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標(biāo)題: 實(shí)時(shí)系統(tǒng)概念 [打印本頁(yè)]
作者: liuda    時(shí)間: 2015-1-23 20:40
標(biāo)題: 實(shí)時(shí)系統(tǒng)概念
這幾天邊看電影邊整理的筆記。大家得捧場(chǎng)哈！以后會(huì)經(jīng)常有的。

           首先我們的熟悉實(shí)時(shí)系統(tǒng)的概念，實(shí)時(shí)系統(tǒng)它分為軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)；軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)它是指系統(tǒng)的目的是為了使各個(gè)任務(wù)盡快的執(zhí)行，而不要求限定的某一個(gè)任務(wù)在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)完成，也就是該系統(tǒng)超過(guò)規(guī)定時(shí)間對(duì)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生很大的影響，系統(tǒng)依然可以運(yùn)行。而硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)則不僅要求任務(wù)執(zhí)行無(wú)誤，而且還要做到準(zhǔn)時(shí)；也就是說(shuō)在一到達(dá)規(guī)定的時(shí)間，任務(wù)必須完成，否則會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。
           我以前寫(xiě)的程序很多是沒(méi)有嵌系統(tǒng)的，所以它們稱為前/后臺(tái)系統(tǒng)或超循環(huán)系統(tǒng)。那么什么是前臺(tái)，什么是后臺(tái)呢？我們的程序中有個(gè)main函數(shù)，這個(gè)函數(shù)肯定是一個(gè)無(wú)限循環(huán)系統(tǒng)，在循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)完成相應(yīng)的功能，這部分可以看成是后臺(tái)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(tái)行為；固有這個(gè)說(shuō)法，后臺(tái)可以成為任務(wù)級(jí)，前臺(tái)成為中斷級(jí)。這種前/后臺(tái)系統(tǒng)有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是任務(wù)級(jí)的響應(yīng)時(shí)間不是固定的，因?yàn)樗茄h(huán)中的一部分，所以取決于循環(huán)運(yùn)行的時(shí)間，所以前/后臺(tái)系統(tǒng)很容易跑飛。
           代碼的臨界段也稱臨界區(qū)，指處理時(shí)不可分割的代碼；所以進(jìn)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(kāi)中斷。
任務(wù)，在UCOS-ii實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，一個(gè)任務(wù)其實(shí)就是一個(gè)線程，該任務(wù)可以認(rèn)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(jí)，在UCOS-ii中，它可能處于睡眠、就緒、運(yùn)行、等待、中斷服務(wù)狀態(tài)之一。1）睡眠狀態(tài)：它是一個(gè)什么樣的狀態(tài)呢，它其實(shí)是指一個(gè)任務(wù)在內(nèi)存中就占用一部分ROM，它沒(méi)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(méi)有任何直接聯(lián)系，也就是說(shuō)不能被內(nèi)核調(diào)度，就好比 我們?nèi)コ燥垼诼飞希?）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(shí)不能運(yùn)行是因?yàn)樗膬?yōu)先級(jí)不是最高的，就好比我們?nèi)コ燥垥r(shí)在那排隊(duì)一樣；3）運(yùn)行狀態(tài)：它 是指一個(gè)任務(wù)正在運(yùn)行，應(yīng)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(gè)任務(wù)由于一個(gè)的條件沒(méi)有滿足，比如說(shuō)在等待一個(gè)信號(hào)量的到來(lái)，而被至于等待狀態(tài)，就像我們?cè)诖蝻垥r(shí)，如果工作人員還沒(méi)有來(lái)，那你沒(méi)辦法，你就得等拉；5）中斷服務(wù)狀態(tài)：就是在某個(gè)時(shí)刻突然因?yàn)橐粋�(gè)中斷到來(lái)，那么 這個(gè)任務(wù)就會(huì)馬上被中斷掉，從而處于中斷服務(wù)狀態(tài)，比如一個(gè)餓得受不了的人，如果搶你前面，本來(lái)該你打飯的，可是你看到他這個(gè)樣子，不忍心，那么你就被中斷了一會(huì)，中斷結(jié)束后，中斷掉的任務(wù)才會(huì)被繼續(xù)運(yùn)行，同樣的你才能夠打飯；呵呵，這個(gè)比喻好像損了點(diǎn)。
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(shí)際上可以說(shuō)是寄存器內(nèi)容的切換。自然任務(wù)切換是需要時(shí)間的，CPU寄存器越多，負(fù)荷也就越大。
