目錄

3、任務(wù)管理

（1）嵌入式操作系統(tǒng)的任務(wù)管理可以分為

（2）進(jìn)程

（3）線程

（4）任務(wù)

（5）任務(wù)的創(chuàng)建與中止

（6）任務(wù)的狀態(tài)任務(wù)有三中基本狀態(tài)：

（7）任務(wù)控制塊 TCB

（8）任務(wù)的切換

（9）任務(wù)的調(diào)度

（10）實(shí)時(shí)系統(tǒng)調(diào)度

（11）任務(wù)互斥

（12）信號(hào)量

（13）任務(wù)同步

（14）死鎖

（15）信號(hào)

（16）任務(wù)間通信

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師考試筆記之操作系統(tǒng)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)筆記一：

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師考試筆記之操作系統(tǒng)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)筆記一-CSDN博客

3、任務(wù)管理

（1）嵌入式操作系統(tǒng)的任務(wù)管理可以分為

A、單道程序技術(shù)：操作系統(tǒng)中，任何時(shí)候只能有一個(gè)程序在運(yùn)行。

B、多道程序技術(shù)：操作系統(tǒng)中，允許多個(gè)程序同時(shí)存在并運(yùn)行。

（2）進(jìn)程

進(jìn)程，簡單的說，是一個(gè)正在運(yùn)行的程序。

進(jìn)程與程序既有聯(lián)系又有區(qū)別，主要表現(xiàn)為下面結(jié)構(gòu)方面：

A、程序由數(shù)據(jù)和代碼兩部分內(nèi)容組成，它是一個(gè)靜態(tài)的概念。而進(jìn)程是正在執(zhí)行的程序，它也兩部分組成：程序和該程序的運(yùn)行上下文。它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念。

B、程序和進(jìn)程之間并不是一一對(duì)應(yīng)的。一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行的時(shí)候可以啟動(dòng)一個(gè)或多個(gè)程序。反之同一個(gè)程序也可能由多進(jìn)程同時(shí)執(zhí)行。

C、程序可以作為一種軟件資源長期保存，以文件的形式存放在光盤或硬盤上，而進(jìn)程則是一次行的過程，它是暫時(shí)的，是動(dòng)態(tài)的產(chǎn)生和終止。

一個(gè)進(jìn)程至少應(yīng)包括三個(gè)方面：相應(yīng)的程序、CPU 上下文、一組系統(tǒng)資源。

進(jìn)程有三個(gè)特性：

A、 動(dòng)態(tài)性：進(jìn)程是正在運(yùn)行的程序，而程序的運(yùn)行狀態(tài)是不斷變化的。

B、 獨(dú)立性：進(jìn)程是系統(tǒng)資源的使用單位，每個(gè)進(jìn)行有自己的運(yùn)行上下文和內(nèi)部狀態(tài)。

C、 并發(fā)性：宏觀來看，系統(tǒng)中同時(shí)有多個(gè)進(jìn)程存在，它們相互獨(dú)立地運(yùn)行。

注：對(duì)于并發(fā)的理解。

????????在單 CPU的情況下，所謂的并發(fā)性指的是宏觀上的并發(fā)運(yùn)行，而微觀上還是順序進(jìn)行，各個(gè)進(jìn)程輪流去使用CPU 資源。在單核CPU中，真正的、物理上的PC寄存器只有一個(gè)，進(jìn)程在輪流執(zhí)行的時(shí)候，物理PC的取值也在不斷變化。而邏輯PC其實(shí)就是一個(gè)內(nèi)存變量。每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)邏輯PC，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程要運(yùn)行的時(shí)候，就把它的邏輯PC裝載到物理 PC中去；反之，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程暫不運(yùn)行的時(shí)候，就把物理PC中的值保存在它的邏輯PC當(dāng)中。

（3）線程

線程就是進(jìn)程當(dāng)中的一條執(zhí)行流程。

進(jìn)程其實(shí)包含兩個(gè)部分：資源平臺(tái)和執(zhí)行流程（線程）。

????????在一個(gè)進(jìn)程當(dāng)中，或者說在一個(gè)資源平臺(tái)上，可以同時(shí)存在多個(gè)線程；可以用線程作為 CPU的基本調(diào)度單位，使得各個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行；對(duì)于同一個(gè)進(jìn)程當(dāng)中的各個(gè)線程來說，他們可以共享該進(jìn)程的大部分資源。每個(gè)線程都有自己獨(dú)立的 CPU 運(yùn)行上下文和棧，這是不能共享的。

（4）任務(wù)

