嵌入式系统设计师考试笔记之操作系统基础复习笔记二

3、任务管理

（1）嵌入式操作系统的任务管理可以分为

（2）进程

（3）线程

（4）任务

（5）任务的创建与中止

（6）任务的状态任务有三中基本状态：

（7）任务控制块 TCB

（8）任务的切换

（9）任务的调度

（10）实时系统调度

（11）任务互斥

（12）信号量

（13）任务同步

（14）死锁

（15）信号

（16）任务间通信

嵌入式系统设计师考试笔记之操作系统基础复习笔记一：

嵌入式系统设计师考试笔记之操作系统基础复习笔记一-CSDN博客

3、任务管理

（1）嵌入式操作系统的任务管理可以分为

A、单道程序技术：操作系统中，任何时候只能有一个程序在运行。

B、多道程序技术：操作系统中，允许多个程序同时存在并运行。

（2）进程

进程，简单的说，是一个正在运行的程序。

进程与程序既有联系又有区别，主要表现为下面结构方面：

A、程序由数据和代码两部分内容组成，它是一个静态的概念。而进程是正在执行的程序，它也两部分组成：程序和该程序的运行上下文。它是一个动态的概念。

B、程序和进程之间并不是一一对应的。一个进程在运行的时候可以启动一个或多个程序。反之同一个程序也可能由多进程同时执行。

C、程序可以作为一种软件资源长期保存，以文件的形式存放在光盘或硬盘上，而进程则是一次行的过程，它是暂时的，是动态的产生和终止。

一个进程至少应包括三个方面：相应的程序、CPU 上下文、一组系统资源。

进程有三个特性：

A、 动态性：进程是正在运行的程序，而程序的运行状态是不断变化的。

B、 独立性：进程是系统资源的使用单位，每个进行有自己的运行上下文和内部状态。

C、 并发性：宏观来看，系统中同时有多个进程存在，它们相互独立地运行。

注：对于并发的理解。

在单 CPU的情况下，所谓的并发性指的是宏观上的并发运行，而微观上还是顺序进行，各个进程轮流去使用CPU 资源。在单核CPU中，真正的、物理上的PC寄存器只有一个，进程在轮流执行的时候，物理PC的取值也在不断变化。而逻辑PC其实就是一个内存变量。每个进程都有一个逻辑PC，当一个进程要运行的时候，就把它的逻辑PC装载到物理 PC中去；反之，当一个进程暂不运行的时候，就把物理PC中的值保存在它的逻辑PC当中。

（3）线程

线程就是进程当中的一条执行流程。

进程其实包含两个部分：资源平台和执行流程（线程）。

在一个进程当中，或者说在一个资源平台上，可以同时存在多个线程；可以用线程作为 CPU的基本调度单位，使得各个线程之间可以并发执行；对于同一个进程当中的各个线程来说，他们可以共享该进程的大部分资源。每个线程都有自己独立的 CPU 运行上下文和栈，这是不能共享的。

（4）任务

在嵌入式系统中，任务其实就是线程，它是能够独立运行的一个实体。原因有二：

A、任务具有独立的优先级和栈空间，CPU上下文一般存放在栈空间中。

B、任务之间可以很方便地、直接地使用共享的内存单元，而不需要经过系统内核。

在多道程序的嵌入式系统中，同时存在着多个任务，这些任务之间的结构一般为层状结构，存在着父子关系。当嵌入式内核刚刚启动的时候，只有一个任务存在，然后由该任务派生出所有其他任务。

（5）任务的创建与中止

任务的创建主要发生在以下三种情形：

A、系统初始化。

B、任务运行的过程中。

C、用户提出请求。

从技术的角度来说，实际上新任务只有一种创建的方法，也就是在一个已经存在的任务中，通过调用相应的系统函数来创建一个新的任务。

任务的创建只要有两种可能的实现模型：fork/exec和 spawn。两种模型的差别主要在于内存的分配方式。

A、fork/exec模型下，首先调用fork函数为新任务创建一份与父任务完全相同的内存空间，然后再调用exec函数装入新任务的代码，并用它来覆盖原有的属于父任务的内容。嵌入式Linux操作系统是基于fork/exec模型的。

