嵌入式操作系统(嵌入式操作系统有哪些)

嵌入式实时操作系统是什么

嵌入式实时操作系统是一个特殊的程序,是一个支持多任务的运行环境。嵌入式实时操作系统最大的特点就是“实时性”,如果有一个任务需要执行,实时操作系统会立刻执行该任务,不会有较长的延时。典型的实时操作系统有uCOS ,RT-Thread,FreeRTOS ,VxWorks,WinCE等。

嵌入式操作系统(嵌入式操作系统有哪些)

嵌入式实时操作系统是一个特殊的程序(通常称为内核),它可以创建,销毁,控制所有任务。嵌入式实时操作系统除了包含一个内核以外,还提供其他服务,如文件系统,协议栈,图形用户界面等。本文的重点在于了解嵌入式实时操作系统内核的工作原理和结构,因此文中提到的实时操作系统通常指的是操作系统内核。实时操作系统内核通常要占用5%左右的CPU运行时间,另外内核是一个软件代码,需要额外占用ROM空间和RAM空间。

实时性

实时性可以定义为:触发条件产生后系统的反应能力。通俗的描述就是“天下武功唯快不破”,能达到所需要的“快”就是实时,在不同的场合需要达到us级、ns级。实时系统不仅仅只表现在“快”上,更主要的是实时系统需要对触发事件在限定时间内做出反应,这个限定时间是根据实际需要来定,例如自动驾驶控制系统的规定时间要求很短,需要在极短时间内做出动作;一些农业温度控制系统的规定时间要求比较长,需要温度控制平滑稳定。

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响应时间

实时性越强,其响应时间越短。响应时间是指系统识别到一个事件直至开始做出响应的时间。举一个简单的例子:一个工控设备有一个急停按键开关,用户希望按下急停开关的时候系统立即将停止所有的动作,假设用户在第1.001秒时按下了急停开关,软件系统在第1.011秒时执行了停止指令,工控设备相应的机械部件在1.211秒停止动作,此时软件系统响应时间为0.01秒,设备系统响应时间为0.21秒,设备系统的响应时间和软件系统的响应时间有一定区别,通常情况下设备系统的响应时间>软件系统的响应时间。本文中提到的响应时间指的是软件系统的响应时间

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再举一个通俗的例子:你在玩王者荣耀,突然发现对面打野从草丛中跑出准备gank你,从你眼睛看到,到手指点击闪现,然后到你的人物闪现到塔下。这就是响应时间,高端职业玩家可能只需要100ms即可完成整套动作,而菜鸟玩家可能需要1000ms来完成整个动作。

普通的嵌入式软件架构

普通的嵌入式软件系统通常设计成前后台结构,这个结构包含一个死循环和若干中断服务程序:应用程序是一个无限循环的代码块,循环中调用相应的函数完成相应的操作(后 台),中断程序用于处理系统的异步事件(前台)。前台称做中断级,后台称做任务级。下面是一个典型的前后台结构的代码:

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上图中的代码的执行流程是:

1、判断按键标志位,若标志位为1就执行按键处理操作。

2、判断通讯标志位,若标志位为1就执行通讯处理操作。

3、执行LCD显示操作

4、判断传感器标志位,若标志位为1就执行传感器处理操作。

此代码中有3个中断函数:

1、GPIO外部中断,当按键按下后产生一个中断,中断函数中将键标志位置1。

2、串口空闲中断,当串口总线空闲时产生一个中断,中断函数中将通讯标志位置1。

3、定时器中断,每500ms周期性产生一个中断,中断函数中将传感器标志置位置1。

代码执行如图所示:

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分析运行图:

1、程序判断按键标志位,标志位为0,不执行按键处理函数。

2、程序判断通讯标志位,标志位为0,不执行通讯处理函数。

3、程序执行显示处理函数,此时用户按下了按键,系统进入按键中断程序将按键标志位置1,中断完成后返回显示处理函数继续运行。

4、显示处理函数运行过程中,此时串口接收完一包数据产生了一个空闲中断,系统进入串口空闲中断程序将通讯标志位置1,中断完成后返回显示处理函数继续运行。

5、显示处理函数运行过程中,定时器产生中断,系统进入定时器中断程序将传感器标志位置1。

6、显示处理函数执行完毕,程序判断传感器标志位,标志位为1,执行通讯处理函数。

7、程序判断按键标志位,标志位为1,执行按键处理函数。

8、程序判断通讯标志位,标志位为1,执行通讯处理函数。

9、无限循环…

由上述例子可知,按键标志位和通讯标志位就绪后,程序还需要等待显示函数,传感器函数执行完毕。即使是按键处理函数的紧急性再高,也需要等待其他函数执行完毕。因此就产生了响应延迟,响应延迟的时间随机的不确定的,有的时候是几毫秒的时间,有的时候是几百毫秒甚至更长(如执行传感器读取)。因此有必要提高系统的实时性。

实时操作系统

实时操作系可以随时剥夺正在运行任务的CPU使用权,并将CPU使用权交给进入就绪状态的最高优先级任务,使用操作系统后的运行图如下:

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分析运行图:

1、低优先级的显示任务正在运行,此时用户按下了按键,系统进入按键中断程序给按键任务发送一个信号,此时按键任务进入就绪状态,中断返回时切换到按键处理任务中运行。

2、按键处理任务正在运行,此时串口接收完一包数据产生了一个空闲中断,系统进入串口空闲中断程序并给通讯处理任务发送一个信号,通讯处理任务进入就绪状态,中断返回时切换到通讯处理任务。

3、通讯处理任务执行完毕,放弃CPU使用权限,此时切换到按键处理任务。

4、按键处理任务执行完毕,放弃CPU使用权限,此时切换到显示处理任务。

由此可见,当触发产生后实时操作系将立即中断当前的任务并执行相应的任务。使用实时操作系统极大地提高软件系统的实时性。

实时操作系统组成

实时操作系由以下3个子系统组成(以uCOS和FreeRTOS为参考对象):

1、任务调度子系统

2、任务通信子系统

3、内存管理子系统

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任务调度子系统主要是维护两个链表:就绪表等待表。切换任务时从就绪表中取出最高优先级任务;任务需要延时等待时,内核将任务中就绪表中移动到等待表中;时钟节拍任务会周期性的更新等待表,并将等待时间完成的任务从等待表中移动到就绪表中。

任务通讯子系统主要是维护一个链表:挂起表。任务需要等待信号时,内核将任务移动到挂起表中,当内核收到信号时,内核将任务从挂起表中移动到就绪表中。

内存管理子系统,内核提供了几种动态申请内存的方式,防止出现内存碎片

实时操作系统的子系统将在后续持续更新。

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作者:李巍

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