在嵌入式系統(tǒng)中，任務(wù)其實(shí)就是線程，它是能夠獨(dú)立運(yùn)行的一個(gè)實(shí)體。原因有二：

A、 任務(wù)具有獨(dú)立的優(yōu)先級(jí)和?？臻g，CPU上下文一般存放在?？臻g中。

B、 任務(wù)之間可以很方便地、直接地使用共享的內(nèi)存單元，而不需要經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)核。

在多道程序的嵌入式系統(tǒng)中，同時(shí)存在著多個(gè)任務(wù)，這些任務(wù)之間的結(jié)構(gòu)一般為層狀結(jié)構(gòu)，存在著父 子關(guān)系。當(dāng)嵌入式內(nèi)核剛剛啟動(dòng)的時(shí)候，只有一個(gè)任務(wù)存在，然后由該任務(wù)派生出所有其他任務(wù)。

（5）任務(wù)的創(chuàng)建與中止

任務(wù)的創(chuàng)建主要發(fā)生在以下三種情形：

A、 系統(tǒng)初始化。

B、 任務(wù)運(yùn)行的過程中。

C、 用戶提出請(qǐng)求。

????????從技術(shù)的角度來說，實(shí)際上新任務(wù)只有一種創(chuàng)建的方法，也就是在一個(gè)已經(jīng)存在的任務(wù)中，通過調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)函數(shù)來創(chuàng)建一個(gè)新的任務(wù)。

????????任務(wù)的創(chuàng)建只要有兩種可能的實(shí)現(xiàn)模型：fork/exec和 spawn。兩種模型的差別主要在于內(nèi)存的分配方式。

A、fork/exec模型下，首先調(diào)用fork函數(shù)為新任務(wù)創(chuàng)建一份與父任務(wù)完全相同的內(nèi)存空間，然后再調(diào)用exec函數(shù)裝入新任務(wù)的代碼，并用它來覆蓋原有的屬于父任務(wù)的內(nèi)容。嵌入式Linux操作系統(tǒng)是基于fork/exec模型的。

B、spawn模式下，在創(chuàng)建新任務(wù)的時(shí)候，直接為它分配一個(gè)全新的地址空間，然后將新任務(wù)的代碼裝入并運(yùn)行。uCOS操作系統(tǒng)是基于 spawn模型的。

任務(wù)的中止可能有多種原因，主要有下面三種情況：

A、 正常退出。

B、 錯(cuò)誤推出。

C、 被其他任務(wù)踢出。

????????在有些嵌入式系統(tǒng)中，尤其是一些控制系統(tǒng)中，它的某些任務(wù)被設(shè)計(jì)為“死循環(huán)”的模式，一直循環(huán)下去，不會(huì)中止。

（6）任務(wù)的狀態(tài)任務(wù)有三中基本狀態(tài)：

A、 運(yùn)行狀態(tài)：任務(wù)占有 CPU，并在CPU上運(yùn)行。

B、 就緒狀態(tài)：任務(wù)已經(jīng)具備運(yùn)行的條件，在等待 CPU空閑。

C、 阻塞狀態(tài)：任務(wù)因?yàn)檎诘却撤N事件的發(fā)生而暫時(shí)不能運(yùn)行。

????????對(duì)于就緒狀態(tài)和阻塞狀態(tài)，它們的相同之處在于，任務(wù)都是處于暫停狀態(tài)，沒有運(yùn)行。不同之處在于，暫停的原因是不一樣的，導(dǎo)致就緒狀態(tài)的原因是外因，是操作系統(tǒng)的CPU正忙，而導(dǎo)致阻塞狀態(tài)的原因是內(nèi)因，是任務(wù)自身的問題。

任務(wù)狀態(tài)的四種轉(zhuǎn)換關(guān)系：

A、 運(yùn)行à阻塞：任務(wù)由于等待某個(gè)時(shí)間被阻塞起來。

B、 運(yùn)行à就緒：調(diào)度器由于某種原因（例如優(yōu)先級(jí)）選擇了另一個(gè)任務(wù)去運(yùn)行。

C、 就緒à運(yùn)行：CPU空閑了，處于就緒狀態(tài)的任務(wù)被調(diào)度器選中去運(yùn)行。

D、阻塞à就緒：任務(wù)的等待事件完成，具備了繼續(xù)運(yùn)行的條件。

（7）任務(wù)控制塊 TCB

????????任務(wù)控制塊 TCB，就是在操作系統(tǒng)中，用來描述和管理一個(gè)任務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)為每一個(gè)任務(wù)都維護(hù)了一個(gè)相應(yīng)的TCB，用來保存該任務(wù)的各種相關(guān)信息。它的主要內(nèi)容包括下面幾項(xiàng)：

