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设计类:其他文章来源:www.lw63.com计算机论文32更新时间:2008-10-2 14:19:52 |字体:小达。

2.1.3嵌入式实时操作系统

实时操作系统(Real Time Operating System)是基于操作系统的运行特性，具有实时性并能支持实时控制的系统。其主要任务是调度所有可用资源完成实时控制任务，提高可靠性。其次，它侧重于提高系统的效率和满足时间限制和要求。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台，应具备以下功能:

1).任务管理(多任务和基于优先级的任务调度)；

2)任务之间的同步和通信(信号量、邮箱和消息队列)；

3).内存优化管理(包括ROM管理)

4).实时时钟服务

5).中断管理服务

实时操作系统中的任务相当于实时操作系统中进程的概念。系统中的任务有四种状态:执行、就绪、暂停和休眠。

运行:获得CPU控制权；

就绪:进入任务等待队列，通过调度转入运行状态；

挂起:任务被阻塞，移出任务等待队列，唤醒等待系统的实时事件，从而转入就绪或运行状态；

休眠:由于完成或出错而被删除的任务。

在任何时候，只有一个任务在运行。

RTOS是操作系统研究的一个重要分支。它与一般的商业多任务操作系统(如Unix和Windows)有相同的一面，但也有不同的一面。对于商用多任务OS，其目的是方便用户管理计算机资源，追求系统资源的最大利用率；RTOS追求系统的实时调度、时间响应时间的确定性和高可靠性。对一个实时操作系统的评价，一般可以从任务调度、内存管理、任务通信、内存开销、任务切换时间、最大中断禁止时间等几个方面来衡量。因此，RTOS要解决的主要问题如下:

(1)任务调度机制:

RTOS的实时性能和多任务能力很大程度上取决于其任务调度机制。在调度策略方面，分为优先级调度策略和时间片轮换调度策略；在调度方式上，可分为抢占式、非抢占式和抢占式调度方式；从时间片来看，分为固定和可变时间片轮换。单纯从基于优先级的抢占式调度模式来看，优先级的计算方法有很多。

在大多数商用实时系统中，为了使操作系统在出现紧急情况时能够迅速获得对系统的控制权以便及时做出反应，大多提供了“抢占式任务调度”的功能，即操作系统有权终止应用程序(应用程序任务)的执行，并将执行权交给优先级最高的任务。

⑵内存管理

像分时操作系统一样，实时操作系统使用内存管理单元(MMU)进行内存管理。实时操作系统的内存管理模式可分为实模式和保护模式(主要针对Intel x86)。目前主流的实时操作系统一般可以根据应用提供两种模式供用户自主选择。

(3)最小的内存开销

在RTOS的设计过程中，最小内存开销是一个重要的指标，因为在工业控制领域的一些工业计算机中(如上下位机控制系统中的下位机)，出于降低成本的考虑，内存配置一般不会很大，在这个有限的空间内不仅要加载实时操作系统，还要加载用户程序。因此，在RTOS的设计中，其占用内存大小是一个非常重要的指标，这也是RTOS设计与其他操作系统设计的明显区别之一。

(4)最大中断禁止时间和中断延迟时间

当RTOS运行在内核模式或者执行一些系统调用时，执行不会因为外部中断的到来而中断。只有当RTOS返回用户模式时，它才能响应外部中断请求。该过程所需的最大时间是最大中断禁止时间。

中断等待时间是指系统确认中断开始直到执行中断服务程序的第一条指令所需要的时间。实时操作系统的中断延迟时间由以下三个因素决定:处理器硬件电路的延迟时间，通常可以忽略不计；实时操作系统处理中断并将控制权转移给相关处理程序所需的时间；实时操作系统的中断禁止时间。

⑸任务切换时间(上下文切换时间)

当一个任务由于某种原因退出运行时，RTOS保存它的运行站点信息，插入到相应的队列中，按照一定的调度算法重新选择一个新的任务投入运行。这个过程所需的时间称为任务切换时间。更准确地说，任务切换时间是实时操作系统从一个任务的执行中取回控制权，然后交给另一个任务所需要的时间。包括保存当前正在执行的任务的现场信息所需的时间，RTOS决定下一个调度任务所需的调度时间，RTOS将另一个任务转入系统执行所需的时间。

其中，最大中断禁止时间和任务切换时间是评价RTOS实时性能的两个最重要的技术指标。