第五章中間層34

1、1第五章第五章中間件：嵌入式操作系統(tǒng)和中間件：嵌入式操作系統(tǒng)和用戶接口用戶接口2教材內(nèi)容5.1 嵌入式操作系統(tǒng) 5.1.1 操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 5.1.2 實時特性 5.1.3 操作系統(tǒng)裁剪 5.1.4 嵌入式操作系統(tǒng)評測 5.2 用戶接口（UI） 5.2.1 UI的定義 5.2.2 UI的發(fā)展歷程 5.2.3 嵌入式UI的結(jié)構(gòu)特點 5.2.4 嵌入式UI設(shè)計原則 中間件指中間件指5層模型中的第三、四層，通常由兩部分軟件程序構(gòu)成。對于層模型中的第三、四層，通常由兩部分軟件程序構(gòu)成。對于低級的專用智能設(shè)備，如工業(yè)儀表，通常不需要專門的操作系統(tǒng)的支持，低級的專用智能設(shè)備，如工業(yè)儀表，通常不需要專門的

2、操作系統(tǒng)的支持，為了提高系統(tǒng)的靈活性、可復(fù)用性，縮短研發(fā)周期，高端嵌入式系統(tǒng)借鑒為了提高系統(tǒng)的靈活性、可復(fù)用性，縮短研發(fā)周期，高端嵌入式系統(tǒng)借鑒了通用計算機的一些概念和方法，建立了嵌入式操作系統(tǒng)等支持軟件。中了通用計算機的一些概念和方法，建立了嵌入式操作系統(tǒng)等支持軟件。中間件可使用戶應(yīng)用程序與底層的接口具有更好的一致性，降低對硬件和基間件可使用戶應(yīng)用程序與底層的接口具有更好的一致性，降低對硬件和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)操作的依賴。中間件功能越強大，則對上層的平整度越好，但存儲礎(chǔ)數(shù)據(jù)操作的依賴。中間件功能越強大，則對上層的平整度越好，但存儲量和執(zhí)行速度都會付出代價。量和執(zhí)行速度都會付出代價。35.1 嵌入式操作

3、系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)是在專用智能設(shè)備的硬件基礎(chǔ)上，借鑒了嵌入式操作系統(tǒng)是在專用智能設(shè)備的硬件基礎(chǔ)上，借鑒了通用計算機操作系統(tǒng)的一些概念、結(jié)構(gòu)等建立的具有嵌入通用計算機操作系統(tǒng)的一些概念、結(jié)構(gòu)等建立的具有嵌入式特點的操作系統(tǒng)。式特點的操作系統(tǒng)。 顯然，它的根本仍是通用操作系統(tǒng)的骨架，但具體的功能、顯然，它的根本仍是通用操作系統(tǒng)的骨架，但具體的功能、實現(xiàn)方法等都須根據(jù)嵌入式系統(tǒng)硬件的具體情況進行修改。實現(xiàn)方法等都須根據(jù)嵌入式系統(tǒng)硬件的具體情況進行修改。 因此常見的很多嵌入式操作系統(tǒng)都脫胎于通用操作系統(tǒng)，因此常見的很多嵌入式操作系統(tǒng)都脫胎于通用操作系統(tǒng)，典型的就是典型的就是WinCE、

4、Embedded Linux。 研究嵌入式操作系統(tǒng)的目的：研究嵌入式操作系統(tǒng)的目的：1.設(shè)計專用的嵌入式操作系設(shè)計專用的嵌入式操作系統(tǒng)；統(tǒng)；2.更好的對標(biāo)準(zhǔn)嵌入式操作進行裁剪、配置。更好的對標(biāo)準(zhǔn)嵌入式操作進行裁剪、配置。 嵌入式操作系統(tǒng)的基本要求包括嵌入式操作系統(tǒng)的基本要求包括 結(jié)構(gòu)方面：軟件規(guī)模適當(dāng)、執(zhí)行速度快、可根據(jù)需要進行裁剪等；結(jié)構(gòu)方面：軟件規(guī)模適當(dāng)、執(zhí)行速度快、可根據(jù)需要進行裁剪等； 性能指標(biāo)方面：實時性、能耗控制、可靠性等；性能指標(biāo)方面：實時性、能耗控制、可靠性等； 為了適應(yīng)要求，嵌入式操作系統(tǒng)的編程設(shè)計盡可能的簡潔，為了適應(yīng)要求，嵌入式操作系統(tǒng)的編程設(shè)計盡可能的簡潔，因此其結(jié)構(gòu)相

5、對緊湊，很難象通用操作系統(tǒng)那樣具有清晰因此其結(jié)構(gòu)相對緊湊，很難象通用操作系統(tǒng)那樣具有清晰的結(jié)構(gòu)和層次。的結(jié)構(gòu)和層次。45.1.1 操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)三組概念三組概念 操作系統(tǒng)和內(nèi)核操作系統(tǒng)和內(nèi)核內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心部分，而非全部，它向外提供了計算機內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心部分，而非全部，它向外提供了計算機設(shè)備的核心管理調(diào)用，除內(nèi)核外，操作系統(tǒng)還包括其它系統(tǒng)程序。設(shè)備的核心管理調(diào)用，除內(nèi)核外，操作系統(tǒng)還包括其它系統(tǒng)程序。 開發(fā)態(tài)和運行態(tài)開發(fā)態(tài)和運行態(tài)開發(fā)態(tài)指操作系統(tǒng)在開發(fā)階段，內(nèi)核和其它程序尚未編譯為可開發(fā)態(tài)指操作系統(tǒng)在開發(fā)階段，內(nèi)核和其它程序尚未編譯為可運行機器代碼時的狀態(tài)。程序以源

6、碼形式（數(shù)據(jù)）存在與非揮發(fā)性運行機器代碼時的狀態(tài)。程序以源碼形式（數(shù)據(jù)）存在與非揮發(fā)性存儲器（宿主機）內(nèi)。存儲器（宿主機）內(nèi)。運行態(tài)指操作系統(tǒng)已完成編譯、連接，并下載到硬件系統(tǒng)上，運行態(tài)指操作系統(tǒng)已完成編譯、連接，并下載到硬件系統(tǒng)上，程序以機器碼形式（程序）存在于內(nèi)存中，內(nèi)核只有一個副本。程序以機器碼形式（程序）存在于內(nèi)存中，內(nèi)核只有一個副本。 用戶空間（用戶態(tài)）和內(nèi)核空間（內(nèi)核態(tài)）用戶空間（用戶態(tài)）和內(nèi)核空間（內(nèi)核態(tài)）操作系統(tǒng)運行態(tài)時總的地址空間分為用戶空間和內(nèi)核空間。運操作系統(tǒng)運行態(tài)時總的地址空間分為用戶空間和內(nèi)核空間。運行中的操作系統(tǒng)中內(nèi)核所在的地址空間即為內(nèi)核空間，除此之外的行中的操作

7、系統(tǒng)中內(nèi)核所在的地址空間即為內(nèi)核空間，除此之外的外部管理程序、用戶進程占據(jù)用戶空間。一個完整的嵌入式系統(tǒng)軟外部管理程序、用戶進程占據(jù)用戶空間。一個完整的嵌入式系統(tǒng)軟件同時包含這兩部分，當(dāng)運行內(nèi)核代碼時處于內(nèi)核空間，即稱件同時包含這兩部分，當(dāng)運行內(nèi)核代碼時處于內(nèi)核空間，即稱CPU處于內(nèi)核態(tài)，否則為用戶態(tài)。處于內(nèi)核態(tài)，否則為用戶態(tài)。5 劃分內(nèi)核空間與用戶空間是為了充分保證內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)的安全性安全性，早期通用操作系統(tǒng)和低級的嵌入式操作系統(tǒng)并不嚴格區(qū)分這兩個空間和CPU狀態(tài)，這種系統(tǒng)可能由于用戶程序的錯誤造成內(nèi)核崩潰用戶程序的錯誤造成內(nèi)核崩潰。操作系統(tǒng)的基本功能：進進程調(diào)度程調(diào)度、進程間通信進程間通

