ITRON系统

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ITRON系统使用方法

目录

1
引言 4

2
ITRON系统介绍 5

2.1
概要 5

2.2
构成 5

2.2.1
ITRON系统构成 5

2.2.2
ITRON体系结构 5

2.3
应用领域 6

2.4
如何使用ITRON系统 6

3
ITRON的基本机能 8

3.1
Task管理机能 8

3.1.1
Task 8

3.1.2
任务调度 8

3.1.2.1
调度产生条件 9

3.1.2.2
调度方式 9

3.1.3
任务的状态管理 9

3.1.3.1
ITRON系统状态定义 9

3.1.3.2
任务状态迁移与系统调用 10

3.1.4
任务的应用 12

3.1.5
任务的设计 13

3.1.5.1
任务划分的原则 13

3.1.5.2
I/O 依赖性 13

3.1.5.3
时间关键性的功能 13

3.1.5.4
计算功能 14

3.1.5.5
时间内聚 14

3.1.5.6
周期执行功能 14

3.1.5.7
任务设计的误区 14

3.2
同步和通信管理 15

3.2.1
Event Flag 15

3.2.1.1
基本调用 16

3.2.1.2
Event Flag的应用 16

3.2.2
Semaphore 18

3.2.2.1
基本调用 19

3.2.2.2
Semaphore的应用 19

3.2.3
MailBox 20

3.2.3.1
基本调用 22

3.2.3.2
MailBox的应用 22

3.3
内存管理 24

3.3.1
概述 24

3.3.2
基本调用 25

3.3.3
内存池的创建 25

3.3.4
内存池的清除 26

3.3.5
内存申请 26

3.3.6
内存释放 26

3.4
中断处理 26

3.4.1
中断处理的管理 26

3.4.2
中断例程的登录 27

3.4.3
中断中的处理 27

3.5
时钟管理 28

3.5.1
周期唤醒 28

3.5.2
延迟唤醒 28

3.5.3
Time Out指定 29

4
初始化处理 29

4.1
硬件初始化 29

4.2
内核初始化 29

4.3
软件初始化 30

5
附录 31

5.1
思考题 31

5.2
参考资料: 31

 


1 引言

对于这样一个处处存在计算机的时代,计算机已经不再是像现在这样有显示器和键盘的样子,而是内只与各种各样的机器设备中,用户不会意识到是在使用计算机,而是在不知不觉中愉快的接受了计算机提供的各种服务。

为了实现处处存在计算机的设想,在TRON项目中研制了内置于形式各异的机器设备中的操作系统ITRONITRON与现在的大多数计算机中的操作系统的最大不同就是具有实时性。另外ITRON还有一个特点就是其标准的开放性,由于他的开发体系标准,任何人都可以自由的以ITRON为基准,创建操作系统。

课程目的:

本教材从应用的角度出发,比较详尽的解析ITRON系统的基本原理,并且理论结合实际,由浅入深,逐步引导大家,从而保证每位学员能够独立在基于ITRON系统内核上进行应用软件的设计和开发。

授课目标:

通过本课程的学习,能够让大家对ITRON系统有比较深入的了解,并能够独立开发基于ITRON系统的应用软件。

面向对象:

本教材主要面向有一定操作系统原理基础知识,并立志于基于ITRON体系开发的人。

教材构成:

1. ITRON系统概要

2. ITRON基本功能

ü 任务管理

ü 同步管理

ü 内存管理

ü 时钟管理

ü 中断管理

3. 初始化处理

4. 系统调用详细说明

 

 


ITRON系统介绍

2.1 概要

ITRON(Industrial the Real-Time Operation System  Nucleus,工业实时操作系统中心)提出的实时多任务系统规范。它具有标准的实时内核,适用于任何小规模的嵌入式系统,日本国内现有很多基于该内核的产品,其中消费电器较多,目前已成为日本事实上的工业标准。

ITRON和日本的精密机械工业相结合,使日本在数据系统、工业机器人、办公机器方面处于世界领先地位。

ITRON系统具有以下特点:

Ø 多任务支持

Ø 事件驱动基于优先级的调度

Ø 任务间的通信与同步

Ø 实时时钟控制

Ø 完全可抢占内核硬实时响应

2.2 构成

2.2.1 ITRON系统构成

ITRON系统主要由内核、接口库、辅助工具这三个基本子系统组成。

内核:ITRON的核心部分,和处理程序一起组装到目标系统中,进行实时、多任务控制。主要包括调度程序、Task管理、同步管理、初始化以及各种资源的管理等。

接口库:用外部函数的形式提供系统服务,实现将外部函数形式发行的系统调用转变为内核识别管理的形式的接口程序。图2.2-1 表明接口库在系统中的位置。

2.2.1-1 接口库的定位 

辅助工具:包括编译工具、Task Debuger等,为用户方便式用系统提供了可能。

2.2.2 ITRON体系结构

建立在ITRON 基础上的系统根据功能来分层,每一层都使用下一层提供的功能,系统

2.2.2-1ITRON系统体系结构

硬件构成了系统的最底层,紧接着一层包括了最简单的大多是硬件相关的操作系统,功能最上层是应用程序。

2.3 应用领域

随着信息终端的高性能化,在终端上搭栽操作系统的实例越来越多。根据TRON协会提供的资料,下面将列举出ITRON系统的主要应用领域。

Ø 娱乐/教育设备

Ø 通信设备

Ø AV设备

Ø 测量仪器

Ø 医疗设备、航空设备的数据收集以及数据计算系统等

Ø 家用电器

在上述应用领域中,ITRON规范的操作系统的使用率比较高,普遍超过40%,除去其中没有使用操作系统的设备,这些领域中的ITON的使用率将超过60%,因此ITON规范的操作系统还是得到了广泛的认可和应用的。

