设计一个简单的嵌入式系统

出处:设计一个简单的嵌入式系统 发布于:2020-08-25 13:35:00

  设计一个简单的嵌入式系统
  这个是在网上看到的一篇文档,作者的目的是设计一个简单的嵌入式操作系统,只实现一个基本任务调度器的功能。正如作者所说,虽然不能称为操作系统,但已体现了小型嵌入式操作系统的精髓。对于我们来说是很好的学习资料,可以从中一窥操作系统的面目,今天分享给大家。
  1、多任务机制
  其实在单一CPU 的情况下,是不存在真正的多任务机制的,存在的只有不同的任务轮流使用CPU,所以本质上还是单任务的。但由于CPU执行速度非常快,加上任务切换十分频繁并且切换的很快,所以我们感觉好像有很多任务同时在运行一样。这就是所谓的多任务机制。
  实时系统的特征是延时可预测,能够在一个规定的时间内(通常是 ms 级别的)对某些信号做出反应。
  2、任务的状态
  任务有下面的特性:任务并不是随时都可以运行的,而一个已经运行的任务并不能保证一直占有 CPU 直到运行完。一般有就绪态,运行态,挂起态等。
  运行态:一个运行态的任务是一个正在使用 CPU 的任务。任何时刻有且只有一个运行着的任务。
  就绪态:一个就绪态任务是可运行的,等待占有 CPU 的任务释放 CPU。
  挂起态:某些条件不满足而挂起不能运行的状态。
  3、如何转化为就绪态
  INT32U OSRdyTbl; /* 就绪任务表 */
  上面定义一个 32 位变量,每一位代表一个任务,0 表示挂起状态,1 表示就绪状态。它记录了各任务的就绪与否状态,称它为就绪表。OSRdyTbl 定义为 32 位变量,对应32 个任务。当然,定义为 64 位的话,便  多能支持 64 个任务。这样,可以定义两个宏,实现把任务的状态变为就绪或挂起态。
  /* 在就绪表中登记就绪任务 */
  #define OSSetPrioRdy(prio) { OSRdyTbl |= 0x01《《prio;} //把相应位置1
  /* 从就绪表中删除任务 */
  #define OSDelPrioRdy(prio) { OSRdyTbl &= ~(0x01《《prio); }//把相应位清零
  任务之间互相独立,不存在互相调用的关系。所有任务在逻辑上都是平等的。由于任务之间互相看不见,所以他们之间的信息传输就无法当面完成。这就需要各种通信机制如信号量,消息邮箱,队列等来实现。
  4、什么是抢占式调度?
  调度的概念,通俗的说就是系统在多个任务中选择合适的任务执行。系统如何知道何时该执行哪个任务?可以为每个任务安排一个  的优先级别,当同时有多个任务就绪时,优先运行优先级较高的任务。同时,任务的优先级也作为任务的  标识号。代码中都是对标识号来完成对任务的操作的。
  所谓“抢占式调度”是指:一旦就绪状态中出现优先权更高的任务,便立即剥夺当前任务的运行权,把CPU分配给更高优先级的任务。这样CPU 总是执行处于就绪条件下优先级  的任务。
  5、多任务系统的时间管理
  与人一样,多任务系统也需要一个“心跳”来维持其正常运行,这个心跳叫做时钟节拍,通常由定时器产生一个固定周期的中断来充当。
  OSTimeDly 函数就是以时钟节拍为基准来延时的(在时钟的中断服务函数中,依次对各个延时任务的延时节拍数减1。若发现某个任务的延时节拍数变为0,则把它从挂起态置为就绪态。)。这个函数完成功能很简单,就是先挂起当起当前任务,设定其延时节拍数,然后进行任务切换,在指定的时钟节拍数到来之后,将当前任务恢复为就绪状态。任务必须通过OSTImeDly或 OSTaskSuspend 让出CPU的使用权(延时或等待事件),使更低优先级任务有机会运行。
  6、如何实现多任务?
