嵌入式实时操作系统架构基础，深入浅出，快速掌握操作系统原理。freertos，rtx,ucos原理大

文件名称: 嵌入式实时操作系统

所属分类: 硬件开发

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详细说明：嵌入式实时操作系统架构基础，深入浅出，快速掌握操作系统原理。freertos，rtx,ucos原理大同小异。目录第1章绪论 1.1嵌入式系统的发展历史……………… 1.2嵌入式实时操作系统的特点 1.3基于嵌入式实时操作系统的程序设计技术… 第2章开发环境 dtah*.a 2.1嵌入式实时操作系统的选择…… 2.2CPU芯片的选择 667 2.3嵌入式实时操作系统的移植…… 2.4开发调试环境的建立 2.5工程模板的使用…… 单·;··中·..甲·.:.a"·a···:·::::.a:a 2.5.1scf文件组……………… 2.5.2×.h文件组 2.5.3 afm 文件组 12 2.5.4 target文件组 ··:“:“.:.· 着画+画 2.5.5pC/OS-I文件组…… 15 2.5.6用户文件组第3章任务划分 .1任务的特性 …………………16 3.1.1任务的动态性 4·面·■自自由辈P血和申 ·翻■善+普dd画品 3.1.2任务的独立性… 16 3.1.3任务的并发性 17 3.2任务划分的目标「鲁曾十曾曹·曾曾曾·m!"P曹曾里量看里鲁 3.3任务划分的方法… 鲁·普肀;曹童套1着着1面看 ………18 3.3.1设备依赖性任务的划分 E交」日录 3.2.键任务的划分 3.3.3紧迫任务的划分……………… 3.3,4数据处理任务的划分功能聚合任务的划分 23 3.3.6触发条件相同任务的划分 3.3.7运行周期相同任务的划分 ………………24 3.3.8顺序操作任务的划分………… 24 3.3.9任务划分小结 …………25 3.4任务的可调度性分析晶. 25 第4章任务设计… …∷27 4.1任务函数的结构… 27 4.1.1单次执行的任务…… ………………………27 4.1.2周期性执行的仼务………………………… 4.1.3件触发执行的仟务 32 仟务优先級安排 35 4.2.1任务的优先级资源 35 4.2.2任务优先级安排原则… ………136 4.3任务的数据结构设计 1.3.1与操作系统有关的数据结构 ·,鲁由4·..看翻日翻鲁血鲁甲事“·着卜唱等电.圈是 37 4.3.2与操作系统无关的数据结构 .“.“+““‘·““·…‘·:“·:··· 4.4任务设计中的问题 ■.■『香 8 4.1公共函数的调用 1.4.2与其他任务的协调… ………………39 4.4.3共享资源的访问 ………………………………………39 1.4.4与其他任务进行数据通信 4.5任务的代码设计过程 :·“··“····· 4.5.1系统总体任务关联图 0 任务的关联分析 4.5.3红务的程序流程图…………… 42 4.5.4编写任务的程序代码……… 43 第5章中断服务程序设计 5.1中断优先级安排……………………………………………………………………5 5.1.1中断的优先级资源… 自·,甲申·日普:严 …………………………45 5,1.2中断优先级安排凉目录 .2不受操作系统眢理的中断服务程序……………… 罾;曹香■晋甲!噩晋■晋m「「,P 5.3受操作系统管理的中断服务程序∴ 52 5,3.1中断服务程序的结构画画看 ………………52 入 5.3.2中断句硒 …53 3配置和初始化中断源看t自B ,···十「·· 53 5..设计与关联任务的通信手段 5编写中断服务程序的功能函数 55 第6章行为同步 63 5.1用于行为同步的通信手段 63 统 .」二-值信号量 63 6,1,2计数信号量 64 6.1.3事件标志组… 曹·日 65 6.1.4消息邮箱 65 6.1.5消息队列 ·d!