第1講操作系統(tǒng)(東北大學(xué)嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng))

嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)

丁山dingshan@Ch1嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)概論

1.1操作系統(tǒng)概觀1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展

1.3操作系統(tǒng)提供的服務(wù)和用戶接口

1.4操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.5流行操作系統(tǒng)簡介1.6嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)1.1操作系統(tǒng)概觀1.1.1操作系統(tǒng)的定義和目標(biāo)1.1.2操作系統(tǒng)的作用和功能1.1.3操作系統(tǒng)的主要特性1.1.1操作系統(tǒng)的定義和目標(biāo)

操作系統(tǒng)是管理系統(tǒng)資源、控制程序執(zhí)行，改善人機(jī)界面，提供各種服務(wù)，合理組織計算機(jī)工作流程和為用戶有效使用計算機(jī)提供良好運(yùn)行環(huán)境的一種系統(tǒng)軟件。它可被看作是用戶和計算機(jī)硬件之間的一種接口，是現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)不可分割的重要組成部分。計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)(1)

用戶1用戶2用戶3用戶4用戶n財務(wù)系統(tǒng)航空訂票上網(wǎng)瀏覽電子商務(wù)科學(xué)計算（應(yīng)用程序）編譯程序匯編程序編輯程序數(shù)據(jù)庫（系統(tǒng)程序）操作系統(tǒng)計算機(jī)硬件………計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)(2)

硬件層操作系統(tǒng)層系統(tǒng)程序?qū)討?yīng)用層硬件層提供基本的可計算性資源，包括：具有一組指令的處理器、可被訪問的寄存器和存儲器，可被使用的各種I/O設(shè)施和設(shè)備。這些是操作系統(tǒng)賴以工作的基礎(chǔ)，也是操作系統(tǒng)設(shè)計者可以使用的功能和資源。操作系統(tǒng)層對硬件作擴(kuò)充和改造，提供了操作系統(tǒng)接口，為編譯程序、編輯程序、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等的設(shè)計者提供有力支撐。此外，操作系統(tǒng)還要做資源的調(diào)度和分配，信息的存取和保護(hù)，并發(fā)活動的協(xié)調(diào)和控制等許多工作。系統(tǒng)程序?qū)咏⒃诓僮飨到y(tǒng)改造和擴(kuò)充過的機(jī)器上，提供擴(kuò)展指令集，實(shí)現(xiàn)各種語言處理程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和其他系統(tǒng)程序。提供種類繁多的實(shí)用程序，如連接裝配程序、庫管理程序、診斷排錯程序、分類/合并程序等供用戶使用。

應(yīng)用層解決用戶不同的應(yīng)用問題，應(yīng)用程序開發(fā)者借助程序設(shè)計語言來表達(dá)應(yīng)用問題，開發(fā)各種應(yīng)用程序，既快捷又方便。操作系統(tǒng)和硬件組成了一個運(yùn)行平臺，其他軟件都運(yùn)行在這個平臺上。

操作系統(tǒng)的主要目標(biāo)方便用戶使用擴(kuò)大機(jī)器功能管理系統(tǒng)資源提高系統(tǒng)效率構(gòu)筑開放環(huán)境

1.1.2操作系統(tǒng)的作用與功能

操作系統(tǒng)的作用

OS作為用戶與計算機(jī)硬件之間的接口

OS作為虛擬計算機(jī)

OS作為計算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者

(2)OS為用戶提供虛擬計算機(jī)(1)

如何把硬件復(fù)雜性與用戶隔離開來?基本方法是在計算機(jī)裸機(jī)上加上一層又一層軟件來組成整個計算機(jī)系統(tǒng)。每當(dāng)在計算機(jī)上復(fù)蓋一層軟件，提供了一種抽象,系統(tǒng)的功能便增加一點(diǎn)，使用就更加方便一點(diǎn)，用戶可用的運(yùn)行環(huán)境就更加好一點(diǎn)。OS為用戶提供虛擬計算機(jī)(2)

1)裸機(jī)極難使用，雖有很強(qiáng)的指令系統(tǒng)，從功能上來說局限性很大。加上軟件后，就可在硬件基礎(chǔ)上，對其功能和性能進(jìn)行擴(kuò)充和完善。

OS為用戶提供虛擬計算機(jī)(3)

2)軟件之間的關(guān)系，采用同樣辦法，一些軟件的運(yùn)行以另一些軟件的存在并為其提供運(yùn)行支撐作為基礎(chǔ)，新添加的這些軟件是在原來那些軟件基礎(chǔ)上的擴(kuò)充和完善。

OS為用戶提供虛擬計算機(jī)(4)