  只有一个CPU,如何在同一时间实现多个独立程序的运行?要实现多任务,条件是每个任务互相独立。人如何才能独立,有自己的私有财产。任务也一样,如果一个任务有自己的CPU,堆栈,程序代码,数据存储区,那这个任务就是一个独立的任务。(CPU是通过多任务机制获得的,其他的需要你分配)
  TIPS:
  如果一个任务正在运行某个公共函数时(如Printf), 被另一个高优先级的任务抢占,那么当这个高优先级的任务也调用同一个公共函数时,极有可能破坏原任务的数据。因为两个任务可能共用一套数据。为了防止这种情况发生,常采用两种措施:可重入设计和互斥调用。
  可重入函数中所有的变量均为局部变量,局部变量在调用时临时分配空间,所以不同的任务在不同的时刻调用该函数时,它们的同一个局部变量所分配的存储空间并不相同(任务私有栈中),互不干扰。另外,如果可重入函数调用了其他函数,则这些被调用的函数也必须是可重入函数。
  实现互斥(独占)访问的方法有关中断,关调度,互斥信号量,计数信号量等。
  6.1 一个任务如何拥有自己的程序代码
  对于如何实现多任务,首先是程序代码,每个任务的程序代码与函数一样,与51 的裸奔程序一样,每个任务都是一个大循环。然后是数据存储区,由于全局变量是系统共用的,各个任务共享,不是任务私有,所以这里的数据存储区是指任务的私有变量,如何变成私有?局部变量也。编译器是把局部变量保存在栈里的,所以好办,只要任务有个私有的栈就行。
  TIPS:
  临界资源是  仅允许一个任务使用的共享资源。每个任务中访问临界资源的那段程序称为临界区。
  在多任务系统中,为保障数据的可靠性和完整性,共享资源要互斥(独占)访问,所以全局变量(只读的除外)不能同时有多个任务访问,即一个任务访问的时候不能被其他任务打断。共享资源是一种临界资源。
  6.2 一个任务如何拥有自己的堆栈、数据存储区
  私有栈的作用是存放局部变量,函数的参数,它是一个线性的空间,所以可以申请一个静态数组,把栈顶指针SP指向栈的数组的首元素(递增栈)或  一个元素(递减栈)。即可打造一个人工的栈出来。每个任务还要有记录自己栈顶指针的变量,保存在任务控制块(TCB)中。
  什么是任务控制块?
  系统中的每个任务具有一个任务控制块,任务控制块记录任务执行的环境,这里的任务控制块比较简单,只包含了任务的堆栈指针和任务延时节拍数。任务控制块是任务的身份证。它把任务的程序与数据联系起来,找到它就可以得到任务的所有资源。
  设计一个简单的嵌入式系统
  6.3 一个任务如何拥有自己的CPU
    来看看任务是如何“拥有”自己的CPU 的。只有一个 CPU,各个任务共享,轮流使用。如何才能实现?我们先来看看中断的过程,当中断来临时,CPU 把当前程序的运行地址,寄存器等现场数据保存起来(一般保存在栈里),然后跳到中断服务程序执行。待执行完毕,再把先前保存的数据装回CPU 又回到原来的程序执行。这样就实现了两个不同程序的交叉运行。
  借鉴这种思想不就能实现多任务了吗!模仿中断的过程就可以实现任务切换运行。任务切换时,把当前任务的现场数据保存在自己的任务栈里面,再把待运行的任务的数据从自己的任务栈装载到CPU中,改变 CPU 的 PC,SP,寄存器等。可以说,任务的切换是任务运行环境的切换。而任务的运行环境保存在任务栈中,也就是说,任务切换的关键是把任务的私有堆栈指针赋予处理器的堆栈指针SP。
  设计一个简单的嵌入式系统
  创建一个任务。它接收三个参数,分别是任务的入口地址,任务堆栈的首地址和任务的优先级。调用本函数后,系统会根据用户给出的参数初始化任务栈,并把栈顶指针保存到任务控制块中,在任务就绪表标记该任务为就绪状态。  返回,这样一个任务就创建成功了。
  当一个任务将要运行时,便通过取得它的堆栈指针(保存在任务控制块中)将这些寄存器出栈装入CPU 相应的位置即可。
  6.4 如何实现抢占式调度?