2.4 如何使用ITRON系统

ITRON规范中定义了一系列C语言接口库,应用系统可以利用这些接口库实现应用与操作系统的相连。下面是基于itron系统的软件构建过程:

2.4-1 基于Itron系统的软件构建过程

 


ITRON的基本机能

作为通常的实时操作系统,一般需要包含下面这些基本的管理功能:

Ø 中断管理

Ø 任务管理

1. 创建、撤消

2. 状态迁移

3. 调度

4. 同步(任务协调、资源的互斥访问、任务之间通信)

Ø 资源管理(内存、时间、端口、外设等)

ITRON系统也不例外的实现了这些功能,下面将针对这些机能进行详细讲解。

3.1 Task管理机能

3.1.1 Task

任务就是一个具有独立功能的无限循环的程序段的一次运行活动。任务具有动态性并行性异步独立性的特点。

动态性任务的状态是不断变化的,一般分为:休眠态(dormant), 就绪态(ready),运行态(running), 挂起态suspended 睡眠态sleep 等如图3.1

 

并行性是指系统中同时存在多个任务,它们宏观上是同时运行的。

异步独立性任务是系统中独立运行的基本单元也是内核分配和调度的基本单元每个任务各自按相互独立的不可预知的速度运行走走停停。

每个任务都要按排一个决定其重要性的优先级,都有一个无限循环的程序段规定其功能(如一个C 语言过程),并相应有一个数据段、堆栈段及一个任务控制块(保存CPU 的现场, 状态等)。

下面是一个ITRON系统任务应用的典型范例:

void XXX_Task ( INT stacd )

{

MSG msg;

while(1)

{

         rcv_msg(&msg, MbxID); //从某个Mailbox中获取情报

用户程序

}

}

3.1.2 任务调度

操作系统必须为多个任务可能有竞争的请求分配资源,对于处理器来讲,可分配的资源主要是处理器运行时间,分配的途径是通过内核的调度来完成的。

 

3.1.2.1 调度产生条件

从表面上看,任务切换功能很简单,在某个时刻,一个正在运行的任务被终止,操作系统指定另一个任务为运行状态,并把控制权交给这个任务。但是什么事件触发了任务控制权的切换?ITRON系统中,当有如下几个条件发生时,会发生任务的调度。

Ø 处理程序的返回

Ø 发生改变系统运行状态的系统调用。

Ø 产生时钟中断。

3.1.2.2 调度方式

1. 优先级方式:

对于每个任务都事先分配有优先级,这里的优先级是指决定调度顺序的东西,调度程序首先会参照优先级别,Ready队列中找到优先级别最高的任务赋予CPU使用权。

在实时操作系统中任务的优先级是应用程序设计者按照任务的重要程度来安排的,并且任务在运行中其优先级可以动态改变,这个完全需要根据实际的需求进行设计。

3.1.2.2-1 Itron Ready队列状态和处理器使用权

2. FIFS方式

当拥有同一优先级的任务存在多个时,调度程序将赋予成为Ready状态时间最长的任务CPU的使用权。

3. 任务的禁止/许可

4. 时间片轮旬

作为Itron系统并没有提供这种支持,但是可以通过现有系统提供的服务实现这种支持,这个在后面进行说明,详细内容请参考:

3.1.3 任务的状态管理

任务根据运行时所必须的资源获得状况,以及有无事件发生来实现状态的迁移,所以内核必须管理各任务当前所处的状态。

3.1.3.1  ITRON系统状态定义

操作系统的职责是控制任务的执行,这里包括决定任务交替的方式和资源的分配原则,所以为了达成这个目标,就需要描述任务的行为---即任务的状态。在ITRON中,将任务划分为如下七个状态进行管理,在任意时刻,任务状态只能属于这七个状态之一。

未登录状态:non_existent

没有作为任务的注册到系统中,或被消除没能登录到系统中的状态。也就是说虽然已经装配到内存中,但不受OS管理的程序。

休眠状态:dormant

任务生成时的状态(cre_tsk系统调用时)或者是运行终了时的状态。处于dormant状态的任务,已经从调度对象中删除掉了。

就绪状态:ready

成为内核调度对象管理的状态。虽然已经具备除了处理机之外的所有必要资源,但是由于有比该任务优先级别更高(或者相同任务优先级别)的任务正在运行,等待运行权到达的状态,也就是说,只要运行权到达,马上迁移到run状态的状态。

运行状态:run

得到了系统的控制权,正在处于运行处理中的状态。系统中处于运行状态的任务只能有一个。

等待状态:wait

由于缺少运行的必要条件,不能进入到运行状态的状态,也就是说正在等待必要运行条件到达的状态。

从wait状态的重新执行是从进入到wait状态时中断的场所开始执行,也就是说运行程序时必要的各种内部环境(寄存器、堆栈等)会复原。

挂起状态:suspend

被其他任务情知中断执行(sus_tsk调用的发行)的状态,还有可以通过多重发行sus_tsk调用,使suspend状态嵌套。

Suspend状态的解除是通过发行rsm_tsk系统调用来进行的。但是如果要发行依次rsm_tsk系统调用来解除被嵌套的suspend状态,必须要选择参数T_FRCPSM(0X1)。

