實時系統(tǒng)概念

ID:72519 · 發(fā)表于 2015-1-23 20:40

這幾天邊看電影邊整理的筆記。大家得捧場哈！以后會經(jīng)常有的。

         首先我們的熟悉實時系統(tǒng)的概念，實時系統(tǒng)它分為軟實時和硬實時；軟實時系統(tǒng)它是指系統(tǒng)的目的是為了使各個任務(wù)盡快的執(zhí)行，而不要求限定的某一個任務(wù)在多長時間內(nèi)完成，也就是該系統(tǒng)超過規(guī)定時間對系統(tǒng)不會產(chǎn)生很大的影響，系統(tǒng)依然可以運行。而硬實時系統(tǒng)則不僅要求任務(wù)執(zhí)行無誤，而且還要做到準時；也就是說在一到達規(guī)定的時間，任務(wù)必須完成，否則會給系統(tǒng)帶來災難性的后果。
         我以前寫的程序很多是沒有嵌系統(tǒng)的，所以它們稱為前/后臺系統(tǒng)或超循環(huán)系統(tǒng)。那么什么是前臺，什么是后臺呢？我們的程序中有個main函數(shù)，這個函數(shù)肯定是一個無限循環(huán)系統(tǒng)，在循環(huán)中調(diào)用相應的驅(qū)動函數(shù)完成相應的功能，這部分可以看成是后臺行為；一般的系統(tǒng)都是有中斷發(fā)生的，那么中斷服務(wù)處理程序可以看成是前臺行為；固有這個說法，后臺可以成為任務(wù)級，前臺成為中斷級。這種前/后臺系統(tǒng)有一個很大的缺點，就是任務(wù)級的響應時間不是固定的，因為它是循環(huán)中的一部分，所以取決于循環(huán)運行的時間，所以前/后臺系統(tǒng)很容易跑飛。
         代碼的臨界段也稱臨界區(qū)，指處理時不可分割的代碼；所以進入臨界區(qū)之前必須關(guān)中斷，臨界區(qū)代碼執(zhí)行完后，必須馬上開中斷。
任務(wù)，在UCOS-ii實時系統(tǒng)中，一個任務(wù)其實就是一個線程，該任務(wù)可以認為CPU完全屬于它自己。UCOS-ii中的任務(wù)擁有自己的堆棧和CPU寄存器，并且賦予一定的優(yōu)先級，在UCOS-ii中，它可能處于睡眠、就緒、運行、等待、中斷服務(wù)狀態(tài)之一。1）睡眠狀態(tài)：它是一個什么樣的狀態(tài)呢，它其實是指一個任務(wù)在內(nèi)存中就占用一部分ROM，它沒有被操作系統(tǒng)分配任務(wù)控制塊，它和其他狀態(tài)下的任務(wù)沒有任何直接聯(lián)系，也就是說不能被內(nèi)核調(diào)度，就好比我們?nèi)コ燥�，正在路上�?）就緒狀態(tài)：它是指操作系統(tǒng)給它分配了任務(wù)控制塊，已經(jīng)在就緒列表中登記中，它此時不能運行是因為它的優(yōu)先級不是最高的，就好比我們?nèi)コ燥垥r在那排隊一樣；3）運行狀態(tài)：它是指一個任務(wù)正在運行，應該好理解，就好比食堂工作人員在給我們打飯；4）等待狀態(tài)：就是一個任務(wù)由于一個的條件沒有滿足，比如說在等待一個信號量的到來，而被至于等待狀態(tài)，就像我們在打飯時，如果工作人員還沒有來，那你沒辦法，你就得等拉；5）中斷服務(wù)狀態(tài)：就是在某個時刻突然因為一個中斷到來，那么這個任務(wù)就會馬上被中斷掉，從而處于中斷服務(wù)狀態(tài)，比如一個餓得受不了的人，如果搶你前面，本來該你打飯的，可是你看到他這個樣子，不忍心，那么你就被中斷了一會，中斷結(jié)束后，中斷掉的任務(wù)才會被繼續(xù)運行，同樣的你才能夠打飯；呵呵，這個比喻好像損了點。
在操作系統(tǒng)中，內(nèi)核提供的基本服務(wù)就是任務(wù)切換，它實際上可以說是寄存器內(nèi)容的切換。自然任務(wù)切換是需要時間的，CPU寄存器越多，負荷也就越大。