3)例1，在裸機(jī)上加上虛擬存儲管理軟件，用戶就可有碩大的編程空間，不必涉及物理存儲空間的容量、地址轉(zhuǎn)換、程序重定位等物理細(xì)節(jié)。虛擬存儲器是現(xiàn)代操作系統(tǒng)對計算機(jī)系統(tǒng)中多級物理存儲體系進(jìn)行高度抽象的結(jié)果。

OS為用戶提供虛擬計算機(jī)(5)

4)例2，如果加上一層I/O設(shè)備管理軟件，用戶就可使用I/O命令來進(jìn)行數(shù)據(jù)的I/O，不必涉及顯示器、打印機(jī)、掃描儀、鍵盤和鼠標(biāo)等的物理細(xì)節(jié)。

OS為用戶提供虛擬計算機(jī)(6)

5)如果加上一層文件管理軟件，它將磁盤抽象成一組命名的文件，用戶通過文件操作，按文件名來存取信息，不必涉及諸如數(shù)據(jù)物理地址、磁盤記錄命令、移動磁頭臂、搜索物理塊及設(shè)備驅(qū)動等物理細(xì)節(jié)，便于使用、效率又高。

OS為用戶提供虛擬計算機(jī)(7)

6)例3，如果加上一層窗口管理軟件，由該軟件把一臺物理屏幕改造成多窗口，每個應(yīng)用可以在各自的窗口中操作，用戶可以在窗口環(huán)境中方便地與計算機(jī)交互。OS為用戶提供虛擬計算機(jī)(8)

操作系統(tǒng)是緊靠硬件的第一層軟件，計算機(jī)上覆蓋操作系統(tǒng)后，可擴(kuò)展基本功能，為用戶提供一臺功能顯著增強(qiáng)，使用更加方便，安全可靠性好，效率明顯提高的機(jī)器，稱為虛擬計算機(jī)，或操作系統(tǒng)虛機(jī)器（VirtualMachine）。(3)操作系統(tǒng)作為計算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者(1)

在操作系統(tǒng)中，能分配給用戶使用的硬件和軟件設(shè)施總稱為資源，包括兩大類：硬件資源和信息資源。硬件資源又分：處理器、存儲器、I/O設(shè)備等；信息資源又分：程序和數(shù)據(jù)等。操作系統(tǒng)作為計算機(jī)系統(tǒng)的

資源管理者(2)

操作系統(tǒng)如何來管理系統(tǒng)資源，哪些情況下需要對資源進(jìn)行管理?來看幾個例子：操作系統(tǒng)作為計算機(jī)系統(tǒng)的

資源管理者(3)

例1，用戶想把一批信息存儲到某個設(shè)備上，必須先弄清楚該設(shè)備的存儲格式、讀寫命令和各種情況下的中斷處理步驟。而讓用戶了解設(shè)備的物理細(xì)節(jié)將會十分困難，甚至束手無策。這些工作只能讓操作系統(tǒng)代勞。操作系統(tǒng)作為計算機(jī)系統(tǒng)的

資源管理者(4)

例2，若內(nèi)存中能裝入兩道程序并同時啟動運(yùn)行，不但可充分利用內(nèi)存資源，當(dāng)一道程序等待I/O完成時，可讓另一道程序占有CPU運(yùn)行，使得I/O設(shè)備和CPU同時保持忙碌，這類高效的工作方式，需要解決許多技術(shù)問題，這只有靠操作系統(tǒng)來做。操作系統(tǒng)作為計算機(jī)系統(tǒng)的

資源管理者(5)

例3，三個需要打印輸出信息的應(yīng)用程序在同時運(yùn)行，打印機(jī)上三個程序的輸出結(jié)果會交錯夾雜、混亂不堪。一種解決方案：程序輸出時，先把各自的結(jié)果存在磁盤上，等到某程序生成的輸出全部存入后，才啟動打印機(jī)輸出，消除了雜亂無章的局面，這種做法只有操作系統(tǒng)才辦得到。

操作系統(tǒng)作為計算機(jī)系統(tǒng)的

資源管理者(6)

也有人將操作系統(tǒng)定義為：是能使諸用戶有效、方便地共享一套計算機(jī)系統(tǒng)資源的一種系統(tǒng)軟件。

操作系統(tǒng)作為計算機(jī)系統(tǒng)的

資源管理者(7)操作系統(tǒng)的重要任務(wù)之一(1)

對資源進(jìn)行抽象研究，找出各種資源共性和個性，有序地管理計算機(jī)中的硬件、軟件資源，跟蹤資源使用情況，監(jiān)視資源的狀態(tài)，滿足用戶對資源的需求，協(xié)調(diào)各程序?qū)Y源的使用沖突；操作系統(tǒng)作為計算機(jī)系統(tǒng)的