A、 任務(wù)的管理信息：任務(wù)的標(biāo)識(shí) ID、狀態(tài)、優(yōu)先級(jí)、調(diào)度信息、各種隊(duì)列指針等。

B、 CPU 上下文信息：CPU各種寄存器當(dāng)前的值以及邏輯寄存器。

C、 資源管理的信息：段表地址、頁表地址、根目錄、文件描述字等。

????????當(dāng)需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)任務(wù)的時(shí)候，就為它生成一個(gè) TCB，并初始化這個(gè) TCB的內(nèi)容；當(dāng)需要中止一個(gè)任務(wù)的時(shí)候，只要回收它的TCB就可以了。

（8）任務(wù)的切換

基本思想：把當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)行上下文保存起來，并恢復(fù)新任務(wù)的上下文。

任務(wù)切換通常有下面的基本步驟：

A、 將處理器的運(yùn)行上下文保存在當(dāng)前任務(wù)的 TCB中。

B、 更新當(dāng)前任務(wù)的狀態(tài)，從運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)或阻塞狀態(tài)。

C、 按照一定的策略，從所有處于就緒狀態(tài)的任務(wù)中選擇一個(gè)去運(yùn)行。

D、修改新任務(wù)的狀態(tài)，從就緒狀態(tài)變成運(yùn)行狀態(tài)。

E、 根據(jù)新任務(wù)的 TCB的內(nèi)容，恢復(fù)它的運(yùn)行上下文環(huán)境。

????????在一個(gè)多任務(wù)的操作系統(tǒng)中，采用任務(wù)隊(duì)列的方式來組織它的所有任務(wù)。由操作系統(tǒng)來維護(hù)一組隊(duì)列，用來表示系統(tǒng)當(dāng)中所有任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)，不同的狀態(tài)用不同的隊(duì)列來標(biāo)志。

（9）任務(wù)的調(diào)度

調(diào)度器可以看作CPU 的資源管理者。

任務(wù)調(diào)度的首要問題是：何時(shí)進(jìn)行調(diào)度，即調(diào)度發(fā)生的時(shí)機(jī)。一般有下面幾種情形：

A、 一個(gè)新任務(wù)被創(chuàng)建時(shí)，需要決定運(yùn)行新任務(wù)還是繼續(xù)執(zhí)行父任務(wù)。

B、 一個(gè)任務(wù)運(yùn)行結(jié)束時(shí)，需要從就緒隊(duì)列中選擇某個(gè)任務(wù)去運(yùn)行。

C、 一個(gè)任務(wù)運(yùn)行阻塞時(shí)，需要選擇另一個(gè)任務(wù)去運(yùn)行。

D、一個(gè)I/O操作完成，任務(wù)阻塞結(jié)束，立即執(zhí)行新就緒任務(wù)還是繼續(xù)執(zhí)行被中斷任務(wù)。

E、 一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍結(jié)束時(shí)，需要對(duì)就緒任務(wù)重新調(diào)度。

任務(wù)調(diào)度的第二個(gè)問題是：如何調(diào)度，即調(diào)度方式。主要有兩種方式：

A、 不可搶占調(diào)度方式：例如時(shí)間片輪轉(zhuǎn)。

B、 可搶占調(diào)度方式：例如優(yōu)先級(jí)調(diào)度。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)大都采用可搶占調(diào)度方式。

任務(wù)調(diào)度的第三個(gè)問題是：調(diào)度算法。

A、 先來先服務(wù)算法：按照任務(wù)到達(dá)的先后次序進(jìn)行調(diào)度，是不可搶占的調(diào)度方式。

B、 短作業(yè)優(yōu)先算法：各個(gè)任務(wù)開始執(zhí)行之前，事先預(yù)計(jì)好它的執(zhí)行時(shí)間，從中選擇用時(shí)較短的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。

C、 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法：所有的就緒任務(wù)按照先來先服務(wù)的原則排成一個(gè)隊(duì)列。在每次調(diào)度的時(shí)候，把處理器分派給隊(duì)列當(dāng)中的第一個(gè)任務(wù)，讓它去執(zhí)行一小段時(shí)間。在這個(gè)時(shí)間段里任務(wù)被阻塞或由于其他原因暫停，或者任務(wù)的時(shí)間片用完了，它會(huì)被送到就緒隊(duì)列的末尾，然后調(diào)度器再執(zhí)行當(dāng)前隊(duì)列的第一個(gè)任務(wù)。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是各個(gè)就緒任務(wù)都平均地分配使用CPU的時(shí)間，每個(gè)就緒任務(wù)都能一直保持著活動(dòng)性。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法有一個(gè)默認(rèn)前提，即位于就緒隊(duì)列中的各個(gè)任務(wù)是同等重要的。