      基于優(yōu)先級(jí)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(gè)任務(wù)互相合作，也稱為合作型內(nèi)核，每個(gè)任務(wù)不會(huì)被其它任務(wù)剝奪去，除非中斷的到來(lái)，即便如此，當(dāng)中斷結(jié)束后，還是會(huì)回到原來(lái)被中斷的程序，而不會(huì)切換到具有高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)中去，這樣，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就不能夠及時(shí)得到執(zhí)行，所以它的實(shí)時(shí)性是比較差的。但是它有一個(gè)很重要的特點(diǎn)，就是它可以使用不可重入函數(shù)，因?yàn)槊總�(gè)任務(wù)必須執(zhí)行完，才能釋放CPU，這樣它對(duì)其它任務(wù)調(diào)用不可重入函數(shù)沒(méi)有影響；同理在大多數(shù)情況下它無(wú)須使用信號(hào)量來(lái)保護(hù)資源。
      對(duì)于可剝奪型內(nèi)核，只要高優(yōu)先級(jí)任務(wù)一就緒，那它就會(huì)被執(zhí)行，而當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)就會(huì)被掛起；正因?yàn)槿绱耍瑢?duì)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(jī)制來(lái)保護(hù)臨界資源，如果不用的話，那么如果低優(yōu)先級(jí)在使用臨界資源時(shí)，突然被高優(yōu)先級(jí)把CPU給搶過(guò)去了，那么低優(yōu)先級(jí)的臨界資源就可能會(huì)被告優(yōu)先級(jí)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(duì)共享資源通過(guò)互斥來(lái)訪問(wèn)。可剝奪型的優(yōu)點(diǎn)是是系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間得到了優(yōu)化，且是可知的。
實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，中斷優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)這一問(wèn)題是出現(xiàn)得最多的，這問(wèn)題的本質(zhì)其實(shí)也不能理解，就是低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)占有高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)所需要的資源，而使高優(yōu)先級(jí)不得不等低優(yōu)先級(jí)把資源釋放才能執(zhí)行，在UCOS中一樣也存在這問(wèn)題。不過(guò)我們可以人為解決這問(wèn)題，因?yàn)閁COS中可以動(dòng)態(tài)的修改任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，那么我們可以通過(guò)優(yōu)先級(jí)極限法，實(shí)際上就是把低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)提高為0級(jí)；使該任務(wù)不會(huì)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(lái)的優(yōu)先級(jí)。其實(shí)還有一種方法叫優(yōu)先級(jí)繼承法，它的含義就是把低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)提高至與要用到該低優(yōu)先級(jí)任務(wù)所占用的資源；這要求內(nèi)核能夠允許一個(gè)優(yōu)先級(jí)可以對(duì)應(yīng)于多個(gè)任務(wù)，同時(shí)支持時(shí)間片段輪度調(diào)度；顯然UCOS是不支持它的。更多的請(qǐng)見(jiàn)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。
上面提到了互斥，就簡(jiǎn)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(shí)經(jīng)常用到，那么我們對(duì)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(dāng)時(shí)內(nèi)核的環(huán)境滿足互斥條件：關(guān)中斷、使用測(cè)試并置位指令（要求有相應(yīng)的硬件）、禁止做任務(wù)切換、利用信號(hào)量。
信號(hào)量實(shí)際上是一種約束機(jī)制，熟悉操作系統(tǒng)應(yīng)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(jī)制』2>標(biāo)志某事件的發(fā)生3>使2個(gè)任務(wù)的行為同步。信號(hào)量可是0和1的兩個(gè)值也可以是0～n（n>2）的計(jì)數(shù)式的信號(hào)量；總之內(nèi)核是時(shí)刻跟蹤信號(hào)量的『這句話可要好好理解』。一般說(shuō)信號(hào)量只能實(shí)施3種操作：初始化，也可以稱是建立，此時(shí)要初始化信號(hào)量的初始值，記住是不能小于0的；等待信號(hào)量，這時(shí)等待信號(hào)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(hào)量大于0，信號(hào)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(hào)量，發(fā)送時(shí)，信號(hào)量會(huì)增一，同時(shí)會(huì)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。
死鎖也稱為抱死，指兩個(gè)任務(wù)無(wú)限期的等待對(duì)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(qǐng)多個(gè)資源3>釋放資源是，使用相反的順序。還有就是定義超時(shí)來(lái)化解死鎖。
任務(wù)間的信息的傳遞有兩個(gè)途徑：全程變量和發(fā)消息給另一個(gè)任務(wù)。任務(wù)只能通過(guò)全程變量和中斷服務(wù)子程序通信。






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