99-10-20 ICT RTOS Research Group 胡伟平，王剑 实时操作系统 -- 背景、标准、技术、实现 99-10-20 ICT RTOS Research Group 胡伟平，王剑

RTOS地位 嵌入式系统存在并发需求（中断驱动），RTOS Kernel 是支持并发的主要工具。 提供的自举代码，各种硬件的驱动（DRIVERS ），以提供基本的硬件设备管理。 提供Download,Debugger 接口方便开发调试 提供NET , FILE , GRAPH, TV等 API 方便嵌入式系统的开发工作

Application Programming Interface RTOS Background Application Programming Interface U s e r M o d K n l 1 t _ v E x c u i S y R f ( ) P b m O I X H a w A L C g / F , D W 3 2 NET p Object Manager API Imple Based on WinNT DDK Kernel Standard posix/uITRON DD-PI 硬件抽象层HAL 影响RTOS系统的可移植性

免费RTOS 及RTOS研究 其他列表于http://www.eetoolbox.com/real/freertos.htm

RTOS系统比较 个人电脑上的操作系统向下功能缩减形成的方案 原嵌入式系统中的实时性操作系统功能扩展形成的方案

系统配置 RTOS 通常包含 Kernel +Drivers+NET+CLIB(FILE)+GUI 五部分，功能需求不同，RTOS大小也不同 From cygnus

RTOS性能指标 RTOS性能指标 中断响应时间： Interrupt Response 上下文切换时间：Context Switching Time 确定性： Determinism Kernel services should be deterministic by specifying how long each service call will take to execute. 调度器的实现算法 Rate Monotonic（发生率单调），优先级与发生率呈正比 [LiuLay 1973] lottery scheduler (彩票调度， Wald&Weihl94）

RTOS系统规模 (I)

RTOS系统规模(II)源代码 eCos 源代码行数 Linux源代码行数 > 1M Kernel -->h 8865 , cxx 8497 CLIB+MathLIB --> h 1541 , cxx 13K Linux源代码行数 > 1M Kernel 10K HAL 36K File System 124K Drivers 831K Net 147K

RTOS系统选择 1. OS高性能和保持安全性 2. 结构合理 3. 提供开发环境加快系统开发进度 成熟！？ 分层以保持可移植，方便驱动程序实现 3. 提供开发环境加快系统开发进度 提供模拟开发环境降低开发成本 IDE ….

RTOS系统选择(II) 系统尺寸、性能 ： 系统完整性：Software components & Device Drivers Footprint Performance 系统完整性：Software components & Device Drivers 标准化支持：Standards compatibility 版权与财务（License）: Only for Build from scratch for special Performance requirement

RTOS 技术 核心服务界面(Kernel Service) 核心Implementation HAL界面 HAL Implementation DriverManager 界面 Driver Manager Implementation

核心服务界面标准 Posix 1003.1b 以POSIX扩充出现，适用于多进程系统，代码尺寸限制不是非常严格的场合为VxWorks,OSKIT,RTEMS等系统支持。 uItron 以实时系统专用标准出现，适用于代码尺寸限制严格的场合，为eCos等系统支持。 Standard Links

核心服务界面 Scheduling service Synchronization& Communication void cyg_thread_create(cyg_addrword_t sched_info, cyg_thread_entry_t *entry, cyg_addrword_t entry_data, char *name, void *stack_base, cyg_ucount32 stack_size, cyg_handle_t *handle, cyg_thread *thread); NU_Create_Task/ER cre_tsk(ID tskid, T_CTSK *pk_ctsk); Synchronization& Communication cyg_semaphore_init(cyg_sem_t *sem, cyg_ucount32 val); NU_Create_Semaphore cyg_bool_t cyg_semaphore_trywait(cyg_sem_t *sem); NU_Send_TO_Queue

核心服务(Cont‘d) C-API….. Interrupt Services Management I/O Driver Service Create_ISR, install_interrupt_handle I/O Driver Service Create_Driver memory services Allocate_Partition, ALLOC C-API….. strcpy

Itran 命名标准 ftp://159.226.42.103/rtos/rtosstandards/itron/ All system calls of ITRON specification are seven or eight characters long and of the form 'xxx_yyy' or 'zxxx_yyy' respectively, where 'xxx' represents the method of operation, and 'yyy' the object of the operation.