D、優(yōu)先級(jí)算法：給每個(gè)任務(wù)都設(shè)置一個(gè)優(yōu)先級(jí)。然后在任務(wù)調(diào)度的時(shí)候，在所有處于就緒狀態(tài)的任務(wù)中選擇優(yōu)先級(jí)最高的那個(gè)任務(wù)去運(yùn)行。采用優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法的一個(gè)問題是可能會(huì)發(fā)生優(yōu)先 級(jí)反轉(zhuǎn)（教程P285），出現(xiàn)任務(wù)“饑餓”現(xiàn)象。

（10）實(shí)時(shí)系統(tǒng)調(diào)度

對(duì)于RTOS調(diào)度器來說，任務(wù)之間的公平性并不是最重要的，它追求的是實(shí)時(shí)性。

A、單調(diào)速率調(diào)度算法（RMS）：任務(wù)的優(yōu)先級(jí)與它的周期表現(xiàn)為單調(diào)函數(shù)的關(guān)系，任務(wù)的周期越短，優(yōu)先級(jí)越高，任務(wù)的周期越長，優(yōu)先級(jí)越低。RMS假定任務(wù)是相同獨(dú)立的、周期性的、任務(wù)在能夠在任何位置被搶占，而實(shí)際中的系統(tǒng)，任務(wù)之間需要進(jìn)行通信和同步，這是一種理想的調(diào)度方法，實(shí)際中并不一定存在。

B、最早期限優(yōu)先法（EDF）：根據(jù)任務(wù)的截止時(shí)間來確定其優(yōu)先級(jí)，對(duì)于時(shí)間限期最近的任務(wù)，分配最高的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)有一個(gè)新的任務(wù)處于就緒狀態(tài)時(shí)，各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)就有可能要進(jìn)行調(diào)整，選擇截止時(shí)間最近的任務(wù)去運(yùn)行。

（11）任務(wù)互斥

A、任務(wù)之間的關(guān)系：相互獨(dú)立、任務(wù)互斥、任務(wù)同步、任務(wù)通信。

B、任務(wù)間的互斥：當(dāng)前已經(jīng)有一個(gè)任務(wù)正在訪問臨界區(qū)共享數(shù)據(jù)，那么其他任務(wù)暫時(shí)不能訪問。

C、提出互斥訪問的四個(gè)條件：

a、在任何時(shí)候最多只能有一個(gè)任務(wù)位于它的臨界區(qū)中。

b、不能事先假定 CPU的個(gè)數(shù)和系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

c、沒有任務(wù)位于它的臨界區(qū)中，它不妨礙其他任務(wù)去訪問臨界區(qū)資源。

d、任何一個(gè)任務(wù)進(jìn)入臨界區(qū)的請(qǐng)求必須在有限的時(shí)間內(nèi)得到滿足，不能無限期。

D、任務(wù)互斥的解決方案：

a、關(guān)閉中斷法

b、繁忙等待法

c、信號(hào)量處理

（12）信號(hào)量

信號(hào)量記錄當(dāng)前可用資源的數(shù)量。

信號(hào)量由操作系統(tǒng)維護(hù)，任務(wù)不能直接去修改它的值，只能通過初始化和兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)原語（PV原語）來對(duì)它進(jìn)行訪問。

注：關(guān)于原語。

????????原語通常由若干條語句組成，用來實(shí)現(xiàn)某個(gè)特點(diǎn)的操作，并通過一段不可分割或不可中斷的程序來實(shí)現(xiàn)其功能。原語時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核的一個(gè)組成部分，必須在內(nèi)核態(tài)下執(zhí)行。原語的不可中斷性是通過在其執(zhí)行過程中關(guān)閉中斷來實(shí)現(xiàn)的。關(guān)鍵要理解PV 原語的實(shí)現(xiàn)：

P(semaphores S)
{
    --S.count; //申請(qǐng)一個(gè)資源
    if(S.count < 0) //沒有空閑資源
    {
        將當(dāng)前任務(wù)阻塞起來，加到阻塞隊(duì)列末尾，調(diào)度新的任務(wù)運(yùn)行。
    }
}
V(semaphores S)
{
    ++S.count; //釋放一個(gè)資源
    if(S.count <= 0) //有任務(wù)被阻塞
    {
        從阻塞隊(duì)列中取出一個(gè)任務(wù)，把該任務(wù)改為就緒狀態(tài)，插入就緒隊(duì)列。
    }
}