8、信、內(nèi)內(nèi)存管理存管理、設(shè)備管理設(shè)備管理、文件文件系統(tǒng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。操作系統(tǒng)與內(nèi)核之間存在差別，這在嵌入式系統(tǒng)中非常重要。內(nèi)核可能具備了操作系統(tǒng)的所有功能，也可能只具備一部分，這種差別決定了嵌入式操作系統(tǒng)的三種基本體系結(jié)構(gòu)。61.整體內(nèi)核結(jié)構(gòu)整體內(nèi)核結(jié)構(gòu) 也稱單內(nèi)核結(jié)構(gòu)、大內(nèi)核結(jié)構(gòu)，幾乎涵蓋了所有操作系統(tǒng)也稱單內(nèi)核結(jié)構(gòu)、大內(nèi)核結(jié)構(gòu)，幾乎涵蓋了所有操作系統(tǒng)功能的內(nèi)核結(jié)構(gòu)。內(nèi)核由多個模塊構(gòu)成，遵循特定的接口功能的內(nèi)核結(jié)構(gòu)。內(nèi)核由多個模塊構(gòu)成，遵循特定的接口規(guī)范相互調(diào)用。所有模塊編譯連接為一個可執(zhí)行文件規(guī)范相互調(diào)用。所有模塊編譯連接為一個可執(zhí)行文件。 內(nèi)核所有模塊統(tǒng)一封裝，內(nèi)核所有模塊統(tǒng)一

9、封裝，對外接口也統(tǒng)一設(shè)計；對外接口也統(tǒng)一設(shè)計； 各模塊之間相互調(diào)用，依各模塊之間相互調(diào)用，依賴程度高，系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)賴程度高，系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)模糊；模糊； 模塊間調(diào)用直接、簡潔，模塊間調(diào)用直接、簡潔，整個系統(tǒng)執(zhí)行效率高。整個系統(tǒng)執(zhí)行效率高。7 整體內(nèi)核與硬件、用戶空間程序的關(guān)系整體內(nèi)核與硬件、用戶空間程序的關(guān)系 8 整體內(nèi)核的缺點：整體內(nèi)核的缺點：內(nèi)核結(jié)構(gòu)模糊，難于裁剪；內(nèi)核結(jié)構(gòu)模糊，難于裁剪；內(nèi)核代碼各模塊調(diào)試困難；內(nèi)核代碼各模塊調(diào)試困難；內(nèi)核調(diào)試困難；內(nèi)核調(diào)試困難；內(nèi)核穩(wěn)定性較差；內(nèi)核穩(wěn)定性較差；內(nèi)核規(guī)模可能很大；內(nèi)核規(guī)模可能很大；92.微內(nèi)核結(jié)構(gòu)微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 也稱插件式結(jié)構(gòu)，類似客戶也稱插件式結(jié)

10、構(gòu)，類似客戶端端/服務(wù)器模式。服務(wù)器模式。 操作系統(tǒng)分為兩個部分：系操作系統(tǒng)分為兩個部分：系統(tǒng)必不可少的功能集合，操統(tǒng)必不可少的功能集合，操作系統(tǒng)擴展的功能。前者構(gòu)作系統(tǒng)擴展的功能。前者構(gòu)成微內(nèi)核，運行于內(nèi)核空間，成微內(nèi)核，運行于內(nèi)核空間，后者則運行于用戶空間。后者則運行于用戶空間。 QNX10 微內(nèi)核應(yīng)包含的功能：微內(nèi)核應(yīng)包含的功能： 基本進程調(diào)度管理基本進程調(diào)度管理 基本進程通信管理基本進程通信管理 基本設(shè)備管理基本設(shè)備管理 基本內(nèi)存管理基本內(nèi)存管理 中斷管理中斷管理其它（設(shè)備驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、高級內(nèi)存管理、高級進其它（設(shè)備驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、高級內(nèi)存管理、高級進程管

11、理等）作為外圍模塊，分別建立相應(yīng)的進程，稱為服務(wù)進程，與程管理等）作為外圍模塊，分別建立相應(yīng)的進程，稱為服務(wù)進程，與應(yīng)用程序以客戶端應(yīng)用程序以客戶端/服務(wù)器方式運行在同一層。服務(wù)器方式運行在同一層。11 最簡單的微內(nèi)核主要功能就是消息交換：確認消息、在組件間傳送消息、準(zhǔn)許對硬件操作消息。 根據(jù)這樣的思路，微內(nèi)核系統(tǒng)支持多個進程同時存活，這些進程分別完成一部分功能，組合在一起實現(xiàn)系統(tǒng)完整的功能。系統(tǒng)工作的基本過程就是進程間服務(wù)的相互調(diào)用，由于所有進程都處于虛擬空間中，相互之間無法實現(xiàn)通信，信息的交換必須通過內(nèi)核，如圖。 這樣的機制增加了信息交換的開銷增加了信息交換的開銷。 微內(nèi)核的功能調(diào)用可一次

12、完成，因此具有最高的效率，因此微內(nèi)核中集成哪些功能需要根據(jù)實際要求進行設(shè)計。保證要求高的某些任務(wù)具有足夠高的效率。12 微內(nèi)核的優(yōu)點：微內(nèi)核的優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)規(guī)范，易于裁剪；結(jié)構(gòu)規(guī)范，易于裁剪； 易于編程設(shè)計；易于編程設(shè)計； 調(diào)試簡單；調(diào)試簡單； 魯棒性好；魯棒性好； 擴展性好；擴展性好； 移植性好；移植性好； 降低內(nèi)存的固定使用量；降低內(nèi)存的固定使用量； 內(nèi)核規(guī)模越小，實時性能越好（中斷響應(yīng)速度快）；內(nèi)核規(guī)模越小，實時性能越好（中斷響應(yīng)速度快）；微內(nèi)核的缺點：微內(nèi)核的缺點： 整體效率低；整體效率低； 資源管理復(fù)雜；資源管理復(fù)雜；133.層次內(nèi)核結(jié)構(gòu)層次內(nèi)核結(jié)構(gòu) 一種基于分層思想的內(nèi)核結(jié)構(gòu)。一種基

13、于分層思想的內(nèi)核結(jié)構(gòu)。 操作系統(tǒng)被分為若干模塊，按功能流程的次序排列稱若操作系統(tǒng)被分為若干模塊，按功能流程的次序排列稱若干層，下層模塊封裝內(nèi)部細節(jié)并向上提供統(tǒng)一的抽象和干層，下層模塊封裝內(nèi)部細節(jié)并向上提供統(tǒng)一的抽象和接口，上層模塊調(diào)用下層模塊提供的接口，各層次間的接口，上層模塊調(diào)用下層模塊提供的接口，各層次間的實現(xiàn)比較獨立。實現(xiàn)比較獨立。層次結(jié)構(gòu)的主要貢獻在于理論，層次結(jié)構(gòu)的主要貢獻在于理論，它給出了構(gòu)建操作系統(tǒng)的一個它給出了構(gòu)建操作系統(tǒng)的一個基本思路，實際工程中則并非基本思路，實際工程中則并非必須嚴格采用這樣的結(jié)構(gòu)，它必須嚴格采用這樣的結(jié)構(gòu)，它通常融合在其它結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中。通常融合在其它結(jié)構(gòu)的