  基于任务优先级的抢占式调度,也就是  优先级的任务一旦处于就绪状态,则立即抢占正在运行的低优先级任务的处理器资源。为了保证CPU 总是执行处于就绪条件下优先级  的任务,每当任务状态改变后,即判断当前运行的任务是否是就绪任务中优先级  的,否则进行任务切换。
  任务状态会在什么时候发生改变呢?有下面两种情况:
  1、高优先级的任务因为需要某种资源或延时,主动请求挂起,让出处理器,此时将调度就绪状态的低优先级任务获得执行,这种调度称为任务级的切换。如任务执行OSTImeDly或OSTaskSuspend把自身挂起就属于这种。
  2、高优先级的任务因为时钟节拍到来,或在中断处理结束后,内核发现更高优先级任务获得了执行条件(如延时的时钟到时)则在中断后直接切换到更高优先级任务执行。这种调度也称为中断级的切换。
  6.5 挂起/恢复任务
  1挂起任务
  通过 OSTaskSuspend可以主动挂起一个任务。OSTaskSuspend会把任务从任务就绪表中移出,  重新启动系统调度。这个函数可以挂起任务本身也可以挂起其他任务。
  2恢复任务(OSTaskResume)
  可以让被 OSTaskSuspend 或 OSTimeDly 挂起的任务恢复就绪态,然后进行任务调度。
  嵌入式系统产品有哪些特点
  有人说嵌入式系统就是微电脑,小的计算机。也有人称嵌入式系统为后PC时代和后网络时代的新秀。那么嵌入式系统与传统的通用计算机,数字产品相比,利用嵌入式技术的产品有其自己的特点,下面小编详细为大家介绍嵌入式系统开发技术以及其应用产品的特点。
  1.由于嵌入式系统采用的是微处理器,实现相对单一的功能,采用独立的操作系统,所以往往不需要大量的外围器件。因而在体积上,功耗上有其自身的优势。相比之下,一个使用WindowsCE的PDA,仅靠机内电源就可以使用几天,而任何一台笔记本仅仅能够支持3小时左右。
  2.嵌入式系统开发技术是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物,是一门综合技术学科。由于空间和各种资源相对不足,嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计,量体裁衣、去除冗余,力争在同样的硅片面积上实现更高的性能,这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。
  3.嵌入式系统是一个软硬件高度结合的产物。为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中,而不是存贮于磁盘等载体中。片上系统,板上系统的实现,使得以pda等为代表的这类产品拥有更加熟悉的操作界面和操作方式,比着传统的商务通等功能更加完善,实用。
  4.为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求,面向21世纪的嵌入式系统开发要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求,嵌入设备必需配有通信接口,相应需要TCP/IP协议簇软件支持;由于家用电器相互关联(如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息)及实验现场仪器的协调工作等要求,新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口,同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式,如Web或无线Web编程模式,还需要相应的浏览器,如HTML、WML等。
  5.因为嵌入式系统往往和具体应用有机地结合在一起,它的升级换代也是和具体产品同步进行,因此嵌入式系统产品一旦进入市场,具有较长的生命周期。
  嵌入式系统开发以其集成化,功能化广泛应用于电子产品中。小编认为其主要的特点是功能化明确,用途相对具有针对性。嵌入系统技术的开发也相对大众化,不像计算机系统需要庞大的团队共同开发。嵌入系统可实现单人开发,当然协同开发更佳,其开发的门槛也相对较低。就因为这些特点,嵌入式系统发展迅速,是当下热门的职业选择。

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