利用操作系統(tǒng)提供的信號(hào)量機(jī)制，可以方便、有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界資源的互斥訪問，優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)：

A、 可以設(shè)置信號(hào)量的計(jì)數(shù)值，從而允許多個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)。

B、 當(dāng)一個(gè)任務(wù)暫時(shí)無法進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)，它會(huì)被阻塞起來，將 CPU讓給其他任務(wù)。

（13）任務(wù)同步

????????任務(wù)之間的同步可以使用信號(hào)量機(jī)制，通過引入PV操作來設(shè)定兩個(gè)任務(wù)在運(yùn)行時(shí)的先后順序。例如，可以把信號(hào)量視為某個(gè)共享資源的當(dāng)前個(gè)數(shù)，然后由一個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)生成這種資源，而另一個(gè)任務(wù)則負(fù)責(zé)消費(fèi)這種資源，這樣可以構(gòu)成兩個(gè)任務(wù)之間的先后順序。在具體實(shí)現(xiàn)上，一般把信號(hào)量的初始值設(shè)為 N，N大于或等于0。然后在一個(gè)任務(wù)內(nèi)使用 V原語，把信號(hào)量加 1，而在另外一個(gè)任務(wù)內(nèi)部使用P原語，將信號(hào)量減 1，從而實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)任務(wù)之間的同步關(guān)系。

（14）死鎖

????????在一組任務(wù)中，每個(gè)任務(wù)都占用著若干資源，同時(shí)又在等待其他任務(wù)占用的資源，從而造成所有任務(wù)都無法進(jìn)展下去的現(xiàn)象，這稱為死鎖現(xiàn)象。

除了資源的競爭之外，PV 操作使用不當(dāng)也會(huì)引起死鎖。

（15）信號(hào)

所謂信號(hào)，是系統(tǒng)給任務(wù)的一個(gè)指示，表明某個(gè)異步事件已經(jīng)發(fā)生了。

該事件可能來自外部，也可能來自內(nèi)部。

信號(hào)機(jī)制也可以稱為軟中斷機(jī)制。

信號(hào)機(jī)制與中斷處理機(jī)制非常相似，相同點(diǎn)：

A、 都具有中斷性。

B、 都有相應(yīng)的服務(wù)程序。

C、 都可以屏蔽響應(yīng)。

不同點(diǎn)：

A、 中斷由硬件或特定指令產(chǎn)生，而信號(hào)由系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生。

B、 中斷觸發(fā)后，硬件會(huì)根據(jù)中斷向量找到相應(yīng)的處理程序執(zhí)行；而信號(hào)則通過發(fā)送信號(hào)的系統(tǒng)調(diào)用來觸發(fā)，系統(tǒng)不一定馬上對(duì)它進(jìn)行處理。

C、 中斷處理程序在系統(tǒng)內(nèi)核的上下文中運(yùn)行，是全局的；而信號(hào)處理程序在相關(guān)任務(wù)的上下文中運(yùn)行，是任務(wù)的一個(gè)組成部分。

（16）任務(wù)間通信

任務(wù)之間的通信可以分為兩種類型：

A、 低級(jí)通信：只能傳遞狀態(tài)和整數(shù)值等控制信息，例如信號(hào)量機(jī)制。

B、 高級(jí)通信：能夠傳輸任意數(shù)量的數(shù)據(jù)，只要有三類：共享內(nèi)存、消息傳遞和管道。

任務(wù)之間的通信方式有兩種：

A、 直接通信：通信雙方必須明確知道與之通信的對(duì)象。例如PV 原語。

B、 間接通信：通信雙方不需指出消息的來源和去向，通過共享郵箱發(fā)送和接收消息。

郵箱只能存放單條消息，它提供一種低開銷的消息傳遞機(jī)制，只有空和滿兩種狀態(tài)。消息隊(duì)列與郵箱類似，但是可以同時(shí)存放若干條消息，提供了一種任務(wù)間緩沖通信的方法。

管道由UNIX首創(chuàng)，以文件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，連接兩個(gè)任務(wù)之間的一個(gè)打開的共享文件，專用于任務(wù)直接的數(shù)據(jù)通信。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-719531.html

到了這里，關(guān)于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師考試筆記之操作系統(tǒng)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)筆記二的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！