資源管理者(8)操作系統(tǒng)的重要任務(wù)之一(2)

研究使用資源的統(tǒng)一方法，讓用戶簡單、有效的使用資源，最大限度地實(shí)現(xiàn)各類資源的共享，提高資源利用率，從而，使得計算機(jī)系統(tǒng)的效率有很大提高。

操作系統(tǒng)的功能

處理機(jī)管理存儲管理設(shè)備管理文件管理網(wǎng)絡(luò)與通信管理用戶接口

處理機(jī)管理(1)

?處理器管理的第一項工作是處理中斷事件，

?處理器管理的第二項工作是處理器調(diào)度。

處理機(jī)管理(2)處理器管理具體包括：進(jìn)程控制和管理

進(jìn)程同步和互斥

進(jìn)程通信和死鎖

線程控制和管理

處理器調(diào)度，分作業(yè)調(diào)度，中程調(diào)度，低級調(diào)度等

存儲管理

存儲管理具有四大功能：

存儲分配

存儲共享

地址轉(zhuǎn)換與存儲保護(hù)

存儲擴(kuò)充設(shè)備管理

設(shè)備管理具有以下功能：設(shè)備分配緩沖管理

設(shè)備驅(qū)動設(shè)備獨(dú)立性實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備文件管理

文件管理要完成以下任務(wù)：提供文件邏輯組織方法提供文件物理組織方法提供文件的存取方法提供文件的使用方法實(shí)現(xiàn)文件的目錄管理實(shí)現(xiàn)文件的存取控制實(shí)現(xiàn)文件的存儲空間管理

網(wǎng)絡(luò)與通信管理

聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)應(yīng)具有以下管理功能：網(wǎng)上資源管理功能數(shù)據(jù)通信管理功能網(wǎng)絡(luò)管理功能，包括:故障管理、安全管理、性能管理、記帳管理和配置管理。1.1.3操作系統(tǒng)的主要特性

第一個特性--并發(fā)性第二個特性--共享性第三個特性--異步性第四個特性--虛擬性操作系統(tǒng)的主要特性第一個特性--并發(fā)性(1)并發(fā)性（Concurrence）指兩個或兩個以上的事件或活動在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生發(fā)揮并發(fā)性能夠消除系統(tǒng)中部件和部件之間的相互等待，有效地改善系統(tǒng)資源的利用率，改進(jìn)系統(tǒng)的吞吐率，提高系統(tǒng)效率第一個特性--并發(fā)性(2)

內(nèi)存中同時有多個用戶程序，或內(nèi)存中同時有操作系統(tǒng)程序和用戶程序被啟動交替、穿插地執(zhí)行，都是并發(fā)性的例子。

第一個特性--并發(fā)性(3)

并發(fā)性使系統(tǒng)變得復(fù)雜化(1)

如何從一個活動切換到另一個活動？怎樣將各個活動隔離開來，使之互不干擾，免遭對方破壞？怎樣讓多個活動協(xié)作完成任務(wù)？第一個特性--并發(fā)性(4)

并發(fā)性使系統(tǒng)變得復(fù)雜化(2)

怎樣協(xié)調(diào)多個活動對資源的競爭？如何保證每個活動的資源不被其它進(jìn)程侵犯?多個活動共享文件數(shù)據(jù)時，如何保證數(shù)據(jù)的一致性？第一個特性--并發(fā)性(5)

操作系統(tǒng)中很早就引入重要概念--進(jìn)程，進(jìn)程能清晰刻劃操作系統(tǒng)中的并發(fā)性，實(shí)現(xiàn)并發(fā)活動的執(zhí)行，因而，它已成為現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一個重要基礎(chǔ)。第一個特性--并發(fā)性(6)采用并發(fā)技術(shù)的系統(tǒng)稱為多任務(wù)系統(tǒng)(Multitasking)，并發(fā)的實(shí)質(zhì)是一個物理CPU(也可以多個物理CPU)在若干道程序之間多路復(fù)用，并發(fā)性是對有限物理資源強(qiáng)制行使多用戶共享以提高效率。

第一個特性--并發(fā)性(7)

結(jié)論：實(shí)現(xiàn)并發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵之一是如何對系統(tǒng)內(nèi)的多個活動(進(jìn)程)進(jìn)行切換的技術(shù)。第一個特性--并發(fā)性(8)

并行性（parallelism）指兩個或兩個以上事件或活動在同一時刻發(fā)生。

?在多道程序環(huán)境下，并行性使多個程序同一時刻可在不同CPU上同時執(zhí)行。

?在分布式系統(tǒng)中，多臺計算機(jī)并存使程序的并發(fā)性得到了更充分發(fā)揮，同一時刻每臺計算機(jī)上都可以有程序在執(zhí)行。第一個特性--并發(fā)性(9)