从syspend状态重新实行是指从为进入suspend状态处理中断的位置开始。也就是说运行程序时必要的各种内部环境(寄存器、堆栈等)会复原。

双重等待状态:wait_suspend

由上面wait状态和suspend状态合成的状态,也就是对应于wait状态发行了sus_tsk调用的场合迁移到的场合。

Wait_suspend状态是当suspend状态被解除时,就迁移到wait状态,而wait状态被解除时,就迁移到suspend状态。

 

3.1.3.2 任务状态迁移与系统调用

各个任务是通过系统调用的发行,来实现状态的迁移的,具体的状态迁移关联关系情参考图3.1.3.2-1

3.1.3.2-1任务的状态迁移关系图

各迁移过程的详细说明请参照表3.1.3.2-1

状态迁移

说   明

系统调用

Nonexistent->dormant

任务生成

cre_tsk

Nonexistent->ready

不可

-

Nonexistent->run

不可

-

Nonexistent->wait

不可

-

Nonexistent->suspend

不可

-

Dormant->nonexistent

任务的删除

del_tsk

Dormant->ready

任务的启动

sta_tsk

Dormant->run

不可(注1

-

Dormant->wait

不可

-

Dormant->suspend

不可

-

Ready->nonexistent

不可

-

Ready->dormant

任务的强制终了

ter_tsk

Ready->run

在ready状态的任务中,优先级成为最高的任务

-

Ready->wait

不可

-

Ready -> suspend

任务的强制等待

sus_tsk

Run->nonexistent

任务的终了并自删除

Exd_tsk

Run->dormant

正常终了

Ext_tsk

Run->ready

任务的自中断,接受系统的调度(注2

-

Run->wait

等待要因的发生:

时间等待

唤醒等待

Event Flag等待

Semaphore等待

消息等待

内存块等待

 

Wai_tsk

Slp_tsk

Wai_flg

Wai_sem

Rcv_msg

Get_blk

Run->suspend

不可

-

Wait->nonexistent

不可

-

Wait->dormant

任务的强制终了

Tet_tsk

Wait->ready

等待要因发生:

Time out

唤醒等待

Eventflag等待

Semaphore等待

消息等待

内存块等待

 

Wup_tsk

Sys_wup

Set_flg

Sig_sem

Snd_msg

Rel_blk

Wait->run

不可(注3

-

Wait->wait_suspend

任务的强制等待

Sus_tsk

Suspend->nonexistent

不可

-

Suspend->dormant

任务的强制终了

Ter_tsk

Suspend->ready

强制等待的解除

Rsm_tsk

Suspend->run

不可(注4

-

Suspend->wait

不可

-

Suspend->wait_suspend

不可

-

Wait_suspend->wait

强制等待的解除

Rsm_tsk

Wait_suspend->suspend

等待要因的解除

Vsnd_sig

3.1.3.2-ITRON任务的状态迁移关系表

※1. 通过sta_tsk调用后有时会从dormant状态迁移到run状态,但实际上是经过ready状态后迁移到run状态的。

※2. 当出现比自任务有更高有限级的任务或对于自任务发行rot_rdp系统调用。

※3. 通过等待要因发生后,有时从suspend状态迁移到run状态名单实际上是经过ready状态的。

※4. 通过rsm_tsk系统调用发现有时从suspend状态迁移到run状态,但实际上是经过ready状态的。

3.1.4 任务的应用

ü 创建任务

Itron系统中创建任务存在两种方式,一种方式是静态注册任务;另一种方法是动态的创建任务。

动态创建任务主要通过cre_tsk调用来实现的。

ü 激活任务

Itron系统中,初始创建的任务的状态是Dormant状态,这个时候任务还处于系统无法调度的状态,所以必须激活任务,激活任务的系统调用是sta_tsk,作用就是将指定任务由Dormant状态迁移到Ready状态。

ü 终止任务

Itron系统中如果需要实现将任务由ready state, run state, wait state, suspend state, wait-suspend state迁移到Dormant状态的话,需要通过下面两种方式实现,正常终止和强制终止。

正常终止是任务自身主动放弃系统的使用权。

强制终止是任务自身出现错误,无法自主释放系统使用权,这个时候只能通过其他任务来完成对本任务使用权的剥夺。

实现任务终止的系统调用主要有下面三个:

² ext_tsk system call

The task that issued the ext_tsk system call is switched from the run state to the dormant state.

² exd_tsk system call

The task that issued the exd_tsk system call is switched from the run state to the non-existent state.

² ter_tsk system call

The task specified by the parameters is forcibly switched to the dormant state.

ü 删除任务

实现任务状态从Run或者Dormant状态切换到nonexistent状态,实现这个功能主要通过下面两个调用来完成的。

² exd_tsk system call

The task that issued the exd_tsk system call is switched from the run state to the non-existent state.

² del_tsk system call

The task specified by the parameters is switched from the dormant state to the non-existent state.