14、系統(tǒng)中。14 層次結(jié)構(gòu)內(nèi)部的調(diào)用關(guān)系 系統(tǒng)調(diào)用只能是調(diào)用與其相鄰的下層。 同層模塊間不允許相互調(diào)用的稱為全序結(jié)構(gòu)全序結(jié)構(gòu)關(guān)系，全序結(jié)構(gòu)不存在循環(huán)調(diào)用。 同層模塊間允許相互調(diào)用，可以有循環(huán)調(diào)用的結(jié)構(gòu)曾為半半序結(jié)構(gòu)序結(jié)構(gòu)關(guān)系。15 層次內(nèi)核的特點：層次內(nèi)核的特點： 把一個復(fù)雜的系統(tǒng)分解有許多功能單一的模塊，各模塊間把一個復(fù)雜的系統(tǒng)分解有許多功能單一的模塊，各模塊間組織結(jié)構(gòu)和依賴關(guān)系清晰明確，適合進行系統(tǒng)功能劃分。組織結(jié)構(gòu)和依賴關(guān)系清晰明確，適合進行系統(tǒng)功能劃分。 分層思想有利于組織操作系統(tǒng)的開發(fā)，易于測試和診斷，分層思想有利于組織操作系統(tǒng)的開發(fā)，易于測試和診斷，也使得系統(tǒng)的修改和擴展相對容易。也使

15、得系統(tǒng)的修改和擴展相對容易。 各層次模塊間存在依賴關(guān)系，任何一層的裁剪修改都影響各層次模塊間存在依賴關(guān)系，任何一層的裁剪修改都影響其上層模塊，因此裁剪較微內(nèi)核系統(tǒng)困難。其上層模塊，因此裁剪較微內(nèi)核系統(tǒng)困難。 層次內(nèi)核的規(guī)模會隨著功能的增強而變大。層次內(nèi)核的規(guī)模會隨著功能的增強而變大。164.其它結(jié)構(gòu)其它結(jié)構(gòu)（1）外內(nèi)核）外內(nèi)核 一種縱向的操作系統(tǒng)內(nèi)核結(jié)構(gòu)，設(shè)計理念是由用戶程序設(shè)一種縱向的操作系統(tǒng)內(nèi)核結(jié)構(gòu)，設(shè)計理念是由用戶程序設(shè)計者來決定硬件接口的設(shè)計。計者來決定硬件接口的設(shè)計。 外內(nèi)核本身非常小，只負責(zé)系統(tǒng)保護和系統(tǒng)資源復(fù)用相關(guān)外內(nèi)核本身非常小，只負責(zé)系統(tǒng)保護和系統(tǒng)資源復(fù)用相關(guān)的服務(wù)。的服務(wù)。

16、 外內(nèi)核不對硬件及其驅(qū)動進行抽象封裝，而直接讓應(yīng)用程外內(nèi)核不對硬件及其驅(qū)動進行抽象封裝，而直接讓應(yīng)用程序請求一塊特定的物理空間、磁盤塊等。系統(tǒng)則只保證被序請求一塊特定的物理空間、磁盤塊等。系統(tǒng)則只保證被請求的資源當(dāng)前是空閑的，應(yīng)用程序就允許直接存取它。請求的資源當(dāng)前是空閑的，應(yīng)用程序就允許直接存取它。 運行期間，系統(tǒng)需要額外的硬件、數(shù)據(jù)運行庫的支持，這運行期間，系統(tǒng)需要額外的硬件、數(shù)據(jù)運行庫的支持，這些庫不會封裝在內(nèi)核中，而是存在于用戶空間。些庫不會封裝在內(nèi)核中，而是存在于用戶空間。17 （2）無核）無核 沒有專門的內(nèi)核，所有軟件程序都運行在用戶空間。在系沒有專門的內(nèi)核，所有軟件程序都運行在用

17、戶空間。在系統(tǒng)運行過程中，它們不永久占據(jù)某些存儲單元，也可能在統(tǒng)運行過程中，它們不永久占據(jù)某些存儲單元，也可能在完成一些任務(wù)后被終止。完成一些任務(wù)后被終止。 為了完成操作系統(tǒng)的各項工作，系統(tǒng)必須具有一些特定的為了完成操作系統(tǒng)的各項工作，系統(tǒng)必須具有一些特定的所謂所謂“元對象元對象”，一旦某個應(yīng)用程序需要執(zhí)行操作系統(tǒng)的，一旦某個應(yīng)用程序需要執(zhí)行操作系統(tǒng)的工作，如進程的調(diào)度、通信等，它就啟動相應(yīng)的工作，如進程的調(diào)度、通信等，它就啟動相應(yīng)的“元對元對象象”，創(chuàng)建一個該對象的實例，當(dāng)任務(wù)結(jié)束，這個實例也，創(chuàng)建一個該對象的實例，當(dāng)任務(wù)結(jié)束，這個實例也就終止了。就終止了。185.體系結(jié)構(gòu)案例分析體系結(jié)構(gòu)案

18、例分析了解常見操作系統(tǒng)是如何組織系統(tǒng)各項功能的。了解常見操作系統(tǒng)是如何組織系統(tǒng)各項功能的。Embedded Linux19（1）Embedded LinuxLinux的環(huán)境改編版，系統(tǒng)架構(gòu)不變。的環(huán)境改編版，系統(tǒng)架構(gòu)不變。Linux在整體內(nèi)核結(jié)在整體內(nèi)核結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上融入了微內(nèi)核思想。構(gòu)的基礎(chǔ)上融入了微內(nèi)核思想。Linux系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Linux體系包含四個部分。體系包含四個部分。系統(tǒng)調(diào)用接口為應(yīng)用程序提供調(diào)用系統(tǒng)功系統(tǒng)調(diào)用接口為應(yīng)用程序提供調(diào)用系統(tǒng)功能的渠道，它本身由一系列代碼構(gòu)成（子能的渠道，它本身由一系列代碼構(gòu)成（子程序）。調(diào)用入口在用戶態(tài)，接收應(yīng)用程程序）。調(diào)用入口在用戶態(tài)，接收應(yīng)用

19、程序的調(diào)用和實參。然后進入核心態(tài)，調(diào)用序的調(diào)用和實參。然后進入核心態(tài)，調(diào)用內(nèi)核服務(wù)，服務(wù)執(zhí)行完成后向接口子程序內(nèi)核服務(wù)，服務(wù)執(zhí)行完成后向接口子程序返回服務(wù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，接口返回用戶態(tài)，再返回服務(wù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，接口返回用戶態(tài)，再向應(yīng)用程序返回服務(wù)結(jié)果數(shù)據(jù)。向應(yīng)用程序返回服務(wù)結(jié)果數(shù)據(jù)。Linux內(nèi)核：運行在核心態(tài)的一系列子程序，內(nèi)核：運行在核心態(tài)的一系列子程序，向上為調(diào)用接口提供服務(wù)，向下調(diào)用各種向上為調(diào)用接口提供服務(wù)，向下調(diào)用各種硬件驅(qū)動程序操作硬件資源。硬件驅(qū)動程序操作硬件資源。20 Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)內(nèi)核結(jié)構(gòu) Linux內(nèi)核由眾多代碼文內(nèi)核由眾多代碼文件組成，編譯連接為一個件組成，編譯連接為一個單獨

20、可執(zhí)行文件。單獨可執(zhí)行文件。 內(nèi)核根據(jù)模塊機制將某些內(nèi)核根據(jù)模塊機制將某些非核心任務(wù)封裝成外部模非核心任務(wù)封裝成外部模塊，在運行過程中動態(tài)加塊，在運行過程中動態(tài)加載和卸載。這種方式與微載和卸載。這種方式與微內(nèi)核的差別在于：系統(tǒng)有內(nèi)核的差別在于：系統(tǒng)有些特殊的處理方法，使動些特殊的處理方法，使動態(tài)加載的模塊運行在核心態(tài)加載的模塊運行在核心態(tài)。態(tài)。 Linux內(nèi)核框架如圖。內(nèi)核框架如圖。 核心級部分即核心級部分即Linux內(nèi)核，內(nèi)核，它既綜合了層次設(shè)計的特它既綜合了層次設(shè)計的特點、又存在同層間的相互點、又存在同層間的相互調(diào)用。調(diào)用。21 Linux結(jié)構(gòu)的特點結(jié)構(gòu)的特點 引入了模塊體系（引入了模塊體

