【连载】嵌入式OS入门笔记-以RTX为案例(一):简介

作者: RaymondKwan
上传时间为: 2014-08-16 01:38 AM
2014-08-16
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最近在做OS相关的项目,一方面涉及到大量(通用)操作系统的概念和理解,另一方面要深入到一个小实时操作系统的源代码中,并在此操作系统上开发应用。虽 然说内容上并不难,但是操作系统本身是一个非常基础,影响深远的计算机科技的小分支,所以把操作系统的知识重新整理一遍,同时结合实时操作系统的实际情 况,形成这样一套笔记,一是对项目的一个回顾,另外也方便将来回来查阅吧。

  

1.操作系统的角色

    OS其实是一个很宏大的概念,不好捉摸。根据维基百科的定义,OS是一组管理硬件和为应用软件提供服务的软件。这个说法很精练但依然抽象。我觉得大部分OS扮演着两个最主要的角色:硬件的抽象表达者和资源的管理者

硬件的抽象

    如果要读取硬盘中的某一个数据,首先得确定盘片,然后确定磁道和扇区,最后通过磁头读取进内存。这实际上是一系列复杂的机械和电子的操作,虽然说复杂,但是影响最终运作结果的因素(读写地址)不多,大部分操作是对于不同的读写都是相同的。如果每一次执行读写硬盘操作,应用程序都要明确地对硬件作出准确的指示,那么应用程序会臃肿无比,程序员也会为编写这样的程序感到非常无趣。

    正如David Wheeler的那句名言:“Any problem in computer science can be solved with another layer of indirection.”OS的首要任务正是把这些繁杂的底层硬件的执行细节隐藏,提供给程序和用户一个相对抽象的概念。例如把一系列的机械和电子操作转化为简单的一句代码-读取硬盘(地址)。

    一般普通计算机使用者之所以不熟悉底层的这些细节,也正是因为有OS,这个硬件的抽象的存在。他们对计算机运作的认识,只是一个建立在OS基础之上的心理模型(mental model)。

 

Hard Disk Driver - 《Operating System Concepts》

资源的管理

最早期的计算机是没有操作系统的,一般会有一个操作人员(operator)负责给程序排序,安排下一个时间段运行何程序。其实这就是操作系统的雏形,而这时这个操作人员的主要任务就是分配计算机资源。操作系统的核心其实就是资源的分配和管理,特别是在多程序(multiprogramming)的环境下。如何优化资源的分配,减少有害的竞争,提高某些资源的共享效率,都是操作系统关心的核心话题。这里说的资源主要指的是硬件资源,例如内存,CPU,网络带宽和I/O等等。

其实纵观很多OS的教科书的组织,一般主要的讨论话题不外乎进程内存外设。这些话题都离不开OS的这两个角色,例如进程管理,很大一部分就是关于资源的分配,而进程本身又是OS对程序的一个抽象。所以我觉得具体学习研究OS时,只要能够抓住1.它抽象的对象和抽象的程度;2.如何合理的优化资源的安排,就能够达到学习研究的目的。

2.实时操作系统

其实嵌入式操作系统不一定就是实时操作系统(RTOS),反之亦然。但很多场合下嵌入式开发应用都对实时性的要求很高,所以这两个概念经常混用。RTOS最突出的就是它要在deadline之前完成任务,其中又分两种,一种是硬deadline,如果不能在规定deadline前完成,那么后果会很严重甚至产生一些致命的错误;而软deadline则稍微宽松一点,即使不能够在deadline前完成,deadline后继续完成任务直至完成也是可以接受的。

一个很通常的误区就是,RTOS和通用OS的最大差别是RTOS要快。虽然速度快很重要,但这不是RTOS的核心特征。RTOS最为重要的是其行为的决定性(determinism可预测性(Predictability,同时RTOS对系统的响应速度要求也很高。当然,RTOS的容错,纠错能力也要足够强。

这些特性其实都是一些极端工业环境下对OS的要求,例如在核反应和化学反应中,非常精确的控制,特别是在时间上的控制,往往决定了整个工业过程的成败,而且失败的代价往往非常高。所以一个好的RTOS,虽然没有一些通用的操作系统全面,但其行为的差异(variance)会比通用OS小得多。

3.RTX

我会以Keil开发的RTX实时操作系统作为主要的参考操作系统。这里面有几个原因:

  • RTX五脏俱全,是个完整且优秀的实时操作系统
  • RTX对ARM设备Cortex-M系列的芯片有比较好的支持(自家产品)
  • 更重要的是,RTX不仅免费,而且其代码是开放的,是可以自由查阅的!
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