B、spawn模式下，在创建新任务的时候，直接为它分配一个全新的地址空间，然后将新任务的代码装入并运行。uCOS操作系统是基于 spawn模型的。

任务的中止可能有多种原因，主要有下面三种情况：

A、正常退出。

B、错误推出。

C、被其他任务踢出。

在有些嵌入式系统中，尤其是一些控制系统中，它的某些任务被设计为“死循环”的模式，一直循环下去，不会中止。

（6）任务的状态任务有三中基本状态：

A、 运行状态：任务占有 CPU，并在CPU上运行。

B、 就绪状态：任务已经具备运行的条件，在等待 CPU空闲。

C、 阻塞状态：任务因为正在等待某种事件的发生而暂时不能运行。

对于就绪状态和阻塞状态，它们的相同之处在于，任务都是处于暂停状态，没有运行。不同之处在于，暂停的原因是不一样的，导致就绪状态的原因是外因，是操作系统的CPU正忙，而导致阻塞状态的原因是内因，是任务自身的问题。

任务状态的四种转换关系：

A、 运行à阻塞：任务由于等待某个时间被阻塞起来。

B、 运行à就绪：调度器由于某种原因（例如优先级）选择了另一个任务去运行。

C、 就绪à运行：CPU空闲了，处于就绪状态的任务被调度器选中去运行。

D、阻塞à就绪：任务的等待事件完成，具备了继续运行的条件。

（7）任务控制块 TCB

任务控制块 TCB，就是在操作系统中，用来描述和管理一个任务的数据结构。系统为每一个任务都维护了一个相应的TCB，用来保存该任务的各种相关信息。它的主要内容包括下面几项：

A、 任务的管理信息：任务的标识 ID、状态、优先级、调度信息、各种队列指针等。

B、 CPU 上下文信息：CPU各种寄存器当前的值以及逻辑寄存器。

C、 资源管理的信息：段表地址、页表地址、根目录、文件描述字等。

当需要创建一个任务的时候，就为它生成一个 TCB，并初始化这个 TCB的内容；当需要中止一个任务的时候，只要回收它的TCB就可以了。

（8）任务的切换

基本思想：把当前任务的运行上下文保存起来，并恢复新任务的上下文。

任务切换通常有下面的基本步骤：

A、将处理器的运行上下文保存在当前任务的 TCB中。

B、更新当前任务的状态，从运行状态变为就绪状态或阻塞状态。

C、按照一定的策略，从所有处于就绪状态的任务中选择一个去运行。

D、修改新任务的状态，从就绪状态变成运行状态。

E、根据新任务的 TCB的内容，恢复它的运行上下文环境。

在一个多任务的操作系统中，采用任务队列的方式来组织它的所有任务。由操作系统来维护一组队列，用来表示系统当中所有任务的当前状态，不同的状态用不同的队列来标志。

（9）任务的调度

调度器可以看作CPU 的资源管理者。

任务调度的首要问题是：何时进行调度，即调度发生的时机。一般有下面几种情形：

A、一个新任务被创建时，需要决定运行新任务还是继续执行父任务。

B、一个任务运行结束时，需要从就绪队列中选择某个任务去运行。

C、一个任务运行阻塞时，需要选择另一个任务去运行。

D、一个I/O操作完成，任务阻塞结束，立即执行新就绪任务还是继续执行被中断任务。

E、一个时钟节拍结束时，需要对就绪任务重新调度。

任务调度的第二个问题是：如何调度，即调度方式。主要有两种方式：

A、不可抢占调度方式：例如时间片轮转。

B、可抢占调度方式：例如优先级调度。

实时操作系统大都采用可抢占调度方式。

任务调度的第三个问题是：调度算法。

A、 先来先服务算法：按照任务到达的先后次序进行调度，是不可抢占的调度方式。

B、 短作业优先算法：各个任务开始执行之前，事先预计好它的执行时间，从中选择用时较短的任务优先执行。

C、 时间片轮转算法：所有的就绪任务按照先来先服务的原则排成一个队列。在每次调度的时候，把处理器分派给队列当中的第一个任务，让它去执行一小段时间。在这个时间段里任务被阻塞或由于其他原因暂停，或者任务的时间片用完了，它会被送到就绪队列的末尾，然后调度器再执行当前队列的第一个任务。这种算法的优点是各个就绪任务都平均地分配使用CPU的时间，每个就绪任务都能一直保持着活动性。时间片轮转法有一个默认前提，即位于就绪队列中的各个任务是同等重要的。