·:+F·!":F!,t ………………………66|术 6,1,6小结 66 6.2行为同步…………… ……………………66 6.2.1ISR与任务之间的同步……… 66 6.2.2两个任务之间单向同步… 68 6.2.3两个任务之间的双问同步中··鲁■申P,·身·「··中·中非 74 6.2.4两个以上任务同步一个任务…… 77 6.2.5多个任务相王屙步…… 83 第7章资源同步 9 7,1关中断 90 7.1.1保障数据可靠性………… 91 .1.2保障数据完整性………… ·量 -.::"- …………99 1.3关中断小结…………………………………… 106 .2关调度 ……………………………………………………………………………107 .使用互斥信号量… 备画·善 111 4使用计数信号量… 115 第8章数据通信…… 。非电电。看自鲁。國看D酬看d中由即“即看甲 117 8.1全局变量… 1 117 .2内存数据块画画dd面■画画 S.3消息邮箱… …121 8.4消息队列…………………………………………………………………………128 彐录第9章时问管理 ■·■翻■4曾画;音十平「F备d“■面面由 134 控制仟务的执行周期 134 9.2控制任务的运行节奏· ...+++““4“h“++“ 135 9.3状态查询 ……135 94终止周期性任务曾·····和會普·4·P··面曲日量r·1f1t■d1酯D自自十日日自垂mtm■ 136 时第10章采样任务设计 0.1使用延时函数控制采样周期… …141 10.2使用定时中断控制采样周期 ……………………144 10.3使用节抬钩子函数进行采样 l44 10.4使用快速定时中断进行采样中面: ,…………∷…148 10.5被动采样 l48 第1章串行通信任务设计… 152 11.]通信协议设计… 152 11.2风险评估曹·曹4鲁们 ………………153 l1.3帧缓冲区… ··丰··上·b ∴………54 11.4数据发送 …………………∴……155 11.5数据接收 8 第12章键盘任务设计… 4‘日L上L十“4F·■riL ……………162 12.1可靠地获取键盘操作信息 …162 12.2基于菜单操作的监控流程…………………………………………………164 12.2.1系统功能分析和菜单结构设计…… ……………164 12.2.2监控程序设计 64 12.3与显示任务的通信 166 第13章显示任务设计 ………………167 13.1GI简介…… 南『【.翻自"nb■,群 …………∷…167 13.2画面设计……… 中··tt ……,…*167 13.3与其他任务的接…… ……-169 13.4短消息设计… h··-······““··+.···+···· l70 13.5显示任务设计 L?0 第14章嵌入式操作系统的剪裁即曹 …………………………176 14.|服务功能的剪裁… 聊血。着·中厂·,鲁∮和「,P·“,甲F·中··,自非。加由量自自翟 176 4.1.1狂务管理功能剪裁了6 14.1.2通信服务功能的剪裁… 177 l4.1.3其他功能的剪裁 179 自录 14.2数据结构的剪裁…… 179} 14.2.1与任务有关的数据结构 ·中鲁······普 :··甲····自··,鲁曾 l79 1A.2.2与通信功能有关的数据结构… 180 1423其他参数…………………180式第15章设计实例… 血当 tnnnnnattttntnndb量 18 15.1实例简介 …181 15.2硬件系统 182 ]5.3仟务分枥…… …183 15.3.1实例任务划分 ………………………………………183 15.3.2实例任务设计……… 184 15.4程序设计详解… 垂“ ………………………18 15.4.1键盘任务 186 15,4.2显示任务………… ··.:..··+···::··:.:.·:.:::·· ……∴…193 15.4.3使用延时函数的采样任务 198 15.4.4使用快速中断的釆样任务………………………………………………200 15.4.5使用时钟节拍钩子函数采样任务… ………………………201 15.4.6使用定时中断的釆样任务… 音■曾曾,雪1■1曾曹千管■1·音曾曹晋會音PP 203 L5.4.7串行目发送任务 ……∴:205 参考文戴 207 第章绪论在信息技术高度发达的今天,计算机进人了一个充满机遇和挑战的时代一后PC时代臃着工业界对智能控制要求的不断提高,形式多样的数字化智能产品应运生,并且成为替代通用PC机进行信息处理的主要部件。