第二章  RTOS设计概述

2.1 　实时多任务操作系统（RTOS）的设计思想

首先要讨论的是多任务多线程机制的程序设计思想。

一些嵌入式设备需要操作系统，例如掌上电脑、PDA、网络控制器等高性能的手持设备和移动设备。它们往往和无线通信、互联网访问和多媒体处理等复杂而强大的功能联系在一起；对CPU要求也很高，往往是以通用CPU为原型的各种高端嵌入式处理器。

作为一个完整的操作系统，RTOS有一个可靠性很高的实时内核，将CPU时间、中断、I/O、定时器等资源都包括起来，留给用户一个标准的应用程序接口（API）；根据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配CPU的时间，保证程序执行的实时性、可靠性。内核一般都能提供任务调度和中断服务等功能，部分高档商业化产品，如Windows XP Embedded，甚至支持32位地址空间、虚拟存储管理、多进程以及嵌入式操作系统中不多见的动态链接库（DLL）。对于这些RTOS来说，多任务实时处理不是件困难的事情。
     但更多的情况下，用户使用的是另一类CPU——微控制器，即单片机，往往是按照某一流程执行单一任务。出于成本和技术上的原因，这类软件开发多数还是基于处理器直接编写，没有选配实时多任务操作系统作为开发平台，也不需要将系统软件和应用软件分开处理。但是在实际应用中，有时也会面临同时处理多个并行任务的要求，这就需要安排一种运行机制，来模拟RTOS中的处理方法。

1 RTOS中的设计思路

单处理机多道程序系统具有如下特征：

①从宏观上看，几种程序“同时运行”。即它们先后开始了各自的运行，且均未结束。

②从微机上看，几道程序“交替执行”。对于单处理机系统而言，它们只能轮流地占用CPU。

其实质是指几道程序在处理机中“交替执行”。我们按照现在常用的方法，把一道程序和一个任务对应，把任务中的每个分开的、独立执行的部分称之为线程。

具体到RTOS来说，一方面，实时操作中的多任务引起的并发性和实时性，要求操作系统对资源分配具有更强的控制能力。通常的办法是采取设立前台与后台两个作业的分配办法。前台作业中包含实时采集、控制、处理有关的任务，任务优先级较高；后台作业一般是对数据进行分析、输出数据、响应操作员请求等任务，优先级较低。后台作业中与后台作业并非完全孤立的；后台作业所需数据由前台作业存储共享内存区内，作业之间通过共享存储区进行数据交换。另一方面，实时任务总是由某个事件发生或时间条件满足来激活。事件有两种：内部事件和外部事件。时间驱动也有两种：按绝对时间驱动和按相对时间驱动。内部事件驱动是指某一程序运行的结果导致另一任务的启动，这个结果可能是数据满足一定条件，也可能是释放了某一资源；而最典型的实时任务是由外部事件驱动的。在实时系统中，外部事件发生有时是不可预测的，由外部事件驱动的任务一般是需要立即执行的任务，它的优先级最高。绝对时间驱动是指在某指定时刻执行的任务，也就是在自然时钟的绝对时间执行。相对时间驱动是指周期性执行的任务，总是相对上一次执行时间计时，执行时间间隔一定。除了周期性任务外，还有一些同步任务也可能由相对时间驱动，如等待某种条件到来。等待时间是编程设定的。相对时间可用计算机内部时钟或软件计时。
   独立并行任务
    我们在实时设计当中，这两方面的问题都有所体现，所有的事件驱动和时间驱动都体现在设置相应的任务标识和线程标识。从后面的讨论中可以看出，当硬件环境一定时，依据这些标识，通过安排系统内中断响应方式和调整任务调度算法，可以有效解决多任务并行问题，因为系统的实时性主要取决于这两点。

前台控制流程
     线程可分属于前台和后台两类：前台主要是一些中断的处理，例如两路温度的实时监控、每100ms内的各通道循环检测一遍、采用中断方式的键盘干预等；后台主要是扫描方式下响应操作员的按键请求、数据处理、图形显示、打印报告等内容。

整个实现机制可以简单地概括如下：前台通过合理安排中断的响应和服务方式来对多个任务的实时线程进行处理；后台操作主要以循环方式扫描各个任务的线程标识，满足条件的线程被激活予以处理。

给出工作任务的前台和后台线程划分及流程，然后，给出一个中断退出后返回到任意地址的函数，它比C51自己的setjmp和longjmp全程跳转函数的使用要方便很多。实时任务中，中断服务结束后不是返回到断点地址执行原有程序，而是强制返回到某一地址执行新程序的情况非常普遍。我们采用设置环境变量的方法，使中断退出后可以任意返回到多个设置入口中的某一个去执行，有效地解决了前台和后台任务线程的灵活切换这一关键问题。

  1. RTOS是一个内核
    典型的单片机程序是在程序指针复位后，首先进行堆栈、中断、中断向量、定时器和串行口等接口设置和初始化，然后就来到了一个监测、等待或空循环，在这个循环中，CPU可以监视外设、响应中断或用户输入。
    这段主程序可以看作是一个内核，内核负责系统的初始化和开放、调度其它任务，相当于C语言中的主函数。
    RTOS就是这样的一个标准内核，包括了各种片上外设初始化和数据结构的格式化，不必、也不推荐用户再对硬件设备和资源进行直接操作，所有的硬件设置和资源访问都要通过RTOS核心。硬件这样屏蔽起来以后，用户不必清楚硬件系统的每一个细节就可以进行开发，这样就减少了开发前的学习量。
    一般来说，对硬件的直接访问越少，系统的可靠性越高。RTOS是一个经过测试的内核，与一般用户自行编写的主程序内核相比，更规范，效率和可靠性更高。通过RTOS对系统进行管理可能不如直接访问更直观、自由度大，但是通过RTOS管理能够排除人为疏忽因素，提高软件可靠性。
   另外，高效率地进行多任务支持是RTOS设计从始至终的一条主线，采用RTOS管理系统可以统一协调各个任务，优化CPU时间和系统资源的分配，使之不空闲、不拥塞。针对某种具体应用，精细推敲的应用程序不采用RTOS可能比采用RTOS能达到更高的效率；但是对于大多数一般用户和新手而言，采用RTOS是可以提高资源利用率的，尤其是在片上资源不断增长、产品可靠性和进入市场时间更重要的今天。
  2. RTOS是一个平台
     RTOS是建立在单片机硬件系统之上的，用户的一切开发工作都进行于其上，因此它可以称作是一个平台。采用RTOS的用户不必花大量时间学习硬件，和直接开发相比起点更高。
     RTOS还是一个标准化的平台，它定义了每个应用任务和内核的接口，也促进了应用程序的标准化。应用程序标准化后便于软件的存档、交流、修改和扩展，为嵌入式软件开发的工程化创造了条件、减少开发管理工作量。嵌入式软件标准化推广到社会后，可以促进软件开发的分工，减少重复劳动，近来出现的建立于RTOS上的文件和通信协议库函数产品等就是实例。
    RTOS对于开发单位和开发者个人来说也是一种提高。引入RTOS的开发单位，相当于引入了一套行业中广泛采用的嵌入式系统应用程序开发标准，使开发管理更简易、有效。基于RTOS和C语言的开发，具有良好的可继承性，在应用程序、处理器升级以及更换处理器类型时，现存的软件大部分可以不经修改地移植过来。对于开发人员来说，则相当于在程序设计中采用一种标准化的思维方式，提高知识创造的效率；同时因为具有类似的思路，可以更快地理解同行其它人员的创造成果。

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