21、系（Modules）實現(xiàn)了它從單內(nèi)核向微內(nèi)核）實現(xiàn)了它從單內(nèi)核向微內(nèi)核的轉(zhuǎn)變，同時又兼具兩者的特點。的轉(zhuǎn)變，同時又兼具兩者的特點。 模塊動態(tài)加載進入內(nèi)核態(tài)，故具有單內(nèi)核高效的特點，避模塊動態(tài)加載進入內(nèi)核態(tài)，故具有單內(nèi)核高效的特點，避免了微內(nèi)核在消息傳遞方面的資源開銷。免了微內(nèi)核在消息傳遞方面的資源開銷。 動態(tài)加載克服了單內(nèi)核的靜態(tài)性和單一性，可靈活、動態(tài)動態(tài)加載克服了單內(nèi)核的靜態(tài)性和單一性，可靈活、動態(tài)地分配內(nèi)核空間資源。地分配內(nèi)核空間資源。 管理模塊需要額外的管理結(jié)構(gòu)和代碼，占用更多內(nèi)存。管理模塊需要額外的管理結(jié)構(gòu)和代碼，占用更多內(nèi)存。 模塊加載、卸載時會輕微增加資源額外開銷，降低系統(tǒng)效模塊

22、加載、卸載時會輕微增加資源額外開銷，降低系統(tǒng)效率。率。 模塊一旦加載即成為內(nèi)核的一部分，不完善的內(nèi)核給系統(tǒng)模塊一旦加載即成為內(nèi)核的一部分，不完善的內(nèi)核給系統(tǒng)安全帶來隱患。安全帶來隱患。 模塊與內(nèi)核之間的兼容問題不易解決。模塊與內(nèi)核之間的兼容問題不易解決。225.1.2 實時特性實時特性實時性：控制系統(tǒng)能夠及時處理系統(tǒng)中發(fā)生的或要求控制的實時性：控制系統(tǒng)能夠及時處理系統(tǒng)中發(fā)生的或要求控制的外部事件的能力。外部事件的能力。 實時性實際上是系統(tǒng)對各種突發(fā)事件的響應(yīng)能力，這些事實時性實際上是系統(tǒng)對各種突發(fā)事件的響應(yīng)能力，這些事件包括被控對象的變化、人的操作、系統(tǒng)自身故障等。件包括被控對象的變化、人的操

23、作、系統(tǒng)自身故障等。 所有這些事件紛繁復(fù)雜，因此嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計必須對事所有這些事件紛繁復(fù)雜，因此嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計必須對事件進行分級，保證某些關(guān)鍵事件的響應(yīng)。件進行分級，保證某些關(guān)鍵事件的響應(yīng)。 系統(tǒng)的響應(yīng)包括顯示輸出、通信輸出、控制輸出等。系統(tǒng)的響應(yīng)包括顯示輸出、通信輸出、控制輸出等。231.實時性能實時性能（1）實時系統(tǒng)和實時嵌入式操作系統(tǒng)）實時系統(tǒng)和實時嵌入式操作系統(tǒng) 實時系統(tǒng)指計算結(jié)果的正確性不僅依賴于計算結(jié)果的邏實時系統(tǒng)指計算結(jié)果的正確性不僅依賴于計算結(jié)果的邏輯正確性，還依賴于計算結(jié)果產(chǎn)生時間的計算機系統(tǒng)。輯正確性，還依賴于計算結(jié)果產(chǎn)生時間的計算機系統(tǒng)。 實時系統(tǒng)要求各項任務(wù)應(yīng)在可確

24、定的、滿足要求的時間實時系統(tǒng)要求各項任務(wù)應(yīng)在可確定的、滿足要求的時間內(nèi)完成。內(nèi)完成。實時系統(tǒng)的分類：（按響應(yīng)時間）實時系統(tǒng)的分類：（按響應(yīng)時間） 強實時系統(tǒng)：系統(tǒng)響應(yīng)時間在強實時系統(tǒng)：系統(tǒng)響應(yīng)時間在msus級級 一般實時系統(tǒng)：系統(tǒng)響應(yīng)時間在一般實時系統(tǒng)：系統(tǒng)響應(yīng)時間在x ms級級 弱實時系統(tǒng)：系統(tǒng)響應(yīng)時間在數(shù)十秒。弱實時系統(tǒng)：系統(tǒng)響應(yīng)時間在數(shù)十秒。按系統(tǒng)錯過時限的嚴重性按系統(tǒng)錯過時限的嚴重性 硬實時系統(tǒng)：系統(tǒng)必須嚴格按照限時硬實時系統(tǒng)：系統(tǒng)必須嚴格按照限時完成任務(wù)，否則即意味著嚴重事故。完成任務(wù)，否則即意味著嚴重事故。 軟實時系統(tǒng)：在負荷較重時允許在一定程度上降低實時性要求，一旦軟實時系統(tǒng)：在

25、負荷較重時允許在一定程度上降低實時性要求，一旦任務(wù)超時限不會引起嚴重后果。任務(wù)超時限不會引起嚴重后果。24 實時嵌入式操作系統(tǒng)：實時嵌入式操作系統(tǒng)： 應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，有能力在響應(yīng)時間邊界內(nèi)提供滿足應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，有能力在響應(yīng)時間邊界內(nèi)提供滿足要求的服務(wù)的操作系統(tǒng)。要求的服務(wù)的操作系統(tǒng)。 操作系統(tǒng)的各方面任務(wù)都必須提供足夠高的服務(wù)效率，如操作系統(tǒng)的各方面任務(wù)都必須提供足夠高的服務(wù)效率，如進程調(diào)度、進程間通信、內(nèi)存操作等。進程調(diào)度、進程間通信、內(nèi)存操作等。應(yīng)用類型響應(yīng)要求人機接口設(shè)計復(fù)雜性功能性任務(wù)處理數(shù)文件系統(tǒng)機器實現(xiàn)機器人控制us1ms簡單/無簡單低低于5無板級數(shù)采儀表電機控制1ms有

26、時中中中/多于10無工作站過程控制客戶化微機科學(xué)數(shù)據(jù)采集us1ms簡單易用高高多有帶局域網(wǎng)高性能微機醫(yī)療影像50有高性能微機25 （2）實時系統(tǒng)特征）實時系統(tǒng)特征 異步事件響應(yīng)：及時響應(yīng)各種突發(fā)事件（隨機產(chǎn)生）。異步事件響應(yīng)：及時響應(yīng)各種突發(fā)事件（隨機產(chǎn)生）。 確定的切換時間和中斷延遲時間確定的切換時間和中斷延遲時間 搶占式調(diào)度：高優(yōu)先級任務(wù)搶占低級任務(wù)的控制權(quán)，保證搶占式調(diào)度：高優(yōu)先級任務(wù)搶占低級任務(wù)的控制權(quán)，保證高級任務(wù)的響應(yīng)速度。高級任務(wù)的響應(yīng)速度。 優(yōu)先級中斷和調(diào)度優(yōu)先級中斷和調(diào)度 同步：提供同步和協(xié)調(diào)共享數(shù)據(jù)使用和時間執(zhí)行的手段。同步：提供同步和協(xié)調(diào)共享數(shù)據(jù)使用和時間執(zhí)行的手段。 內(nèi)

27、存鎖定：將程序和部分程序鎖定在內(nèi)存中，減少它們對內(nèi)存鎖定：將程序和部分程序鎖定在內(nèi)存中，減少它們對存儲器的訪問。存儲器的訪問。 連續(xù)文件存儲方式連續(xù)文件存儲方式26 在許多嵌入式操作系統(tǒng)中不存在文件系統(tǒng)和存儲管理，整在許多嵌入式操作系統(tǒng)中不存在文件系統(tǒng)和存儲管理，整個軟件部分做成一個映象，引導(dǎo)加載時全部進入內(nèi)存，不個軟件部分做成一個映象，引導(dǎo)加載時全部進入內(nèi)存，不區(qū)分內(nèi)核空間和用戶空間。區(qū)分內(nèi)核空間和用戶空間。 一般實時操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件之間界限分明，一般實時操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件之間界限分明，并提供開發(fā)、測試、應(yīng)用環(huán)境。嵌入式實時應(yīng)用系統(tǒng)的軟并提供開發(fā)、測試、應(yīng)用環(huán)境。嵌入式