   基于優(yōu)先級的內(nèi)核有兩種：不可剝奪型和可剝奪型。不可剝奪型內(nèi)核它要求每個任務(wù)互相合作，也稱為合作型內(nèi)核，每個任務(wù)不會被其它任務(wù)剝奪去，除非中斷的到來，即便如此，當中斷結(jié)束后，還是會回到原來被中斷的程序，而不會切換到具有高優(yōu)先級的任務(wù)中去，這樣，高優(yōu)先級的任務(wù)就不能夠及時得到執(zhí)行，所以它的實時性是比較差的。但是它有一個很重要的特點，就是它可以使用不可重入函數(shù)，因為每個任務(wù)必須執(zhí)行完，才能釋放CPU，這樣它對其它任務(wù)調(diào)用不可重入函數(shù)沒有影響；同理在大多數(shù)情況下它無須使用信號量來保護資源。
   對于可剝奪型內(nèi)核，只要高優(yōu)先級任務(wù)一就緒，那它就會被執(zhí)行，而當前正在執(zhí)行的任務(wù)就會被掛起；正因為如此，對于系統(tǒng)的資源就不能像不可剝奪型那樣去使用，而是在使用前必須檢查是否可以使用，即互斥機制來保護臨界資源，如果不用的話，那么如果低優(yōu)先級在使用臨界資源時，突然被高優(yōu)先級把CPU給搶過去了，那么低優(yōu)先級的臨界資源就可能會被告優(yōu)先級任務(wù)給破壞掉，所以可剝奪型內(nèi)核是不能調(diào)用不可重入函數(shù)的，必須對共享資源通過互斥來訪問�？蓜儕Z型的優(yōu)點是是系統(tǒng)的響應時間得到了優(yōu)化，且是可知的。
實時系統(tǒng)中，中斷優(yōu)先級反轉(zhuǎn)這一問題是出現(xiàn)得最多的，這問題的本質(zhì)其實也不能理解，就是低優(yōu)先級的任務(wù)占有高優(yōu)先級的任務(wù)所需要的資源，而使高優(yōu)先級不得不等低優(yōu)先級把資源釋放才能執(zhí)行，在UCOS中一樣也存在這問題。不過我們可以人為解決這問題，因為UCOS中可以動態(tài)的修改任務(wù)的優(yōu)先級，那么我們可以通過優(yōu)先級極限法，實際上就是把低優(yōu)先級的任務(wù)的優(yōu)先級提高為0級；使該任務(wù)不會被其他任務(wù)所中斷，直到該任務(wù)執(zhí)行完共享資源的代碼后再回到原來的優(yōu)先級。其實還有一種方法叫優(yōu)先級繼承法，它的含義就是把低優(yōu)先級任務(wù)的優(yōu)先級提高至與要用到該低優(yōu)先級任務(wù)所占用的資源；這要求內(nèi)核能夠允許一個優(yōu)先級可以對應于多個任務(wù)，同時支持時間片段輪度調(diào)度；顯然UCOS是不支持它的。更多的請見嵌入式實時系統(tǒng)中的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。
上面提到了互斥，就簡要描述下互斥的條件；互斥我們一般在于共享資源打交道時經(jīng)常用到，那么我們對這些共享資源要怎么才能做到合理利用而被破壞呢，那就要使當時內(nèi)核的環(huán)境滿足互斥條件：關(guān)中斷、使用測試并置位指令（要求有相應的硬件）、禁止做任務(wù)切換、利用信號量。
信號量實際上是一種約束機制，熟悉操作系統(tǒng)應該都懂它，他有以下作用：1>控制共享資源的使用權(quán)『滿足互斥機制』2>標志某事件的發(fā)生3>使2個任務(wù)的行為同步。信號量可是0和1的兩個值也可以是0～n（n>2）的計數(shù)式的信號量；總之內(nèi)核是時刻跟蹤信號量的『這句話可要好好理解』。一般說信號量只能實施3種操作：初始化，也可以稱是建立，此時要初始化信號量的初始值，記住是不能小于0的；等待信號量，這時等待信號量的任務(wù)一般處于掛起狀態(tài)，等待的任務(wù)如果發(fā)現(xiàn)信號量大于0，信號量的值減1，然后繼續(xù)執(zhí)行，如果為0，該任務(wù)就掛起；然后就是發(fā)送信號量，發(fā)送時，信號量會增一，同時會進行任務(wù)調(diào)度。
死鎖也稱為抱死，指兩個任務(wù)無限期的等待對方的資源；防止死鎖的方法：1>先得到全部資源，再做下一步的工作2>用同樣的順序申請多個資源3>釋放資源是，使用相反的順序。還有就是定義超時來化解死鎖。
任務(wù)間的信息的傳遞有兩個途徑：全程變量和發(fā)消息給另一個任務(wù)。任務(wù)只能通過全程變量和中斷服務(wù)子程序通信。

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