在这些部件中都嵌人了微处理器,也就成为所谓献人式系统。嵌入式系统已经融入到人们的生活之中,而且无处不在,远远超过了通用PC机的应用领域。嵌入式系统带来的工业年广值已超过一万亿美元,在IT产业中占有很大的比重。嵌入式系统是一个包括硬件和软件的完整的计算机系统。根据实际应用的需要,设计者可以选择和剪裁所用的计算机系统的硬件和软件。在一些简单的应用中,可以选择相对简单的微处理器,不使用操作系统,所有软件由设计者自已完成;但是在一些复杂的系统中,所选的微处理器比较复杂对时间的要求也较为苛刻,在这种情况下,为了更好地管理微处理器,设计者可以选择实时操作系统。操作系统可以屏敲微处理器的底层硬件、使系统设计者可以在不太了解硬件的情况下,用操作系统提供的接[函数来编写自己的应用程序;这样可以缩短开发的周期,更方便地使用微处理器,以提高微处理器的通用件。例如,我们的个人计算机在进行文件复制时,我们并不知道磁盘具体是怎么工作的,但我们能完成所想要的数据移动。当然, 这种通用性是以牺牲微处理器硬件的特异性为代价的。使用操作系统,我们就不能直接对硬件进行控制,这样势必使硬件的性能受到限制。木章主要介绍嵌入式系统的发展历史、嵌人式实时操作系统的特点和基f嵌人式实时操作系统的程序设计技术等内容。 .1嵌入式系统的发展历史在介绍嵌入式系统的发展历史以前,先介绍一下什么是嵌入式系统。尽管嵌入式系统的定义在计算机领域不尽相同,但大家普遍能够认可的定义是:“嵌人式系统是以应用为中心, 以计算机技术为基础,并且软硬件河剪裁适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。”嵌入式系统所用的计算机是嵌入到被控对象中的专用微处理器,这与通用计·算杋不同,它必须适合被嵌入对象的工作环境,如以上提到的:休积、功耗、成夲和稳定性等参数;嵌入式系统可以根据实际需要剪裁所用的软硬件。接下来分别从硬件和第1章绪论软件两个方面说明嵌入式系统的发展过程嵌入式系统在硬件方面的发展过程指的是:嵌入式系统中内部计算机的发展过程。内部计算机也就是指专用计算机这种专用计算机在嵌入系统中应用的历史几平与计算机自身的历史一样长。在通信领域,20世纪60年代晚期,讦算机被用于电子电话交换机,称为“存储程序控制”系统,“计算机”这词那时并不普遍。有储程序指内存装有程序和例程信息存储掉制 !逻料,而不是将其固化在硬件中,这在当时确实是突破性的。有了存偕程序和执行程序的能力杋器就有了灵魂、就从普通的模拟、数字电路分离开来,有了“智力”。 197Ⅰ年, Intel公司推出了微处理器4004,这是人类历史上的第一颗集成在芯片上的计算 !机,对于讣算机的发展具有划时代的意义。至此,以微处理器为核心的徽型计算机以其体积小,价格低,可靠性高等特点,迅速走出机房。基于高速数值计算能力的微型计算机表现出的智能化水平,引起了控制专业人士的兴趣, 他们要求将微型机嵌人到一个对象体系中实现对象体系的智能化控制从而导致了嵌入式计算机系统的诞生。从此,计算机进入了通用计算机系统与嵌人式计算机系统两大分支并行发卡|展时代。通用计算机不必兼顾嵌入式系统的要求集中精力发展通用的硬件和软件,主要用于提升计算机对海量数据的处理能力。通用微处理器从286、386、186到奔腾机,一些商业操作系统已经把通用计算机的性能发展到了尽善尽美的程度。在通用计算机上进行开发的工程师不需要非常了解计算机的硬件结构和工作原理,他们通过操作系统提供的接口函数即可完成开发设计。而嵌入式计算机系统走的是一条完全不同的道路,是单芯片计算机发展道路。最早从專嵌入式开发的人是一些电子工程师,他们成功地把专用计算机芯片作为通用部件嵌入到传统电子产品中,从而使得这些产品具有了智能。