3.1.5 任务的设计

3.1.5.1 任务划分的原则

在将一个软件系统分解成并行任务时主要需考虑的是系统内功能的异步性。

可以通过分析数据流图中的变换确定哪些变换可以并行而哪些变换在本质上是顺序的,通过这种方法划分出任务一个变换对应一个任务,或者一个任务包括几个变换。

一个变换是应该成为一个独立的任务还是应该和其它变换一起组成一个任务决定的原则如下:

Ø I/O 依赖性 (Dependency on Input/Output Device)

Ø 时间关键性的功能 (Time-critical functions-Hard Deadline)

Ø 计算量大的功能Heavy Computation function

Ø 功能内聚Functional relations

Ø 时间内聚Temporal relations

Ø 周期执行的功能Cyclic executing function

3.1.5.2 I/O 依赖性

如果换依赖于I/O, 那么它运行的速度常常受限于与它互操作的I/O 设备的速度在这种情况下变换应成为一个独立的任务。

Ø 在系统中创建多个与I/O 设备相当数目的I/O 任务

Ø I/O 任务只实现与设备相关的代码

Ø I/O 任务的执行只受限于I/O 设备的速度而不是处理器

Ø 在任务中分离设备相关性

3.1.5.3 时间关键性的功能

对于事件关键性的功能对响应的时间要求的第一重要的,所以对于这类任务的响应的优先级别比较高。

Ø 将有时间关键性的功能分离出来组成独立运行的任务

Ø 赋予这些任务高的优先级以满足对响应时间的需要

3.1.5.4 计算功能

复杂的计算功能一般运行时间比较长,所以对于这类功能的设计的原则如下:

Ø 计算功能占用CPU 的时间多

Ø 捆绑计算功能成任务赋予它们较低优先级运行能被高优先级的任务

Ø 抢占消耗CPU 的剩余时间

Ø 保持高优先级的任务是轻量级的

Ø 多个计算任务可安排成同优先级按时间片循环轮转

3.1.5.5 时间内聚

Ø 将在同一时间内完成的各功能,即使这些功能是不相关的组成功能组形成一个任务

Ø 功能组的各功能是由相同的外部事件驱动的,如时钟等这样每次任务接收到一个事件它们都可以同时执行

Ø 组成一个任务,减少了系统的开销

虽然时间内聚在结构化设计中并不被认为是一个好的模块分解原则但在任务级是可以被接受每个功能都作为一个独立的模块来实现从而达到了模块级的功能内聚这些模块组合在一起又达到了任务级的时间内聚

3.1.5.6 周期执行功能

Ø 将在相同周期内执行的各功能组成一个任务

Ø 频率高的赋予高优先级

3.1.5.7 任务设计的误区

Ø 错误的任务划分原则

任务使用SUPSPEND/RESUME 太频繁,是由于任务划分过细任务的当成功能使用,改进的方法是将任务变成子程序使用。

当事件发生时调用子程序,任务划分的太粗将子程序划分为任务,

得到消息后又立即检查另外的信息,不要使用轮循的方式直接使用事件驱动方式

Ø 优先级倒置

当低优先级的任务向高优先级的任务发送消息时,高优先级的任务不能运行,直到低优先级的任务发送消息后才能运行。

这种情况下就没有必要分为两个任务只需要使低优先级的任务调用子程序即可。

Ø 死锁

两个任务同时相互等待对方的信号,导致它们永远不能运行。

为了避免死琐将共享资源统一排序所有的任务按序来访问多个资源。

等待的事件没有发生过或者不具备等待事件的发生条件。

3.2 同步和通信管理

在多任务的实时系统中,一项工作的完成往往要通过多个任务或多个任务与多个中断处理过程(ISRs)共同完成。它们之间必须协调动作互相配合,甚至需要交换信息进行通信。这些通信和同步的需要是:

1. 任务能和其他任务及ISRs 交换数据

2. 任务能以以下方式与其他任务进行同步

² 单向同步一个任务与另一个任务或一个ISR 同步

² 双向同步两个任务相互同步

² 与同步 一个任务与几个事件同时同步

² 或同步 一个任务与几个事件中的任何第一个到达事件同步

3. 任务必须能对共享资源进行互斥访问

为了满足任务间通信同步和互斥的需要,同时保证资源被安全的使用,必须对多个相关任务在执行的次序上进行协调。ITRON系统主要提供了如下一些同步机制。

ü Event Flag,任务间的协调功能。

ü Semaphore,对系统资源进行排他访问。

ü MailBox,任务之间进行的信息通信。

以下章节将针对这些系统同步方式进行详细的说明。

3.2.1 Event Flag

在多任务处理系统中,需要等到一个任务终了后,其他任务再开始启动的等候功能,这个时候,需要拥有对其他任务是否终了进行判断的能力ITRON系统中提供了Event Flag.来实现这个机能。

ITRON系统中,一个Event FlagITRON工作区中的一个32 位的变量。32 位中的每一位都是表示一个事件标志,事件标志有两种状态,设置(1)和清除(0)。当一个标志处于设置状态时,表示相关的事件已经发生了,任务和ISRs 可以使用事件标志来向其他任务发送信号, 表示事件已发生。

3.2.1-1 Event Flag示意图

上图中,人相当于任务,火把表示Event Flag,在没有得到通知之前,等待信号的人处于等待状态,当发送信号的人发送了通知之后,处于等待状态的人将被激活,便开始自己的作业了,这就是一个完整的Event Flag使用过程事例。

3.2.1.1 基本调用

 ITRON系统中提供下面基本调用,实现了Event Flag的基本机能,详细描述可以参照手册:

cre_flg: Generates an event flag.

del_flg: Deletes an event flag.

set_flg: Sets a bit pattern.

clr_flg: Clears a bit pattern.

wai_flg: Checks a bit pattern.

pol_flg: Checks a bit pattern (by polling).

twai_flg: Checks a bit pattern (with timeout setting).

ref_flg: Acquires event flag information.

vget_flg: Acquires event flag ID number.

vset_flg1: Sets a bit. 

vwai_flg1:Checks a bit.

