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嵌入式系统开发技术工程师考试要点:实时系统

中华IT学院   【 】  [ 2017年6月22日 ]

  优先级继承足指拥有互斥量的任务被提升到与下一个在等待该互斥最的最高优先级任务相同的优先级;优先级置顶是指获得互斥量的任务将其优先级提升到一个事先规定好的值。表2为4种操作系统的同步与通信机制的比较。

  4种系统都具有灵话的任务间同步与通信机制,都可以通过信号量、消息队列来实现同步与通信,但是VxWorks与μClinux都不支持邮箱和事件标志,而且除了μClinux和eCos中的位图调度器,其他操作系统都采取了措施抑制优先级反转。

  2.3 内存管理

  内存管理主要包括:内存分配原则,存储保护和内存分配方式。

  2.3.1 内存分配原则

  内存分配原则包括快速性、可靠性和高效性。其中,快速性要求内存分配过程要尽可能快,所以一般采用简单、快速的分配算法;可靠性指的是内存分配的请求必须得到满足;系统强调高效性的要求,不仅仅是对系统成本的要求,而且由于系统本身可配置的内存容量也是很有限的,所以要尽可能地避免浪费。

  2.3.2 存储保护

  通常在操作系统的内存中既有系统程序也有用户程序,为了使两者都能正常运行,避免程序间相互干扰,需要对内存中的程序和数据进行保护。存储保护通常需要硬件支持,在很多系统中都采用MMU,并结合软件实现;但由于嵌入式系统的成本限制内核和用户程序通常都在相同的内存空间中。

  2.3.3 内存分配方式

  内存分配方式可分为静态分配和动态分配。静态分配是在程序运行前一次性分配给相应内存,并且在程序运行期间中不允许再申请或在内存中移动;动态分配则允许在程序运行整个过程中进行内存分配。静态分配使系统失去了灵活性,但对于实时性要求比较高的系统是必需的;而动态分配赋予了系统设计者更多自主性,可以灵活地调整系统的功能。

  VxWorks对内存的使用采用的是Flat Mode,可被静态或动态链接。VxWorks为用户提供了两种内存区域Region和Partition。Region是变长的内存区,用户可以从创建的Region中分配Segment,其特点是容易产生碎片,但灵活并且不浪费;Partition是定长的内存区,用户可以从刨建的Partition中分配Buffer,其特点是不会产生碎片,技率高但是易浪费。VxWorks采用最先算法分配内存。μC/OS-II把连续的大块内存按分区来管理,每个分区中都包含整数个大小相同的内存块,但不同分区之间内存的太小可以不同。用户动态分配内存时,只须选择一个适当的分区,按块来分配内存,释放时将该块放回到以前所属的分区,这样就消除了因多次动态分配和释放内存所引起的碎片问题。μClinux是针对没有MMU的处理器设计的,不能使用处理器的虚拟内存管理技术,只能采用实存储器管理策略。系统使用分页内存分配方式,在启动时对实际存储器进行分页。系统对内存的访问是直接的操作系统对内存空间没有保护,多个进程可共享一个运行空间,所以,即使是一个无特权进程调用一个无效指针也会触发一个地址错误,并有可能引起程序崩溃甚至系统崩溃。eCos对内存分配既不分段也不分页,而是采用一种基于内存池的动态内存分配机制。通过两种内存池类来实现两种内存管理方法:一种是变长的内存池;另一种是定长的内存池,类似于VxWorb的管理方案。表3为4种操作系统内存管理的比较。

  2.4 中断管理

  中断管理是实时系统中一个很重要的部分,系统经常通过中断与外部事件交互。主要考虑是否支持中断嵌套、中断处理机制、中断延时等。

  (1)VxWorks的中断管理

  VxWorks操作系统中断管理采用中断处理与普通任务分别在不同栈中处理的中断处理机制,使得中断只会引发一些关键寄存器的存储,而不会导致任务的上下文切换,从而极大地缩短了中断延时。同时,VxWorks的中断处理程序只能在最短时间内通告中断的发生,而将其他的非实时处理尽量放入被引发的中断服务程序中来完成,这也缩短了中断延时。但是凼为中断服务程序不在一个固定的仟务上下文中执行,而目没有任务控制块,所以所有中断服务程序使用相同的中断堆栈。为了能处理最坏情况下的中断嵌套,必须分配足够大的中断堆栈空间。

  (2)μC/OS-II的中断管理

  μC/OS-II中断处理比较简单。一个中断向量上只能挂一个中断服务子程序ISR,而且用户代码必须都在ISR中完成。ISR需要做的事情越多,中断延时也就越长。内核所能支持的最大嵌套深度为255。

  (3) μClinux的中断管理

  μClinux操作系统将中断处理分为两部分:顶半处理和底半处理。在顶半处理中,必须关中断运行,且仅进行必要的、非常少、速度快的处理,其他处理交给底半处理;底半处理执行那些复杂、耗时的处理,而且接受中断。因为系统中存在有许多中断的底半处理,所以会引起系统中断处理的延时。

  (4)eCos的中断管理

  eCos使用了分层式中断处理机制,把中断处理分为传统的ISR和滞后中断服务程序DSR。类似于μClinux的处理机制,这种机制可以在中断允许时运行DSR,因此在处理较低优先级中断时允许高优先级的中断和处理。为了极大地缩短中断延时,ISR应当可以快速运行。如果中断引起的服务量少,则ISR可以单独处理中断;如果中断服务复杂,则ISR只屏蔽中断源,然后交由DSR处理。

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