所用的专用微处理器也经历了从4位机、 8位机、16位机、32位机的发展过程嵌入式系统在软件方面的发展过程主要有如下几个阶段:在早期应用阶段,嵌人式系统都是由设计者直接设计外围电路和编写应用程序,这要求设计者有高超的电路设计技术和编程技巧;随着嵌入式微处理器的不断发展和性能的完善结构复杂的微处理器已经不能不使用操作系统来管理了。因此,些适用于嵌人式系统的实时操作系统就应运而生商品化操作系统在上世纪7年代后期才出现,许多是用汇编语言写成的,并其只能用于特定的徵处理器,当微处理器被淘汰时,它的操作系统除非被新微处理器重写;否则就要被淘汰。此时,迫切需要一种在多种徵处理器上通用的语言,这种语言既要有高级语言的能力,又能够处理底层数据,甚至能够嵌入汇编程序。C语言正是这种语言。它的诞生伴随着UNIX 系统的发展过程,是一个为了写操作系统而产生的语言。其代码的效率和可移植性都无可挑剔功能强大,深不可测。用￠语言编写的操作系统的效率、稳定性、可移植性都提髙了很多, 尤其是它的可移植性,为微处理器被淘汰时保护软件投资带束了一线生机。用C语言写成的操作系统今天越来越普遍,软件也就变得可重复使用。一般说来,可重复使用的软件已经占主导地位,而且越做越好。很多商品化的操作系统是在20世纪80年代第1章绪论郾出现的,发展到今天,在设计嵌人式系统时设计者有很多商业化的实时操作系统可以选择,如 VxWorks, PS()S、 Neculeus OSE、eCos和 Windows ce等;还有一些免费的实时操作系统,如嵌入式L.inux和/(S-Ⅱl等。嵌入式系统的发展日新月异,据专家预计,驰着嵌入式产品竞争的进一步加剧,产品更新式周期将越来越短。残酷的竞争对产品的更新时间要求十分苛刻,且要求技术十分前沿。为了实满足要求商家就将一块块复杂的P核堆积起米实现复杂的功能。眼下最好的例子就是手机越是高档的手机,其内部SoC( Sestem on Che)所具有的技术含量越高。在如此复杂的系作统中,操作系统是必不可少的;否则,软件将变得不可思议的复杂嵌入式系統结合了微处理器或微控制器的系统电路与其专属的软件,可使产品达到最高等的性价比 1.2嵌入式实时操作系统的特点操作系统是计算机中最重要的软件,它有很多基本的功能,如:为应用敦什提供舞台;为计十算机硬件和程序开发提供软件接口;最贴近硬件的软件实现。从程序员的角度看,操作系统可以简化编程环境,并且帮助程序员有效地使用硬件。操作系统直接作用在硬件之上,它为那些需要使用系统资源的其他软件提供接口。这就意味着操作系统可以应用于很多领域,允许3 不同的应用程序通过使用它提供的资源管理策略来共享硬件资源。资源抽象和资源共享是操作系统的两个关键方面。资源抽象对设计者隐藏了硬件操作的细节,通过提供一些抽象模型使应用程序员在不十分了解硬件的情况下使用计算机硬件资源。资源抽象不仅简化了设计者对硬件资源的控制使用也限制了对硬件使用的灵活性,通用性的实现是靠牺牲特异性作为代价的。资源共亨有两种方法:空分复用和时分复用。操作系统的设计是建立在儿种不同的基木策略之上,以提供不同种类的服务,如批处理、分时系统、个人计算、专用计算、网络计算、过程控制和实时计算等。本章描述的内容就是过程控制和实时计算的策略。过程控制专用于单个应用程序,设计者叮以决定将资源管理交给应用程序来实现,这就是所谓的基于裸机编程。实时计算基于…灬种思想,即用户要求系统在规定的时间内对多个请求做出应答,并完成预定 1作实时操作系统的特点如下 (1)执行时间的可确定性是实时操作系统的基本特性。使用实时操作系统的目的,就是要提高计算机的执行效率。根据实时性的不同,还可以将其分为软实时性系统和硬实时性系统。前者要求计算机在尽可能短的时间内实现用户的请求;后者则要求用户的任务必须在限定的时间內完成,一口时序和逻辑出现偏差将产生灾难性的后果。所有的实时系统都有自己的实时参数,这是实时操作系统的一个重要的性能指标。组成一个系统的各个任务对于实时性的要求是不相同的,每个任务之间可能还会有一些复杂的关联和同步关系,这为保诳系统的

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