组织。嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念151.4 进程管理多级反馈队列调度发:多级反馈队列调度发:按优先级划分若干的组,同组的进程的按优先级划分若干的组,同组的进程的 优先级相同,处理器以小于低级别队列优先
10、级相同,处理器以小于低级别队列 的时间片按的时间片按FIFOFIFO方式优先运行从高级别方式优先运行从高级别 队列的进程。队列的进程。一、进程(线程)调度 系统中的所有就绪进程,按照某种策略确定一个合适的进系统中的所有就绪进程,按照某种策略确定一个合适的进程按规定的使用权限(可剥夺方式程按规定的使用权限(可剥夺方式OROR不可剥夺方式)让处理器不可剥夺方式)让处理器运行它。运行它。1.调度策略时间片轮法时间片轮法:系统中的每个进程轮流占用处理器运行一个相同系统中的每个进程轮流占用处理器运行一个相同 的时间片。的时间片。优先级调度:优先级调度:每个进程都有一个优先级,级别的大小决定抢占每个进程都
11、有一个优先级,级别的大小决定抢占 处理器权利的大小处理器权利的大小(优先级决定方式优先级决定方式)。嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念162.进程切换 从正在运行的进程中收回处理器,然后再使待运行的进从正在运行的进程中收回处理器,然后再使待运行的进程占用处理器的过程。程占用处理器的过程。保存处理器保存处理器PCPC寄存器的值寄存器的值保存处理器保存处理器PSWPSW寄存器的寄存器的保存处理器保存处理器SPSP寄存器的值寄存器的值保存处理器其它相关寄存器的值保存处理器其它相关寄存器的值二、进程(线程)的同步与通信1.直接制约 源于进程间的相互合作,而受限制的行为。源于进程间的相互合作
12、,而受限制的行为。嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念172.间接制约 源于对资源的共享。源于对资源的共享。3.进程同步 进程间制约性的合作运行机制就为进程同步。进程间制约性的合作运行机制就为进程同步。三、进程的其它管理 1.进程的创建和删除 进程创建:分配进程创建:分配PCBPCB,并给,并给PCPC和和SPSP付值,置标志位。付值,置标志位。进程撤销:回收资源,自内存中删除。进程撤销:回收资源,自内存中删除。2.进程的挂起和恢复 由相应的进程挂起服务模块和恢复服务模块执行。由相应的进程挂起服务模块和恢复服务模块执行。嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念181.5 存储管
13、理一、计算机存储的层次可挥发性存储装置:可挥发性存储装置:系统掉电后,其所存储的信息会丢失殆系统掉电后,其所存储的信息会丢失殆 尽,属存储管理范畴。尽,属存储管理范畴。非挥发性存储装置:非挥发性存储装置:可永保存其上存储的信息,属设备管可永保存其上存储的信息,属设备管 理范畴。理范畴。嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念19二、存储空间的段页式分区 连续分配方式会形成许多碎片,虽然通过连续分配方式会形成许多碎片,虽然通过“紧凑紧凑”可以可以拼接,但是必须付出很多开销。因此产生了离散分配方式,拼接,但是必须付出很多开销。因此产生了离散分配方式,如果离散分配基本单位是页,则称为分页存储管
14、理方式;如如果离散分配基本单位是页,则称为分页存储管理方式;如果离散分配基本单位是段,则称为分段存储管理方式果离散分配基本单位是段,则称为分段存储管理方式1.存储空间的分页 分页存储分页存储:将一个进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等将一个进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的片,称为页面或页,并从的片,称为页面或页,并从0 0开始为各页加以编号。相应开始为各页加以编号。相应地,也把内存空间分成与页面相同大小的若干个存储块地,也把内存空间分成与页面相同大小的若干个存储块(512B-8K)(512B-8K),称为,称为(物理物理)块或页框块或页框(frame)(frame),也同样为它也同样为它
15、们加以编号。在为进程分配内存时,以块为单位将进程中们加以编号。在为进程分配内存时,以块为单位将进程中的若干个页分别装入到多个可以不相邻接的物理块中。的若干个页分别装入到多个可以不相邻接的物理块中。嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念202.存储空间的分段 引入分段存储管理方式,引入分段存储管理方式,主要是为了满足用户和程序员主要是为了满足用户和程序员的下述一系列需要:的下述一系列需要:方便编程、方便编程、信息共享信息共享 、信息保护信息保护 、动态增长动态增长 、动态链接。动态链接。分段:分段:按程序自身的逻辑关系把作业的地址空间划分为若干按程序自身的逻辑关系把作业的地址空间划分为若
16、干个程序段,每个程序段都有一个段名,且有一个段号。段号个程序段,每个程序段都有一个段名,且有一个段号。段号从从0 0开始,每一段也从开始,每一段也从0 0开始编址,段内地址是连续的。开始编址,段内地址是连续的。分段地址中的地址具有如下结构(二维的):分段地址中的地址具有如下结构(二维的):嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念213.存储空间的段页式划分 基本原理:基本原理:将用户程序划分若干个段,然后再把每个段分成将用户程序划分若干个段,然后再把每个段分成若干页,并为每一段赋一个段名。若干页,并为每一段赋一个段名。利用段表和页表实现地址映射的过程利用段表和页表实现地址映射的过程:段号
17、状态页表大小页表始址0111213041页号状态存储块#0111213041操作系统主存页表段表段表大小段表始址段表寄存器 嵌入式操作系统基础 第一章 操作系统的基本概念22三、虚拟存储器的概念1.虚拟存储的迫切性v有的作业很大,其所要求的内存空间超过了内存总容量,有的作业很大,其所要求的内存空间超过了内存总容量,作业不能全部被装入内存,导致该作业无法运行。作业不能全部被装入内存,导致该作业无法运行。v有大量作业要求运行,但是由于内存容量不足以容纳所有有大量作业要求运行,但是由于内存容量不足以容纳所有这些作业,只能将少数的作业装入内存让它们先运行,而这些作业,只能将少数的作业装入内存让它们先运
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