文档介绍：第一章绪论
1 课题研究背景
嵌入式电力自动化设备简介
嵌入式系统的应用遍及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域。它在电力系统中的应用也有着悠久的历史。它广泛地用于数据采集、自动装置、仪表检测、集散控制(DCS)等各个领域,其中较为典型的是数据采集与监控(SCADA)、微机保护、暂稳控制(自动装置)、能量计费等方面。
随着嵌入式技术在电力自动化设备中的应用发展,电力系统对嵌入式电力设备的要求不断提高,并且由于电力系统本身的特殊性,它需要这些嵌入式系统具备强的实时性、高可靠性、高扩展性、更强的网络通信能力及更友好强大的人机交互界面。它们不仅对硬件要求高,而且对嵌入式软件的要求也不断增加,从而引进了嵌入式实时操作系统,这些操作系统可裁减的微内核结构、高效的多任务优先级管理、强的可移植性和扩展性和微秒级的中断管理等都更加有利于控制效率的提高,并且更容易满足这些方面的需要[14]。
RTOS简介
RTOS基本概念
RTOS也就是Real Time Operation System,实时操作系统。实时操作系统是指系统能及时响应外部事件的请求,在规定时间内对该事件进行处理,并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。IEEE的实时Unix分委会认为,实时操作系统应具备以下几点要求[2]:
1)异步的事件相应;
2)切换时间和中断延迟时间确定;
3)优先级中断和调度;
4)抢占式调度;
5)内存锁定;
6)连续文件;
7)同步。
从实时系统的应用特点来看,实时操作系统可分为两种:一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统。一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统,并且提供了开发、调试、运用一致的环境;嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统,而且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的,嵌入式实时操作系统具有规模小、可固化使用、实时性强等特点。
由于很多嵌入式系统都有实时要求,在很多情况下RTOS所指的实时操作系统就是嵌入式实时操作系统,本文中的RTOS嵌入到电力设备当中,因此本文中所指操作系统具体来讲就是嵌入式实时操作系统。嵌入式实时操作系统具有确定性、响应性、用户控制、可靠性和软失败操作的特点。其中的确定性和响应性共同构成了对于外部时间的响应时间。
RTOS与一般操作系统的比较
通用操作系统是由分时操作系统发展而来,分时操作系统的基本设计原则是:尽量缩短系统的平均响应时间并提高系统的吞吐率,在单位时间内为尽可能多的用户请求提供服务。通用操作系统中采用的很多策略和技巧都体现出了这种设计原则,这种注重平均表现的原则体现了一般操作系统和实时操作系统的差别。
而对于实时操作系统除了要满足应用的功能需求以外,更重要的是还要满足应用提出的实时性要求。由此实时操作系统所遵循的最重要的设计原则是:采用各种算法和策略,始终保证系统行为的可预测性(predictability)。可预测性是指在系统运行的任何时刻,在任何情况下,实时操作系统的资源调配策略都能为争夺资源的多个实时任务合理地分配资源,使每个实时任务的实时性要求都能得到满足。与通用操作系统不同,实时操作系统注重的是个体表现,更准确地讲是个体最坏情况表现。
实时操作系统与通用操作系统基本设计原则的差别造成它们在很多资源调度策略的选择上以及操作系统实现的方法上两者都具有较大的差异,这些差异主要体现在以下几点:
1)任务调度策略;
2)内存管理;
3)中断处理;
4)共享资源的互斥访问;
5)系统调用以及系统内部操作的时间开销;
6)系统的可重入性;
7)辅助工具。
实际中对实时系统的需要造就了实时操作系统与普通操作系统的诸多不同点,而这些操作系统内部机制的不同最终仍是为应用服务。
RTOS的发展
实时操作系统的研究是从20世纪60年代开始的,早期的实时操作系统还不能称为真正的RTOS,它只是小而简单的、带有一定专用性的软件,功能较弱,可以认为是一种实时监控程序。应用程序、实时监控程序和硬件运行平台往往是紧密联系在一起的。这时期的开发工具也很简单,主要用于创建和调试软件,而软件差不多总是用汇编语言或宏语言来编写。
随着应用的发展,早期的“实时监控程序”越来越显示出明显的不足。为满足实时应用的需要,在20世纪70年代后期开始出现了一些专用实时操作系统,这些专用操作系统中许多都是用汇编语言实现的,并仅能用于为其编写的微处理器上。它是在早期用户为满足自身开发需要而研制的,一般只能适用于特定的硬件环境,且缺乏严格的评测,移植性也不太好。
商业RTOS是基于UNIX思想的实时多任务操作系统。它在20世纪80年代获得了蓬勃发展。20世