28、實時應(yīng)用系統(tǒng)的軟件開發(fā)受時間、空間開銷的限制，需要在專門的開發(fā)平臺件開發(fā)受時間、空間開銷的限制，需要在專門的開發(fā)平臺上進行軟件交叉開發(fā)，開發(fā)環(huán)境與運行環(huán)境不同。上進行軟件交叉開發(fā)，開發(fā)環(huán)境與運行環(huán)境不同。 嵌入式實時操作系統(tǒng)屬于強實時系統(tǒng)，響應(yīng)時間在嵌入式實時操作系統(tǒng)屬于強實時系統(tǒng)，響應(yīng)時間在msus級級 嵌入式操作系統(tǒng)規(guī)模小，固化使用，與應(yīng)用程序融合在一嵌入式操作系統(tǒng)規(guī)模小，固化使用，與應(yīng)用程序融合在一起，可見實時嵌入式系統(tǒng)的極限形式就是基本的單片機應(yīng)起，可見實時嵌入式系統(tǒng)的極限形式就是基本的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。用系統(tǒng)。27 （3）內(nèi)核實現(xiàn)）內(nèi)核實現(xiàn)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，

29、內(nèi)核僅包含操作系統(tǒng)最重要的核心功能，采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，內(nèi)核僅包含操作系統(tǒng)最重要的核心功能，是構(gòu)成一個操作系統(tǒng)其它部分的最小集。是構(gòu)成一個操作系統(tǒng)其它部分的最小集。要求要求 多任務(wù)管理：多任務(wù)對應(yīng)多個外部事件的響應(yīng)，系統(tǒng)內(nèi)核多任務(wù)管理：多任務(wù)對應(yīng)多個外部事件的響應(yīng)，系統(tǒng)內(nèi)核向各任務(wù)分配向各任務(wù)分配CPU以保證并發(fā)性。以保證并發(fā)性。 任務(wù)搶占調(diào)度：多任務(wù)間高級搶占低級的任務(wù)搶占調(diào)度：多任務(wù)間高級搶占低級的CPU控制權(quán)。控制權(quán)。 快速靈活的通信和同步：任務(wù)間、任務(wù)與中斷間的數(shù)據(jù)交快速靈活的通信和同步：任務(wù)間、任務(wù)與中斷間的數(shù)據(jù)交換快速靈活。換快速靈活。 性能邊界：實時內(nèi)核須考慮系統(tǒng)最壞情況的性能優(yōu)化，

30、以性能邊界：實時內(nèi)核須考慮系統(tǒng)最壞情況的性能優(yōu)化，以及對不斷增加的復(fù)雜性的支持能力。及對不斷增加的復(fù)雜性的支持能力。 其它特殊考慮：內(nèi)存管理、時鐘管理、其它特殊考慮：內(nèi)存管理、時鐘管理、I/O系統(tǒng)管理等方系統(tǒng)管理等方面。面。28 （4）實時性能指標(biāo)）實時性能指標(biāo) 任務(wù)切換時間任務(wù)切換時間 進行任務(wù)切換時保存恢復(fù)進行任務(wù)切換時保存恢復(fù)CPU現(xiàn)場的時間開銷和現(xiàn)場的時間開銷和CPU寄存器開銷。寄存器開銷。 中斷延遲時間中斷延遲時間普通中斷的延遲時間包括：普通中斷的延遲時間包括： 最大中斷屏蔽時間、得到指向最大中斷屏蔽時間、得到指向ISP（中斷服務(wù)程序）向量的時間、（中斷服務(wù)程序）向量的時間、所有寄存

31、器壓棧的時間、執(zhí)行中斷處理的時間。所有寄存器壓棧的時間、執(zhí)行中斷處理的時間。不可屏蔽不可屏蔽NMI中斷的延遲時間包括：中斷的延遲時間包括： NMI的中斷屏蔽時間即單條指令的最大執(zhí)行時間、開始執(zhí)行的中斷屏蔽時間即單條指令的最大執(zhí)行時間、開始執(zhí)行NMI-ISR的時間、的時間、CPU寄存器內(nèi)容壓棧的時間、最長指令執(zhí)行時間。寄存器內(nèi)容壓棧的時間、最長指令執(zhí)行時間。減小的措施：減少中斷屏蔽，使用不可屏蔽減小的措施：減少中斷屏蔽，使用不可屏蔽NMI中斷等。中斷等。 系統(tǒng)響應(yīng)時間系統(tǒng)響應(yīng)時間 系統(tǒng)在發(fā)出處理請求到給出應(yīng)答信號的時間。系統(tǒng)在發(fā)出處理請求到給出應(yīng)答信號的時間。29 程序代碼占用空間程序代碼占用空

32、間 內(nèi)核代碼的規(guī)模內(nèi)核代碼的規(guī)模 數(shù)據(jù)占用空間數(shù)據(jù)占用空間 在執(zhí)行程序時開辟的內(nèi)存大小，與程序中能建立的最大任務(wù)數(shù)、在執(zhí)行程序時開辟的內(nèi)存大小，與程序中能建立的最大任務(wù)數(shù)、最大事件數(shù)以及所開辟的堆棧大小有關(guān)。最大事件數(shù)以及所開辟的堆棧大小有關(guān)。302.實時嵌入式操作系統(tǒng)案例實時嵌入式操作系統(tǒng)案例各種實時操作系統(tǒng)是如何解決實時性問題的？各種實時操作系統(tǒng)是如何解決實時性問題的？（1）uC/OS-II內(nèi)核結(jié)構(gòu)內(nèi)核結(jié)構(gòu) 可配置的實時操作系統(tǒng)，只包含任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時可配置的實時操作系統(tǒng)，只包含任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間通信與同步等功能。全部核心間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間通信與同步

33、等功能。全部核心代碼代碼8.3KB，具有良好的可裁剪性，實際代碼最少只需，具有良好的可裁剪性，實際代碼最少只需2.7KB。 層次結(jié)構(gòu)如圖。層次結(jié)構(gòu)如圖。 硬件抽象層：針對所使用的硬件抽象層：針對所使用的CPU平臺，包括中斷級任務(wù)切換、任平臺，包括中斷級任務(wù)切換、任務(wù)級任務(wù)切換的底層實現(xiàn)、時鐘節(jié)拍產(chǎn)生和處理、中斷相關(guān)處理務(wù)級任務(wù)切換的底層實現(xiàn)、時鐘節(jié)拍產(chǎn)生和處理、中斷相關(guān)處理等。移植時須改寫。等。移植時須改寫。 系統(tǒng)向用戶提供系統(tǒng)系統(tǒng)向用戶提供系統(tǒng)API，所有其它功能和，所有其它功能和庫全部需要重新編寫。庫全部需要重新編寫。31 OS_CORE.c：核心部分，包括操作系統(tǒng)初始化、操作：核心部分，

34、包括操作系統(tǒng)初始化、操作系統(tǒng)運行、中斷進出的前導(dǎo)、時鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、系統(tǒng)運行、中斷進出的前導(dǎo)、時鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、事件處理。事件處理。 OS_TASK.c：任務(wù)管理模塊，與任務(wù)操作緊密相關(guān)的：任務(wù)管理模塊，與任務(wù)操作緊密相關(guān)的內(nèi)容，如：任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等。內(nèi)容，如：任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等。 OS_TIME.c：時間管理模塊，以時間節(jié)拍為最小單位：時間管理模塊，以時間節(jié)拍為最小單位實現(xiàn)任務(wù)延時等操作。實現(xiàn)任務(wù)延時等操作。 OS_Q.c、OS_MBOX.c、OS_SEM.c：任務(wù)間通信和同：任務(wù)間通信和同步模塊，實現(xiàn)任務(wù)間相互聯(lián)系和對臨界資源的訪問。步模塊，實現(xiàn)任務(wù)間相互聯(lián)系