Itran 命名-对象

Itran 命名-方法

RTOS 核心 Service Summary 核心 服务（命名和语义）的标准化有利于如TCP/IP协议栈等API的实现与重用.

简单的异步系统 II 系统包含< Mouse + Mouse Viewer > 鼠标中断服务 调度器 空线程 绘图线程 1 事件队列 II

最小核心 实现 核心实现中包含如下对象 任务调度支持 Scheduler /Interrupt Manager Task 同步与通讯支持 Event Semaphone Queue

Scheduler ‘s Global 调度器中包含 当前线程 Cyg_Thread *current_thread; 线程队列 Cyg_ThreadQueue *queue; 调度状态 volatile cyg_ucount32 sched_lock; cyg_bool need_reschedule; cyg_ucount32 thread_switches; 。。。

Cyg_HardwareThread 线程控制块至少包含 栈定义。 栈状态 线程状态 CYG_ADDRESS stack_base; cyg_uint32 stack_size; 栈状态 CYG_ADDRESS stack_ptr; 线程状态 cyg_uint32 state;

Cyg_Thread 线程状态中通常还包含相关的消息及同步对象的列表……. 核心代码的操作对象即这些线程状态、消息及同步量 cyg_ucount32 wakeup_count; CYG_ADDRWORD wait_info; 核心代码的操作对象即这些线程状态、消息及同步量

核心初始化 核心所需的初始化包含 内存分配器初始化 核心自用的信号量初始化 基本的中断处理程序的安装……. 基本的驱动程序的安装……. 启动系统线程 启动用户线程

初始化例

运行时的RTOS 对象 II 中断堆栈 调度器对象 线程表/当前线程 中断向量表 ……. 中断服务 1 中断服务 n 线程 1 线程 2 同步对象 II 线程控制块+线程堆栈

简单系统的代码

任务切换过程 Draw Idle 线程堆栈 线程现场 线程控制块 OSTCBCUR 当前线程 OSTCBHighRrd

ucOS 任务切换实现

调度算法 调度算法选择将要执行的任务 a bitmap scheduler multi-level queue scheduler It represents each runnable thread with a bit in a bitmap. Each thread must have a unique priority and there is a strict upper limit on the number of threads allowed. multi-level queue scheduler This contains the multi-level queue scheduler implementation. It implements a number of thread priorities and is capable of timeslicing between threads at the same priority. This scheduler can also support priority inheritance. lottery scheduler (彩票调度， Wald&Weihl94） Compensation tickets and ticket donation allow fair sharing for I/O bound threads and an equivalent mechanism to priority inheritance.

RTOS性能指标 RTOS Performance Context Switching Time上下文切换时间 Interrupt Response 中断响应时间 Determinism 决定性 Kernel services should be deterministic by specifying how long each service call will take to execute. 实时调度的经典算法Rate Monotonic（发生率单调），优先级与发生率呈正比 [Liu&Lay 1973]

结束语 我们描述了RTOS Kernel的基本原理了解了RTOS Kernel 的结构 嵌入式系统的需求多种多样是RTOS种类繁多的重要原因。实际RTOS 的实现还可能包含SMP、MMU、调试支持、可移植性、驱动程序开发，等问题，RTOS Kernel 的实现效率，实时性也是重要问题。 希望以后有更多的交流，谢谢。

Embedded-OS 的发展方向 是否需要完整功能的操作系统 进程管理，存储保护，核心态用户态。 是否有兼容性需求 可使用的硬件资源 需要做数据文件交换（Pocket Word）。 CE 强调 Host Sync& Communication API支持 可使用的硬件资源 核心Footprint 在4Mb+时CE，LINUX有优势。 “主流” 用户程序数量是OS生存的重要条件。需要提供丰富、支持全面的API 1000+ 需要提供完善的集成开发环境，简化程序（包括驱动）开发。

Easy Embedded OS Easy Embedded OS是一个小型嵌入式操作系统，定位为小型通讯设备、数字化家电如机顶盒（STB）用的OS。由中科院计算所嵌入式系统软件研究组负责组织开发。 Easy Embedded 实时操作系统以库函数形式提供。此外Easy Embedded OS是包含Easy Embedded开发环境的完整嵌入式系统软件开发环境，提供OS配置工具、编译环境、模拟环境、下载工具和调试环境，以方便用户使用。

EEOS成分

Win32-EEOS应用仿真开发平台

交叉调试开发环境