?并行的事件或活動一定是并發(fā)的，但反之并發(fā)的事件或活動未必是并行的。

?并行性是并發(fā)性的特例，而并發(fā)性是并行性的擴(kuò)展。第二個特性-共享性(1)

共享指操作系統(tǒng)中的資源可被多個并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程所使用，可分成兩種資源共享方式：互斥訪問

:

系統(tǒng)中的某些資源同一時間內(nèi)只允許一個進(jìn)程訪問，許多物理設(shè)備，以及某些數(shù)據(jù)和表格都是互斥共享的資源。第二個特性-共享性(2)

同時訪問：

系統(tǒng)中還有許多資源，允許同一時間內(nèi)多個進(jìn)程對它進(jìn)行訪問，這里“同時”是宏觀上的說法。典型的可供多進(jìn)程同時訪問的資源是磁盤，可重入程序也可被同時訪問。與共享性有關(guān)的問題是資源分配、信息保護(hù)、存取控制等，必須要妥善解決好這些問題。第三個特性-異步性(1)操作系統(tǒng)中的異步性處處可見：一個進(jìn)程在CPU上運(yùn)行一段時間后，由于等待資源滿足或事件發(fā)生，被暫停執(zhí)行，CPU轉(zhuǎn)讓給另一個進(jìn)程執(zhí)行。系統(tǒng)中的進(jìn)程何時執(zhí)行？何時暫停？怎樣的速度向前推進(jìn)？進(jìn)程總共要多少時間執(zhí)行才能完成？這些都是不可予知的，或者說該進(jìn)程是以異步方式運(yùn)行的。第三個特性-異步性(2)

操作系統(tǒng)中異步性的其他例子：

(1)作業(yè)到達(dá)系統(tǒng)的類型和時間是隨機(jī)的；

(2)操作員發(fā)出命令或按按鈕的時刻是隨機(jī)的；

(3)程序運(yùn)行發(fā)生錯誤或異常的時刻是隨機(jī)的；

(4)各種各樣硬件和軟件中斷事件發(fā)生的時刻是隨機(jī)的

。第三個特性-異步性(3)

?異步性給系統(tǒng)帶來潛在危險,有可能導(dǎo)致與時間有關(guān)的錯誤。

?操作系統(tǒng)的一個重要任務(wù)是必須確保捕捉任何一種隨機(jī)事件，正確處理可能發(fā)生的隨機(jī)事件，正確處理任何一種產(chǎn)生的事件序列，否則將會導(dǎo)致嚴(yán)重后果。第四個特性--虛擬性(1)

虛擬性是指操作系統(tǒng)中的一種管理技術(shù)，它是把物理上的一個實(shí)體變成邏輯上的多個對應(yīng)物，或把物理上的多個實(shí)體變成邏輯上的一個對應(yīng)物的技術(shù)，顯然，前者是實(shí)際存在的而后者是虛構(gòu)假想的。第四個特性--虛擬性(2)

通過多道程序和分時使用CPU技術(shù)，物理上的一個CPU變成邏輯上的多個CPU。第四個特性--虛擬性(3)

通過Spooling技術(shù)可把物理上的一臺獨(dú)占設(shè)備變成邏輯上的多臺虛擬設(shè)備，第四個特性--虛擬性(4)

通過窗口技術(shù)可把物理上的一個屏幕變成邏輯上的多個虛擬屏幕，IBM的VM技術(shù)把物理上的一臺計算機(jī)變成邏輯上的多臺計算機(jī)。第四個特性--虛擬性(5)

虛擬存儲器則是把物理上的多個存儲器(主存和輔存)變成邏輯上的一個(虛存)的例子。1.6嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)什么是嵌入式系統(tǒng)：

來自IEEE的定義：“Embeddedsystemisdevicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants”. ——IEEE上述定義主要從應(yīng)用上加以定義。

可以看出：嵌入式系統(tǒng)是軟硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。什么是嵌入式系統(tǒng)：

廣義上嵌入式系統(tǒng)是一種應(yīng)用系統(tǒng)，它至少包含一個可編程的計算機(jī)（通常是某種形式的微控制器、微處理器或數(shù)字信號處理芯片（DSP））且使用該系統(tǒng)的人一般并未意識到該系統(tǒng)是基于計算機(jī)的。什么是嵌入式系統(tǒng)：

國內(nèi)的經(jīng)典定義嵌入式系統(tǒng)是 “以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)”一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。可以從以下幾個方面來理解國內(nèi)對嵌入式系統(tǒng)的定義：嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。

即嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)