35、和對臨界資源的訪問。OS_MEM.c：內(nèi)存管理模：內(nèi)存管理模塊，為面向用戶任務(wù)中的塊，為面向用戶任務(wù)中的動態(tài)內(nèi)存分配提供滿足實動態(tài)內(nèi)存分配提供滿足實時性要求的有效支持。時性要求的有效支持。還包括：還包括：O S _ C F G . h 、INCLIUDE.h：系統(tǒng)配置：系統(tǒng)配置頭文件頭文件32 任務(wù)調(diào)度方式任務(wù)調(diào)度方式 每個任務(wù)具有每個任務(wù)具有5種狀態(tài)：休眠、就緒、運行、掛起、被中斷。種狀態(tài)：休眠、就緒、運行、掛起、被中斷。狀態(tài)間轉(zhuǎn)換見圖。狀態(tài)間轉(zhuǎn)換見圖。 系統(tǒng)采用固定優(yōu)先級的搶占式調(diào)系統(tǒng)采用固定優(yōu)先級的搶占式調(diào)度方式。度方式。 系統(tǒng)最多支持系統(tǒng)最多支持64個任務(wù)，其中個任務(wù)，其中8個個系統(tǒng)任

36、務(wù)，其余為用戶任務(wù)。各系統(tǒng)任務(wù)，其余為用戶任務(wù)。各任務(wù)采用任務(wù)標(biāo)識符表示優(yōu)先級。任務(wù)采用任務(wù)標(biāo)識符表示優(yōu)先級。 系統(tǒng)不支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度和優(yōu)系統(tǒng)不支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度和優(yōu)先級繼承、置頂。先級繼承、置頂。33 時間性能時間性能 中斷一旦被識別立即保護現(xiàn)場，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，結(jié)中斷一旦被識別立即保護現(xiàn)場，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，結(jié)束后返回。束后返回。 中斷處理所用時間包括：中斷延遲、中斷響應(yīng)、中斷恢復(fù)。中斷處理所用時間包括：中斷延遲、中斷響應(yīng)、中斷恢復(fù)。34 空間性能空間性能 數(shù)據(jù)存儲區(qū)的要求：數(shù)據(jù)存儲區(qū)的要求： 應(yīng)用程序的應(yīng)用程序的RAM需求需求 內(nèi)核數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)核數(shù)據(jù)區(qū)的RAM需求，小于需求，小于4

37、K 各任務(wù)棧需求的總和各任務(wù)棧需求的總和 最多中斷嵌套的棧需求最多中斷嵌套的棧需求 程序存儲區(qū)的要求程序存儲區(qū)的要求 uc/OS-II對硬件要求很低，最小可減至對硬件要求很低，最小可減至2KB35 （2）RTLinux設(shè)計思想設(shè)計思想 絕大多數(shù)實時應(yīng)用的任務(wù)是可分成實時和非實時兩部分的。絕大多數(shù)實時應(yīng)用的任務(wù)是可分成實時和非實時兩部分的。實時任務(wù)通常對操作系統(tǒng)支持的需求很弱，而需要較多操實時任務(wù)通常對操作系統(tǒng)支持的需求很弱，而需要較多操作系統(tǒng)支持的多為非實時任務(wù)。作系統(tǒng)支持的多為非實時任務(wù)。 構(gòu)造一個簡單的強實時內(nèi)核，應(yīng)用的實時部分作為實時進構(gòu)造一個簡單的強實時內(nèi)核，應(yīng)用的實時部分作為實時進程

38、直接運行在這個強實時核上，原來的程直接運行在這個強實時核上，原來的Linux核心作為一核心作為一個優(yōu)先級最低的任務(wù)被實時內(nèi)核調(diào)度，應(yīng)用的非實時部分個優(yōu)先級最低的任務(wù)被實時內(nèi)核調(diào)度，應(yīng)用的非實時部分作為非實時進程運行于作為非實時進程運行于Linux核心上，獲得核心上，獲得Linux提供的提供的所有服務(wù)。所有服務(wù)。36 主要特點主要特點 引進了一個小的實時核心，將引進了一個小的實時核心，將Linux改造成完全搶占式調(diào)改造成完全搶占式調(diào)度。度。 保留了保留了Linux的本質(zhì)功能，可利用的本質(zhì)功能，可利用Linux及其工具的快速及其工具的快速發(fā)展能力提供現(xiàn)代操作系統(tǒng)和環(huán)境的方便和強大功能。發(fā)展能力提供

39、現(xiàn)代操作系統(tǒng)和環(huán)境的方便和強大功能。 實時任務(wù)不能調(diào)用系統(tǒng)功能，必須通過讀寫內(nèi)存和實時實時任務(wù)不能調(diào)用系統(tǒng)功能，必須通過讀寫內(nèi)存和實時FIFO的方式與的方式與Linux任務(wù)通信，而后由它們調(diào)用任務(wù)通信，而后由它們調(diào)用Linux功功能。能。 實時任務(wù)可直接控制實時任務(wù)可直接控制CPU，可擁有對，可擁有對Linux的控制權(quán)。的控制權(quán)。 實時任務(wù)實際上是實時任務(wù)實際上是Linux的核心任務(wù)。的核心任務(wù)。37 系統(tǒng)原理系統(tǒng)原理 RTLinux在在Linux的基礎(chǔ)上作如圖改進，底層信息在送達的基礎(chǔ)上作如圖改進，底層信息在送達Linux內(nèi)核之前被實時核截獲，優(yōu)先供實時任務(wù)使用，因內(nèi)核之前被實時核截獲，優(yōu)先

40、供實時任務(wù)使用，因此此Linux內(nèi)核及其進程都只能在實時任務(wù)釋放內(nèi)核及其進程都只能在實時任務(wù)釋放CPU硬件控硬件控制權(quán)的條件下啟動。制權(quán)的條件下啟動。38 實現(xiàn)機制實現(xiàn)機制中斷機制：中斷控制硬件與中斷機制：中斷控制硬件與Linux核之間增加了一個軟件仿核之間增加了一個軟件仿真層。依靠一個特定的寄存器決定中斷是否對真層。依靠一個特定的寄存器決定中斷是否對Linux開放，開放，如果關(guān)閉如果關(guān)閉Linux中斷，則所有中斷不會觸發(fā)中斷，則所有中斷不會觸發(fā)Linux的中斷的中斷服務(wù)程序，直到中斷開放。服務(wù)程序，直到中斷開放。實時任務(wù)：實時任務(wù)：RTLinux采用模塊加載技術(shù)，利用由核心控制的采用模塊加載

41、技術(shù)，利用由核心控制的調(diào)度程序調(diào)度實時任務(wù)的加載、運行，作為調(diào)度程序調(diào)度實時任務(wù)的加載、運行，作為Linux內(nèi)核模內(nèi)核模塊的實時任務(wù)執(zhí)行在內(nèi)核空間，可提高執(zhí)行效率。塊的實時任務(wù)執(zhí)行在內(nèi)核空間，可提高執(zhí)行效率。任務(wù)調(diào)度：按優(yōu)先級的搶占式調(diào)度對實時任務(wù)進行調(diào)度，任務(wù)調(diào)度：按優(yōu)先級的搶占式調(diào)度對實時任務(wù)進行調(diào)度，Linux任務(wù)可采用其它方式進行調(diào)度。任務(wù)可采用其它方式進行調(diào)度。時鐘機制：為避免實時任務(wù)調(diào)度中任務(wù)啟動時間與預(yù)定時刻時鐘機制：為避免實時任務(wù)調(diào)度中任務(wù)啟動時間與預(yù)定時刻間的偏差（任務(wù)發(fā)生抖動），需要精確的時鐘控制。間的偏差（任務(wù)發(fā)生抖動），需要精確的時鐘控制。RTLinux將定時器設(shè)計成終