3.2.1.2 Event Flag的应用

一般来说,Event Flag为任务之间的等待操作提供了场所,下面是其操作方法:

任务间的等候需要能够传达Event的任务和等待Event发生的任务,传达Event任务通过发行set_flag调用来传递信息,另一方面等待Event任务对事件发行等待调用,并且参照等候模式。

如果event flag的位模式与等待位模式一致时,任务可以继续进行处理,如果不一致,任务就不做继续处理,迁移到wait状态,并进入到event的等待队列中。

3.2.1.2-1表示了两个Task通过32Bit Event Flag传递信息的范例:

3.2.1.2-1 32Bit Event Flag使用时Task间同步方法

 

3.2.1.2-2表示了4Task利用1Bit Event Flag传递信息的执行范例:

3.2.1.2-2 1Bit Event Flag使用时Task间同步方法

ü Event Flag的生成

Event Flag的生成是通过cre_flg系统调用进行的,在Itron系统中,cre_flg调用从系统工作区中创建一个32bit的事件标志组,并返回Event FlagID号。

ü Event Flag的删除

通过del_flg调用可以实现对Event Flag的删除,当产生删除操作的时候,该系统中存在等待本Flag操作的任务,这个时候,处于等待Eveng Flag的任务将解除等待操作,并迁移到Ready状态。

ü Event Flag的设定

通过set_flg调用,可以实现Event Flag的设定,当本调用发行后,处于等待Event Flag发行的任务的状态将由等待状态迁移到Ready状态。

ü Event Flag的清除

通过clr_flg调用,可以实现Event Flag的清除,保证Event Flag能够有初始化值。

ü Event Flag的等待

关于Event Flag的等待有三种方式,wai_flg, pol_flg, 和twai_flg,他们存在一些细微的差别。

² wai_flg:如果Event Flag已经被设置,系统将保持运行,如果没有存在满足运行条件的Flag,系统将迁移到等待状态,一直到满足运行条件的事件发生。

² pol_flg:任务直接查询Event Flag,如果满足运行条件的事件发生,系统保持运行状态不变,如果没有满足运行条件的事件发生,系统将直接返回,不仅性等待操作。

² twai_flg:在制定的时间内,如果存在满足运行条件的事件发生,系统将保持运行状态不变,否则系统将按照指定的时间进行等待,Timer Out之后,系统迁移到Ready状态。

等待条件的设定:

因为Event Flag是一个32Bit的位群,所以在进行Event Flag的设定的时候可以按照条件的逻辑进行设定,主要的逻辑有AndOr两种,需要根据实际情况进行有选择的使用。

And:多个条件同时存在的时候,才满足任务的运行条件。

Or:当设定的多个条件有一个满足的时候,运行条件成立。

3.2.2 Semaphore

虽然多任务系统中的各个Task可以共享各类资源,但是有些资源却一次只能被一个任务使用,因此防止同时动作的多个任务出现资源争执的需要,ITRON系统中提供了非负计数器-Semaphore,由管理资源个数的计数器进行资源使用得调配。

一个计数信号量是ITRON工作区中的一个16 位的变量,初始值可以是0~65535,表示可以使用的资源数量,初始值为0表示资源开始处于锁住状态,一个非0的值表示有多个资源供多个任务访问。

3.2.2 –1 Semaphore示意图

上图种停车场中的停车位置相当于存在使用竞争的资源,车相当于任务,空闲的车位数量相当于Semapjore的计数,当停车场中没有空位的时候,没有进入到停车场的车处于等待状态,当停车场中有车离开的时候,表示当前有空闲的车位,这时就有车可以进入,并且空闲的位置与可以进入的车是等数量的,这个就是一个Semaphore的使用范例,可以通过这个过程来体会Semaphore的使用。

ü 基于FIFS方式的等待机制

基于上图的示例,ITRON系统提供的方法是为任务提供等待队列,并且系统分配消息的方式是基于FIFS方法的,不区分任务的优先级别。

3.2.2.1 基本调用

ITRON系统中提供下面基本调用,实现了Semaphore的基本机能,详细描述可以参照手册:

cre_sem: Generates a semaphore

del_sem: Deletes a semaphore

sig_sem: Returns a resource

wai_sem: Acquires a resource

preq_sem: Acquires a resource (by polling)

twai_sem: Acquires a resource (with timeout setting)

ref_sem: Acquires semaphore information

vget_sid: Acquires semaphore ID number

3.2.2.2 Semaphore的应用

一般来讲,semaphore是使用在任务之间排他控制的机构,下面是其操作的方法:

首先定义semaphore关联的资源数,对资源进行使用的 task首先进行资源的查询,如果能够从semaphore中获得资源的任务,任务将继续处理,然后在不需要使用资源时,便发行释放资源使用权的调用。

另外如果不能从semaphore中获得到所要的资源,任务便不能继续执行,迁移到wait状态,并登录到semaphore的等待队列中。处于等待的过程中的Task,如果可以得到资源,任务便从等待状态中脱出,迁移到ready状态。