D、优先级算法：给每个任务都设置一个优先级。然后在任务调度的时候，在所有处于就绪状态的任务中选择优先级最高的那个任务去运行。采用优先级调度算法的一个问题是可能会发生优先级反转（教程P285），出现任务“饥饿”现象。

（10）实时系统调度

对于RTOS调度器来说，任务之间的公平性并不是最重要的，它追求的是实时性。

A、单调速率调度算法（RMS）：任务的优先级与它的周期表现为单调函数的关系，任务的周期越短，优先级越高，任务的周期越长，优先级越低。RMS假定任务是相同独立的、周期性的、任务在能够在任何位置被抢占，而实际中的系统，任务之间需要进行通信和同步，这是一种理想的调度方法，实际中并不一定存在。

B、最早期限优先法（EDF）：根据任务的截止时间来确定其优先级，对于时间限期最近的任务，分配最高的优先级。当有一个新的任务处于就绪状态时，各个任务的优先级就有可能要进行调整，选择截止时间最近的任务去运行。

（11）任务互斥

A、任务之间的关系：相互独立、任务互斥、任务同步、任务通信。

B、任务间的互斥：当前已经有一个任务正在访问临界区共享数据，那么其他任务暂时不能访问。

C、提出互斥访问的四个条件：

a、在任何时候最多只能有一个任务位于它的临界区中。

b、不能事先假定 CPU的个数和系统的运行速度。

c、没有任务位于它的临界区中，它不妨碍其他任务去访问临界区资源。

d、任何一个任务进入临界区的请求必须在有限的时间内得到满足，不能无限期。

D、任务互斥的解决方案：

a、关闭中断法

b、繁忙等待法

c、信号量处理

（12）信号量

信号量记录当前可用资源的数量。

信号量由操作系统维护，任务不能直接去修改它的值，只能通过初始化和两个标准原语（PV原语）来对它进行访问。

注：关于原语。

原语通常由若干条语句组成，用来实现某个特点的操作，并通过一段不可分割或不可中断的程序来实现其功能。原语时操作系统内核的一个组成部分，必须在内核态下执行。原语的不可中断性是通过在其执行过程中关闭中断来实现的。关键要理解PV 原语的实现：

P(semaphores S)
{
    --S.count; //申请一个资源
    if(S.count < 0) //没有空闲资源
    {
        将当前任务阻塞起来，加到阻塞队列末尾，调度新的任务运行。
    }
}
V(semaphores S)
{
    ++S.count; //释放一个资源
    if(S.count <= 0) //有任务被阻塞
    {
        从阻塞队列中取出一个任务，把该任务改为就绪状态，插入就绪队列。
    }
}

利用操作系统提供的信号量机制，可以方便、有效地实现对临界资源的互斥访问，优点有两个：

A、可以设置信号量的计数值，从而允许多个任务同时进入临界区。

B、当一个任务暂时无法进入临界区时，它会被阻塞起来，将 CPU让给其他任务。

（13）任务同步

任务之间的同步可以使用信号量机制，通过引入PV操作来设定两个任务在运行时的先后顺序。例如，可以把信号量视为某个共享资源的当前个数，然后由一个任务负责生成这种资源，而另一个任务则负责消费这种资源，这样可以构成两个任务之间的先后顺序。在具体实现上，一般把信号量的初始值设为 N，N大于或等于0。然后在一个任务内使用 V原语，把信号量加 1，而在另外一个任务内部使用P原语，将信号量减 1，从而实现这两个任务之间的同步关系。