42、端計時中斷方式，根據(jù)最近進將定時器設(shè)計成終端計時中斷方式，根據(jù)最近進程的需要不斷調(diào)整定時器的定時間隔?？色@得較高的時鐘程的需要不斷調(diào)整定時器的定時間隔?？色@得較高的時鐘精度，降低中斷服務(wù)處理的開銷。精度，降低中斷服務(wù)處理的開銷。IPC（進程間通信）：（進程間通信）：RTLinux的信息交換采用的信息交換采用FIFO方式，方式，其其FIFO是一個無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流。是一個無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流。395.1.3 操作系統(tǒng)裁剪操作系統(tǒng)裁剪 嵌入式操作系統(tǒng)的裁剪指嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)者根據(jù)嵌入式嵌入式操作系統(tǒng)的裁剪指嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)者根據(jù)嵌入式環(huán)境的應(yīng)用特性，改造和簡化已有操作系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)，環(huán)境的應(yīng)用特性，改造和

43、簡化已有操作系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)，使之滿足新的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的需求。使之滿足新的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的需求。 重要環(huán)節(jié)：重要環(huán)節(jié)： 定制操作系統(tǒng)；定制操作系統(tǒng)； 裁剪配置內(nèi)核；裁剪配置內(nèi)核； 編譯安裝內(nèi)核；編譯安裝內(nèi)核；401.定制操作系統(tǒng)定制操作系統(tǒng) 選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品的合適版本，考慮選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品的合適版本，考慮其基本體系結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)是否滿足實際應(yīng)用的要求。其基本體系結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)是否滿足實際應(yīng)用的要求。 常見的可選系統(tǒng)：常見的可選系統(tǒng)：Linux系列、系列、uC/OS、VxWorks、WinCE、QNX等等 關(guān)鍵的選擇指標(biāo)：系統(tǒng)規(guī)模、支持進程數(shù)量、進程間通關(guān)鍵的選

44、擇指標(biāo)：系統(tǒng)規(guī)模、支持進程數(shù)量、進程間通信的數(shù)據(jù)吞吐量和速度、進程響應(yīng)時間、代碼改寫和重信的數(shù)據(jù)吞吐量和速度、進程響應(yīng)時間、代碼改寫和重新配置方便等。新配置方便等。412.裁剪配置內(nèi)核裁剪配置內(nèi)核（1）原則）原則可裁剪性可裁剪性小型化：程序規(guī)模須滿足硬件要求；小型化：程序規(guī)模須滿足硬件要求；適當(dāng)功能：去除多余功能，只保留具體應(yīng)用所須的功能；適當(dāng)功能：去除多余功能，只保留具體應(yīng)用所須的功能；完備性：剪裁過程中須注意系統(tǒng)各模塊間的聯(lián)系，避免由于某一部完備性：剪裁過程中須注意系統(tǒng)各模塊間的聯(lián)系，避免由于某一部分的修改造成其它環(huán)節(jié)出現(xiàn)不安全的隱患；分的修改造成其它環(huán)節(jié)出現(xiàn)不安全的隱患；（2）對象）對象

45、系統(tǒng)改造需要裁剪的功能對象包括：系統(tǒng)改造需要裁剪的功能對象包括：啟動程序：系統(tǒng)的復(fù)位向量，引導(dǎo)方式；啟動程序：系統(tǒng)的復(fù)位向量，引導(dǎo)方式；內(nèi)核：進程、線程的調(diào)度、通信，中斷管理與響應(yīng)，存儲管理；內(nèi)核：進程、線程的調(diào)度、通信，中斷管理與響應(yīng)，存儲管理；可配置軟件包：高級數(shù)學(xué)、圖形等計算分析軟件；可配置軟件包：高級數(shù)學(xué)、圖形等計算分析軟件；各種設(shè)備驅(qū)動程序：各硬件系統(tǒng)的驅(qū)動操作。各種設(shè)備驅(qū)動程序：各硬件系統(tǒng)的驅(qū)動操作。42 （3）方法）方法對于操作系統(tǒng)首先考慮：對于操作系統(tǒng)首先考慮： 系統(tǒng)類型：整體式、層次式、微內(nèi)核式；系統(tǒng)類型：整體式、層次式、微內(nèi)核式； 源碼開放程度；源碼開放程度； 實時性指標(biāo)；

46、實時性指標(biāo)；系統(tǒng)改造的大致步驟：系統(tǒng)改造的大致步驟： 針對提供裁剪配置平臺的操作系統(tǒng)，增添開發(fā)工具中針對提供裁剪配置平臺的操作系統(tǒng)，增添開發(fā)工具中的配置信息。的配置信息。 修改啟動代碼，包括啟動、系統(tǒng)初始化，如是否需要修改啟動代碼，包括啟動、系統(tǒng)初始化，如是否需要引導(dǎo)、初始化哪些寄存器等。引導(dǎo)、初始化哪些寄存器等。 重新配置內(nèi)核，如中斷控制器的結(jié)構(gòu)、處理方式等須重新配置內(nèi)核，如中斷控制器的結(jié)構(gòu)、處理方式等須根據(jù)實際硬件平臺進行修改。根據(jù)實際硬件平臺進行修改。 由于內(nèi)核修改的實際應(yīng)用需求的差異，涉及應(yīng)用程序由于內(nèi)核修改的實際應(yīng)用需求的差異，涉及應(yīng)用程序的接口也需要改變，上層用戶程序也須作相應(yīng)修改

47、。的接口也需要改變，上層用戶程序也須作相應(yīng)修改。433.編譯安裝內(nèi)核編譯安裝內(nèi)核 操作系統(tǒng)的修改、配置是在代碼層上進行的，可以在任何操作系統(tǒng)的修改、配置是在代碼層上進行的，可以在任何環(huán)境下完成。改造完成后則需要編譯連接生成特定處理器環(huán)境下完成。改造完成后則需要編譯連接生成特定處理器所要求的機器碼文件，在利用一定方式寫到目標(biāo)硬件特定所要求的機器碼文件，在利用一定方式寫到目標(biāo)硬件特定的存儲器位置上。的存儲器位置上。 交叉編譯：在一個平臺上生成另一平臺上執(zhí)行的代碼。交叉編譯：在一個平臺上生成另一平臺上執(zhí)行的代碼。 主機平臺（主機平臺（Host）：開發(fā)用計算機（宿主機），通常使）：開發(fā)用計算機（宿主機

48、），通常使用用Windows或或Linux系統(tǒng)系統(tǒng) 目的平臺（目的平臺（Target）：待開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)軟硬件平臺。）：待開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)軟硬件平臺。 交叉編譯鏈：能在主機平臺上編譯目的平臺軟件的一系列交叉編譯鏈：能在主機平臺上編譯目的平臺軟件的一系列編譯軟件及其設(shè)置信息。編譯軟件及其設(shè)置信息。 匯編器，連接器、匯編器，連接器、C編譯器、用于處理可執(zhí)行程序和庫的一些基編譯器、用于處理可執(zhí)行程序和庫的一些基本工具，如本工具，如Linux宿主的宿主的glibc軟件。軟件。44 生成交叉編譯鏈的步驟：生成交叉編譯鏈的步驟： 用主機平臺上原編譯環(huán)境生成目標(biāo)平臺的匯編器、連用主機平臺上原編譯環(huán)境生成目