3.2.2.2-1表示了三个Task共享n个资源的情况,请参照:

3.2.2.2-1利用Semaphore实现资源的排他使用

ü 创建信号量

Itron系统提供两种创建Semaphore的方法,一种是静态注册,另一种是通过系统调用来动态创建。

动态创建是通过cre_sem的方法来实现的。

ü 删除信号量

Itron系统中通过del_sem调用实现semaphore的删除。当删除semaphore被执行的时候,如果与本资源关联的任务等待队列中存在等待资源的任务时候,这些任务的状态将自动切换到Ready状态。

ü 释放资源

Itron系统中通过sig_sem调用实现资源的释放,可以归还资源的数量由sig_sem的参数决定。

ü 资源请求

主要有下面三种方式可以实现资源的请求:wai_sempreq_semtwai_sem;他们虽然都实现资源的申请,但是使用时还有一些细微的差别:

² wai_sem:当系统没有满足任务需要的资源数量的时候,系统状态将迁移到等待状态,直到系统中存在可以使用的资源为止。

² preq_sem:查询系统资源,如果存在满足系统需要的资源,则申请使用,如果没有满足需要的资源,系统将不申请资源,但是运行状态保持不变。

² twai_sem:在申请资源的时候,可以指定等待的时间,如果在制定的时间内申请到资源,则系统继续保持运行,如果在制定的时间内没有申请到可用的资源,系统将解除等待状态。

3.2.3 MailBox

为了实现任务之间的通信功能,ITRON提供了邮箱,并且邮箱包含有多任务应用的等待队列和邮箱专用的信息等待队列,除了任务之间的通信功能使用,也作为任务之间的协作功能使用

当一个任务执行发送原语时,有两种可能性,一种可能是接收者已经处于等待状态;另外一种可能是消息发送时,接收者没有处于等待收信状态;下面将针对这两种情况进行示例说明:

1. 下图表示了消息先于收信者到达的情况,这时信件被投入信箱之后,便被缓存了起来,等待收信者取得信件。同时收信者到达之后,取得信件之后,便根据信件的指示进行相关作业。

3.2.3-1 消息先于收信者到达的示例

基于上图消息等待方式的实现在ITRON系统的实现方法是为Message提供等待队列作为缓冲,并且对于从队列中取得信息的方式提供了两种方式作为支持,一种是FIFS,即先到达的信件被优先取走,另一种是对消息进行优先级别的指定,这样就可以保证高优先级别的消息可以得到优先的取得权。

ü 基于FIFS方式的等待机制

这种机制下所有消息都是平等的,他们的取得顺序完全取决于他们到达邮箱的时间,在邮箱中等待时间长的消息有优先被执行的权力。

3.2.3-2基于FIFS的消息等待机制

ü 基于优先级方式的等待机制

这种机制下的消息是存在优先级别的,高优先级别的消息会获得优先执行权力,但是对于拥有相同优先级别的消息,他们的等待方式还是基于FIFS的方式进行的。

3.2.3-3基于优先级方式的消息等待机制

2. 下图表示了收信者先于发信者到达的等待方式,这时收信者开始处于等待状态,当发信者将消息投入到邮箱之后,收信者便重新处于激活状态,这时只要执行条件满足,便可以根据消息的指示进行相关作业。

 

3.2.3-4收信者先于消息到达的示例

ü 基于FIFS方式的等待机制

基于上图的示例,ITRON系统提供的方法是为任务提供等待队列,并且系统分配消息的方式是基于FIFS方法的,不区分任务的优先级别。

3.2.3-5任务等待消息的Itron实现

3.2.3.1 基本调用

对邮箱的操作,系统主要提供了如下的调用:

cre_mbx: Generates a mailbox.

del_mbx: Deletes a mailbox.

snd_msg: Sends a message.

rcv_msg: Receives a message.

prcv_msg: Receives a message (by polling).

trcv_msg: Receives a message (with timeout setting).

ref_mbx: Acquires mailbox information

vget_mid: Acquires mailbox ID number

3.2.3.2 MailBox的应用

一般来说,邮箱是任务之间信息通信过程中的场所,下面是使用方法:

在任务之间的信息通信里,需要给邮箱分配送信的任务(发报任务)和接受这个信息的任务(接受任务)。这时如果邮箱里已经有任务被排列在队列里,信息就会被传递给等待队列里的任务中任务专用队列的先头任务将会从Wait状态迁移到Ready状态。

但是如果邮箱中还没有任务被排列在队列中,信息就会被排列到信息专用的队列中。不过发行snd_msg调用的任务不进行状态迁移。

还有接受信息的任务,对邮箱发行rcv_msg系统调用,接受消息,这时对象邮箱中已经有信息排列在队列里时,任务就会收取排列在队列里的信息。但是如果对象邮箱中还没有信息被排列在队列中的场合,任务就不能继续处理,被排列在对象邮箱的任务专用队列中,并且迁移到wait状态。不过在处于wait状态过程中,如果从其他任务那里得到信息的话,就可以接受信息,任务同时也会从wait状态解脱出来,迁移到ready状态。

如此循环进行,任务之间的通信便不断地进行下去。

3.2.3.2-1说明了Task之间通过MailBox传递信息的使用示例:

