文档介绍：嵌入式系统原理与设计
第六讲嵌入式操作系统
本节提要
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操作系统概念和结构
嵌入式操作系统及特点
任务同步与通信通信
操作系统有效的组织和管理计算机系统的各种软件、硬件资源,合理的组织计算机系统的工作流程,控制程序的执行,并向用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。
(1)操作系统是计算机系统的资源管理者
(2)改善人机界面,为用户提供友好的工作环境
对计算机系统而言,操作系统是对所有系统资源进行管理的程序集合,对用户而言,操作系统提供了对系统资源进行有效利用的简单抽象方法。
2. 操作系统的结构
驱动程序
内核
接口库
外围
图6-1 操作系统结构
操作系统主要功能
操作系统的五大管理功能:进程管理、文件管理、存储管理、设备管理和作业管理。
操作系统对进程的管理包含如下几个方面:
(1)进程控制
创建任务、撤销任务以及控制任务在运行过程中的状态转换。
(2)任务调度
从任务就绪队列中,按照一定的算法选择一个任务,使其得到CPU控制权,开始运行。在任务完成后,放弃CPU。
(3)任务同步
设置任务同步机制,协调各任务的运行。
(4)任务通信
提供任务间通信的各种机制。
2 存储器管理
存储器管理的主要任务是为多任务的运行提供高效稳定的运行环境。一般包含:
(1)地址重定位在多任务环境下,每个任务动态创建,任务的逻辑地址必须转换为主存的物理地址。
(2)内存分配为每个任务分配内存空间,使用完毕后收回分配的内存。
(3)内存保护保证每个任务都在自己的内存空间内运行,各程序互不侵犯,尤其是保护操作系统占用的内存空间。
(4)存储器扩展通过建立虚拟存储系统来对主存容量进行逻辑扩展。虚拟存储器允许程序以逻辑方式寻址,而不用考虑物理内存的大小。当一个程序运行时,只有部分程序和数据保存在内存中,其余部分存储在介质上。
3 文件系统
文件系统对用户文件和系统文件进行管理,保证文件的安全性,实现信息的组织、管理、存取和保护。文件管理的主要任务是:
(1)目录管理:所有的目录项构成一个目录文件。目录管理为每个任务创建其目录项,并对其进行管理。
(2)文件读写管理:文件系统根据用户的需要,按照文件名查找文件目录,确定文件的存储位置,然后利用文件指针进行读写操作。
(3)文件存取控制:为了防止文件被非法窃取或者破坏,文件系统中需要建立文件访问控制机制,保证数据的安全。
(4)存储空间管理:文件存储管理提高存储空间的利用率,优化文件操作的速度。
常见的文件系统有FAT16,FAT32,NTFS等。
4 设备管理
设备管理的主要目的是屏蔽设备硬件特性、提高设备的利用率。除CPU和内存外,计算机系统的其他硬件都属于外部设备。设备管理主要包括以下几个方面。
(1)缓冲管理
由于CPU与I/O设备的速度相差很大,通常设备管理需要建立I/O缓冲区,并对缓存区进行有效管理。
(2)设备分配
用户提出I/O设备请求后,设备管理程序对设备进行分配,使用完成后收回设备。
(3)设备驱动
设备驱动程序提供CPU与设备控制器间的通信。CPU向设备发出I/O请求,接收设备的中断请求,并能及时的响应。
5 作业管理
操作系统屏蔽了硬件操作的细节,用户通过操作系统提供的接口访问计算机的硬件资源。操作系统提供系统命令一级的接口,供用户用于组织和控制自己的作业运行
(1)命令接口分为联机命令接口和脱机命令接口。联机命令接口为联机用户提供,由一组命令和解释程序构成。脱机命令为批处理系统的用户提供。
(2)程序接口用户获得操作系统服务的唯一途径,由一组系统调用组成。在高级语言中如C语言,提供与系统调用一一对应的库函数,应用程序通过调用库函数来完成操作。
(3)图形接口图形接口提供对屏幕上的对象进行操作,完成程序控制和操作,方便用户对软硬件资源的使用GUI的主要构件是窗口、菜单和对话框。
操作系统的分类
分时操作系统将CPU的工作时间划为许多很短的时间片,轮流为各个终端的用户服务。分时系统具有以下儿个基本特征:
(1)多路性。一台主机可连接多台终端,多个终端用户可以同时使用计算机,共亨系统的硬软件资源。
(2)独立性。各个用户的操作互不干扰,每一个用户都认为整个计算机系统被他所独占,为他服务。
(3)交互性。用户能与系统进行对话。在一个多步骤作业的运行过程中,用户能通过键盘等设备输入数据或命令,系统获得用户的输入后作出响应,显示执行的状况或结果。
(4)及时性。系统一般能在一秒钟内接受和响应用户的输入命令或数据,在数秒内显示命令的执行结果。