49、標(biāo)平臺的匯編器、連接器；接器； 用主機平臺上原編譯環(huán)境生成目標(biāo)平臺的用主機平臺上原編譯環(huán)境生成目標(biāo)平臺的C編譯器；編譯器； 用新生成的連接器、編譯器生成目標(biāo)平臺的基本程序；用新生成的連接器、編譯器生成目標(biāo)平臺的基本程序； 用新的匯編器、連接器、程序庫編譯目標(biāo)平臺的所有用新的匯編器、連接器、程序庫編譯目標(biāo)平臺的所有軟件。軟件。 編譯后軟件安裝的渠道：編譯后軟件安裝的渠道： JTAG、RS-232、TFTP 通常通常BootLoader依靠依靠JTAG安裝；安裝； 有了有了BootLoader支持后就可以依靠支持后就可以依靠RS-232和和TFTP安安裝其它軟件了。裝其它軟件了。454.實例分析實

50、例分析（1）uC/OS-II軟件包括：實時操作系統(tǒng)內(nèi)核、與處理器相關(guān)部分代碼、與應(yīng)用相關(guān)軟件包括：實時操作系統(tǒng)內(nèi)核、與處理器相關(guān)部分代碼、與應(yīng)用相關(guān)部分代碼和用戶應(yīng)用程序。部分代碼和用戶應(yīng)用程序。內(nèi)核不開放，開發(fā)者不能修改內(nèi)核部分，只能在內(nèi)核確定的范圍內(nèi)對內(nèi)核不開放，開發(fā)者不能修改內(nèi)核部分，只能在內(nèi)核確定的范圍內(nèi)對系統(tǒng)作一些改變。系統(tǒng)作一些改變。改寫處理器相關(guān)代碼： OS_CPU.H OS_CPU_A.ASM OS_CPU_C.C）改寫應(yīng)用相關(guān)代碼： OS_CFG.H INCLUDES.H46 （2）標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)裁剪系統(tǒng)裁剪 基本思想基本思想 由功能齊全、運行良好、公開的代碼基派生

51、出適用于軟硬件平臺、由功能齊全、運行良好、公開的代碼基派生出適用于軟硬件平臺、功能減少（針對某些應(yīng)用）、體系結(jié)構(gòu)更緊湊、規(guī)模更精簡的代功能減少（針對某些應(yīng)用）、體系結(jié)構(gòu)更緊湊、規(guī)模更精簡的代碼。碼。 裁剪的主要問題：裁剪的主要問題： 系統(tǒng)運行開銷（靜態(tài)映象體積、動態(tài)運行的內(nèi)存和系統(tǒng)運行開銷（靜態(tài)映象體積、動態(tài)運行的內(nèi)存和CPU開銷）、開銷）、 實時性能、實時性能、 虛擬內(nèi)存對硬件虛擬內(nèi)存對硬件MMU的依賴、的依賴、 圖形界面等圖形界面等 根據(jù)實際資源和功能要求適當(dāng)刪除和降低一些功能。根據(jù)實際資源和功能要求適當(dāng)刪除和降低一些功能。 典型的派生版本：典型的派生版本： 以滿足系統(tǒng)運行開銷要求的基本目

52、的：以滿足系統(tǒng)運行開銷要求的基本目的：ucLinux，小型化，小型化 以滿足實時性能要求為基本目的：以滿足實時性能要求為基本目的：RTLinux，實時化，實時化47 關(guān)鍵步驟關(guān)鍵步驟 精簡、重編譯內(nèi)核，去除多余模塊；精簡、重編譯內(nèi)核，去除多余模塊； 重新編寫重新編寫B(tài)ootLoader，制作，制作Boot ROM用于加載嵌入式用于加載嵌入式Linux內(nèi)內(nèi)核。核。 系統(tǒng)庫的改造：選擇必要的系統(tǒng)庫，去除無用庫，修改系統(tǒng)庫代系統(tǒng)庫的改造：選擇必要的系統(tǒng)庫，去除無用庫，修改系統(tǒng)庫代碼。碼。 對設(shè)備驅(qū)動程序進行處理，削弱原系統(tǒng)中不需要的冗余驅(qū)動軟件，對設(shè)備驅(qū)動程序進行處理，削弱原系統(tǒng)中不需要的冗余驅(qū)動軟

53、件，根據(jù)應(yīng)用的具體硬件設(shè)計新的驅(qū)動程序。根據(jù)應(yīng)用的具體硬件設(shè)計新的驅(qū)動程序。48 內(nèi)核的裁剪、編譯、安裝內(nèi)核的裁剪、編譯、安裝 在宿主平臺（在宿主平臺（PC+Linux）上利用宿主機工具對）上利用宿主機工具對Linux原代碼進行原代碼進行重新編輯，包括：重新編輯，包括： 修改某些代碼內(nèi)容；修改某些代碼內(nèi)容； 選擇準(zhǔn)備編譯的文件（選擇準(zhǔn)備編譯的文件（.c、.h)和文件夾；和文件夾； 在宿主平臺上生成合適的交叉編譯工具鏈：在宿主平臺上生成合適的交叉編譯工具鏈： 設(shè)置宿主設(shè)置宿主Linux系統(tǒng)的相關(guān)環(huán)境變量；系統(tǒng)的相關(guān)環(huán)境變量； 編譯生成編譯生成Linux環(huán)境下的匯編器、連接器、環(huán)境下的匯編器、連接

54、器、c編譯器（生成前為原代編譯器（生成前為原代碼文件）；碼文件）； 配置用于目標(biāo)平臺（配置用于目標(biāo)平臺（ ARM）的）的c庫文件；庫文件； 配置路徑環(huán)境變量；配置路徑環(huán)境變量； 改變某些代碼文件的編譯參數(shù)，主要是內(nèi)核文件。改變某些代碼文件的編譯參數(shù)，主要是內(nèi)核文件。 利用編譯工具對代碼進行編譯；利用編譯工具對代碼進行編譯； 將編譯連接完成的機器碼文件安裝到目標(biāo)平臺。將編譯連接完成的機器碼文件安裝到目標(biāo)平臺。495.2 用戶接口（用戶接口（UI）5.2.1 UI的定義的定義 UI指人與計算機之間的信息交互通道，即人機界面。指人與計算機之間的信息交互通道，即人機界面。 UI包含了信息交換所設(shè)計的硬

55、件、軟件，如顯示器、鍵包含了信息交換所設(shè)計的硬件、軟件，如顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等。盤、鼠標(biāo)等。505.2.2 UI的發(fā)展歷程的發(fā)展歷程 早期簡單原始的形式：指示燈，開關(guān)早期簡單原始的形式：指示燈，開關(guān) 文本用戶界面：專業(yè)人員使用，多行字符顯示器，鍵盤文本用戶界面：專業(yè)人員使用，多行字符顯示器，鍵盤行命令輸入行命令輸入 圖形用戶界面：更貼近人類自然信息交互方式，更清晰圖形用戶界面：更貼近人類自然信息交互方式，更清晰的文字圖形顯示器，鍵盤、鼠標(biāo)直觀操作。的文字圖形顯示器，鍵盤、鼠標(biāo)直觀操作。 多媒體和多通道界面：充分調(diào)動人類各種自然感官和表多媒體和多通道界面：充分調(diào)動人類各種自然感官和表情動作，實現(xiàn)盡可能的人性化信息交換，信息輸出設(shè)備情動作，實現(xiàn)盡可能的人性化信息交換，信息輸出設(shè)備包括各類字符、圖形包括各類字符、圖形/圖像、視頻影像、聲音等，信息輸圖像、視頻影像、聲音等，信息輸入設(shè)備包括原有的鍵盤、鼠標(biāo)以及聲音，圖像等等。入設(shè)備包括原有的鍵盤、鼠標(biāo)以及聲音，圖像等等。515.2.3 嵌入式嵌入式UI的結(jié)構(gòu)特點的結(jié)構(gòu)特點完整的完整的UI系統(tǒng)由硬件和軟件組成：系統(tǒng)由硬件和軟件組成：硬件包括顯示單元、音頻輸出、鍵盤鼠標(biāo)、硬件包括顯示單元、音頻輸出、鍵