3.2.3.2-1Task利用MailBox进行通信

3.2.3.2-2说明Task之间通过MailBox传递信息时的执行过程。

3.2.3.2-2使用MailBox实现Task之间通信的处理流程

ü 创建邮箱

系统提供两种方式创建邮箱,静态注册和动态创建。系统动态创建邮箱是通过cre_mbx调用来实现的。

ü 删除邮箱

系统提供的del_mbx功能可以实现邮箱的删除,del_mbx发行后,如果等待队列中存在任务的时候,这些任务的状态将自动迁移到Ready状态。

ü 发送Event

系统提供的snd_msg调用实现Event的发送,当snd_msg发送之后,处于等待Event的任务的状态将由Wait状态迁移到Ready状态。

ü 接收Event

Itron系统提供三种方式来实现Event的接收,rcv_msg, prcv_msg,和trcv_msg,他们的差异是:

² rcv_msg:当邮箱中存在Evnet,则任务将直接获取Event并保持执行状态,当邮箱中没有Event的时候,任务将迁移到等待状态,直到邮箱中存在Event为止。

² prcv_msg:任务查询邮箱状态,如果存在Event,则取得Event,并继续执行,如果不存在Event,则任务不进行等待,继续保持执行。

² trcv_msg:在制定的时间内,邮箱中存在Event,则任务取得Event并执行,否则任务将等待指定的时间,之后迁移到Ready状态。

3.3 内存管理

任务在运行过程中对内存的需求是不断变化的不同的任务有不同的需要,OS 将内存当作一种资源来看并且在竞争的任务之间分配,这种资源就如同在竞争的任务间分配CPU 控制权一样。

3.3.1 概述

ITRON系统中所指的内存管理是通过对软件的内存区域进行动态的管理,也就是说在需要申请使用的时候就要确保,如果不需要的时候就进行归还的功能。

3.3.1-1 Memory Pool示意图

ITRON系统中,内存管理方法采用的是固定分区方式瑾形,并且对内存区域分为内核区域核用户区域两个部分,并且这两个部分是单独进行管理的。系统内存池是否生成内核管理的各个对象时候使用的内存区域,这个区域里禁止作为用户内存池使用的。用户内存池是任务对内存区域进行申请时所使用的内存区域,并且这些内存池是相互独立的,所以可以通过给每个任务分配不同的内存池来避免任务见内存领域的竞争。

分区管理采用的是静态的内存分配方法系统分配和回收固定大小的存储块,其优点是存储块的分配和回收时间是确定的因为不会出现存储碎片因而也不需要做回收存储碎片进行合并等工作。

3.3.1-2内存分区

系统中可定义多个分区每个分区中存储块的大小可不同且可在分区中定义分区例如一个分区可以是另一个分区中的一块这就意味着存储块,可以很容易地被分为子存储块,另外还可以为同一块存储区域定义两个分区这样就可以从同一块存储区中分配两种不同尺寸的存储块。

3.3.2 基本调用

cre_mpl: Generates a memory pool.

del_mpl: Deletes the memory pool.

get_blk: Acquires a memory block.

pget_blk: Acquires a memory block (by polling).

tget_blk: Acquires a memory block (with timeout setting).

rel_blk: Release a memory block.

ref_mpl: Acquires memory pool information.

vget_pid: Acquires ID information of the memory pool.

3.3.3 内存池的创建

存在两种方式来创建内存池,一种是静态注册,另外一种方式是动态创建。动态创建的方法是通过cre_mpl调用来实现的。

3.3.4 内存池的清除

del_mpl调用可以实现内存池的删除,当执行删除操作时,如果存在内存申请的任务处于等待状态的话,这些任务将直接迁移到Ready状态。

3.3.5 内存申请

Itron系统中存在三种方式来实现内存的申请,get_blk, pget_blk,和 tget_blk,这三种调用的使用方式如下:

get_blk:申请指定大小的内存块,如果申请失败,任务状态将迁移到等待状态,直到有满足任务使用的内存被释放。

pget_blk:申请指定大小的内存块,如果申请成功,任务保持执行状态,如果失败,系统也不进行等待,直接运行其他指令。

tget_blk:如果没有申请到制订大小的内存,任务将等待指定的时间,之后迁移到Ready状态。

3.3.6 内存释放

当系统发行rel_blk调用之后,内存被归还给系统。

3.4 中断处理

中断是硬件机制,它向CPU发送信号,表示外部异步事件(无时序关系的随机事件)发生,如设备发送数据请求、内部运行异常等。

对中断的管理是OS的特征之一,一般来说当发生中断时,控制会转移到中断处理程序中,而控制转移到中断处理程序中的是硬件,软件不参与。但是在ITRON系统中,为了方便管理,内核提供了进行中断的通知,并将控制权转移给中断处理程序中的功能。

3.4.1 中断处理的管理

为了提高中断的吞吐率,ITRON系统将中断分成两个处理等级来进行中断处理,一种是直接启动的中断Handler;另一种是中断任务

1. 直接启动的中断Handler,处理时间可以在短时间内完成,并且要求响应速度的中断请求,这种中断Handler不需要通过OS的管理也能够启动的中断处理专用程序。图3.4.1-1给出这种中断处理的执行过程。

3.4.1-1 直接启动中断Handler处理流程

2. 中断任务,需要的处理时间比较长,并且对中断响应要求不是特别严格的场合使用。所谓中断任务指被中断处理程序唤醒或启动的中断处理专用任务。图3.4.1-2给出中断任务的处理流程。

3.4.1-2中断任务的处理流程

3.4.2 中断例程的登录

直接启动中断的登录方法需要将中断服务Handler的地址登录到中断向量表中,但是如果中断任务就不能采用这种方式来定义,否则Itron系统将无法识别,所以中断任务的登陆方法就需要使用ITRON系统提供的支持来实现。

下面图解表示了系统对中断任务的管理方式,请参考:

3.4.2-1 IDTISRs管理

Itron系统中,为了实现对中断任务的管理,在idt中登陆了缺省的中断处理程序,在调用用户注册的Isr之前,需要将中断请求登陆到Itron管理的虚拟IDT表中,这样系统就能够通过对虚拟中断向量表的管理来实现对中断任务的管理。

3.4.3 中断中的处理

因为中断例程的特殊性,所以在进行中断程序的设计和使用需要特别注意,否则会发生一些意想不到的问题,下面从几个方面进行说明。

ü 寄存器的保存和恢复;

这个部分是每个使用中断例程的系统都需要考虑的,但是这个部分需要根据实际CPU使用要求进行,本教材中仅仅提出提示,并不给出具体的限定条件。

ü 系统调用的限制;

一般说来,在中断例程中发行Itron系统调用与通常任务没有特别的区别,所以为了保证系统的安全性,在中断中,对于创建/删除Itron管理对象、有迁移到资源获取等待状态可能的调用以及可能产生tron式样中没有定义的状态迁移等,都被禁止使用,下面是否详细信息,请在、设计时候务必遵守。

不能被中断例程使用的系统调用:

sta_tskext_tskter_tskdis_dspena_dspchg_prirot_rdqrel_waisus_tskrsm_tskslp_tsktslp_tskdly_tskwup_tskset_flgwai_flgtwai_flgsig_semsnd_msgrcv_msgtrcv_msgpget_blftget_blkloc_cpuunl_cpu等。

3.5 时钟管理

在实时系统中,时间是操作任务过程中最基础的要素,在内核中的周期唤醒、延迟唤醒、Time Out等的操作都以它来作为基础。

3.5.1 周期唤醒

对任务发行周期性的唤醒要求叫做周期唤醒。在ITRON系统中提供了周期唤醒任务来实现本机能。

下面方法实现了周期唤醒任务的实现:

def_cyc: Registers a cyclically activated handler.

act_cyc: Controls the activity state of the cyclically activated handler.

ref_cyc: Acquires cyclically activated handler information.

 

3.5.1-1 周期唤醒使用示例

在上图中,表示了一个系统以某个固定的周期来执行动作,所以当系统存在上述要求的时候,就可以使用Itron系统提供的相应服务来实现用户所要求的功能。

3.5.2 延迟唤醒

从当前时刻开始,经过指定的时间后唤醒的任务称作延迟唤醒。

产生延迟唤醒的调用是dly_tsk,,当调用发生时,系统的运行状态将迁移到等待状态,直到指定的时间Time Out之后才能迁移到Ready状态。

3.5.2-1延迟唤醒使用示例

Itron系统中管理的时钟是以毫秒为单位的,所以上面的计数都是以毫秒为单位进行累加,当计数到100时,系统唤醒任务,并切换任务到Ready状态,等待系统的调度。

3.5.3 Time Out指定

发行event flag等待、semaphore等待、Mailbox等待等功能调用时,可以指定等待的时间,这样的指定称作TimeOut指定。

Ø tslp_tsk system call

Ø twai_sem system call

Ø twai_flg system call

Ø trcv_msg system call

 

4 初始化处理

本章对系统启动时内核所进行的初始化处理进行讲解。

所谓初始化处理指ITRON系统动作过程所必需的硬件、内核以及软件的初始化处理。图4-1表示了ITRON系统的初始化过程。

4-1 ITRON系统初始化流程

4.1 硬件初始化

为了保证系统的安全运行,对目标硬件环境进行初始化的设置,包括端口、时钟、中断以及RAM等。

4.2 内核初始化

包括ITRON系统使用的变量的初始化以及任务的生成核启动等。

Ø Generation/initialization of management objects

² Task generation

² Generation/initialization of a semaphore

² Generation/initialization of event flags

² Generation/initialization of a memory pool

² Registration of the indirectly activated interrupt handler

² Registration of the cyclically activated handler

² egistration of the extended SVC

Ø Activation of an initial task

Ø Activation of the system task (idle task)

Ø Calling of the software initialization section

Ø Transfer of control to the scheduler

4.3 软件初始化

系统运行的软件环境进行初始化,包括程序变量初始化等,这个部分需要根据不同得应用来进行这里部做特别的说明。

 

 


5 附录

5.1 练习题

1. 请应用Event Flag进行任务间同步,前提条件如下:

Ø 存在两个任务AB,并且优先级是A>B

2. 请应用Mail Box进行任务间同步,前提条件如下:

 

3. 请应用Semaphore进行任务间同步,前提条件如下:

Ø 存在三个任务ABC,并且任务的优先级别是A>B>C

Ø 这三个任务需要共享三台打印机资源,A任务完成一次调用时需要同时申请两台打印机,B任务完成一次调用需要申请1台打印机,C任务完成一次调用需要申请两台打印机;

请设计并实现。

5.2 参考资料:

编号

资料名称

简介

作者

日期

出版单位

01

mitron-400e.pdf

u-Itron V4.0式样

 

 

 

 

5.3 相关网站

网址

网站简介