【嵌入式系统设计师（软考中级）】第三章：嵌入式系统软件基础知识——①软件及操作系统基础

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1. 嵌入式系统软件基础知识

1.1 嵌入式软件分类

嵌入式软件按照功能和作用可以分为以下几个类别：

• 系统软件：如引导程序（Bootloader）、板级支持包（BSP）等，负责系统的初始化和底层驱动。
• 支撑软件：包括文件系统、数据库、图形界面（GUI）等，为应用提供运行环境。
• 中间件：在操作系统和应用之间提供服务，如通信协议栈、分布式对象系统等。
• 可配置组件：可以根据需求进行动态配置的模块，提升系统的灵活性。
• 应用软件：直接面向用户或实现具体功能的程序，如控制逻辑、数据处理等。

1.2 嵌入式系统初始化

嵌入式系统的启动过程是整个系统运行的基础，主要包括以下两个关键部分：

• 系统引导（Bootloader）
  Bootloader（系统引导程序）是嵌入式系统启动的第一段代码，主要完成三项核心工作：1）硬件初始化（时钟、内存、外设等）；2）加载操作系统镜像到内存；3）跳转到OS入口。典型代表如U-Boot支持多种架构，提供网络、存储等扩展功能。其执行流程为：ROM代码→Bootloader阶段1（低级初始化）→阶段2（高级功能）→启动内核。

• 板级支持包（BSP）
  BSP（板级支持包）是硬件与操作系统间的适配层，包含：1）处理器特定代码（中断控制器、定时器驱动）；2）板级硬件抽象（GPIO映射、存储器配置）；3）设备驱动框架。开发时需根据具体硬件修改BSP，如调整内存映射表、实现定制外设驱动等。

Bootloader与BSP的关系是：Bootloader依赖BSP完成基础硬件初始化，而OS通过BSP管理硬件资源。两者共同确保系统从启动到运行的平滑过渡。

系统启动流程如下图所示：

1.3 无操作系统支持的嵌入式软件体系结构

在一些资源受限或对实时性要求极高的系统中，可能不使用操作系统。这类系统通常采用轮询机制或中断服务程序来实现任务调度，具有结构简单、响应迅速的特点，但缺乏多任务管理和资源调度能力。

1.4 有操作系统支持的嵌入式软件体系结构

引入嵌入式操作系统后，系统具备了多任务管理、内存管理、设备驱动抽象、文件系统支持等功能，提高了系统的稳定性、可移植性和可扩展性。典型的嵌入式操作系统包括 FreeRTOS、VxWorks、μC/OS、Linux 等。

1.5 嵌入式支撑软件

嵌入式支撑软件为应用开发提供基础服务，主要包括：

• 嵌入式文件系统：如 FAT、JFFS、YAFFS、EXT 等，适用于不同存储介质和应用场景。
• 嵌入式数据库：轻量级数据库如 SQLite、TinyDB，用于本地数据存储与查询。
• 分布式对象系统：如 CORBA、DDS，支持跨平台通信与数据共享。
• 图形用户界面（GUI）：如 Qt、MiniGUI、LVGL，用于构建可视化交互界面。

2. 嵌入式操作系统基础知识

2.1 嵌入式操作系统基本概念

嵌入式操作系统（Embedded OS）是专为嵌入式系统设计的操作系统，具有体积小、功耗低、实时性强、可裁剪等特点。它通常运行在资源有限的处理器上，如 ARM、MIPS、RISC-V 等架构。

2.2 处理器管理

2.2.1 多道程序

多道程序是指允许多个程序同时驻留在内存中，通过分时共享 CPU 资源来提高系统利用率。核心特点为：

• 并发执行：多个程序交替占用 CPU，宏观上"同时"运行。
• 资源复用：CPU、内存、I/O 设备等资源被多个程序共享。
• 调度机制：采用时间片轮转（Round-Robin）或优先级调度决定哪个程序先执行。

2.2.2 分区、进程、线程、任务的概念

• 分区：将系统资源（内存、CPU、外设等）划分为多个独立区域，用于隔离不同功能模块或应用程序。防止一个模块崩溃影响整个系统（如微内核架构）。关键任务独占分区，避免资源竞争。
• 进程：程序的执行实例，拥有独立的地址空间、文件描述符等资源。进程间通常不直接共享内存（需 IPC 机制，如管道、消息队列）。
• 线程：进程内的执行单元，共享同一进程的资源（如内存、文件句柄）。线程间可直接读写共享数据（需同步机制，如互斥锁）。
• 任务（Task）：通常指实时调度的基本单位，内存占用极简（可能无MMU支持）。

2.2.3 任务管理

由操作系统内核提供完整的管理机制，包括：

• 创建：分配任务控制块（TCB），设置优先级和栈空间
• 调度：基于优先级或时间片的就绪队列管理
• 同步：通过信号量、事件标志等机制实现任务协调
• 状态控制：支持挂起、恢复、删除等操作
• 资源回收：任务终止时自动释放占用的系统资源

2.2.4 任务调度

抢占式调度：

• 高优先级任务可以随时中断低优先级任务的执行，例如任务A在运行过程中，突然来了任务B，如果任务B优先级更高，则CPU会挂起任务A先直接抢占执行任务B。

非抢占式调度：

• 任务一旦获得CPU就会一直运行，直到完成或主动放弃CPU，例如任务A在运行过程中，突然来了任务B，即使任务B优先级更高，CPU也会先执行完任务A，等到任务A主动放弃CPU后才会执行优先级更高的任务B。

2.2.5 优先级反转问题

优先级反转是指高优先级任务被迫等待低优先级任务的情况，通常发生在资源共享时。

这张图展示了在没有优先级继承和有优先级继承两种情况下，优先级抢占对系统行为的影响。我们可以通过对比这两种情况来理解优先级继承的作用。

没有优先级继承的情况

1. 初始状态：

   • 低优先级线程（绿色）获得锁并开始执行。

2. 高优先级线程介入：

   • 高优先级线程（红色）尝试获取锁，但因为锁被低优先级线程持有，所以它进入等待状态。
   • 此时，中等优先级线程（橙色）可以抢占低优先级线程的CPU资源，并开始执行。
   • 低优先级线程被挂起，直到中等优先级线程释放CPU资源。

3. 锁释放与重新获取：

   • 当低优先级线程再次获得CPU资源并释放锁后，高优先级线程才能继续执行。
   • 在此过程中，高优先级线程经历了不必要的延迟，这种现象被称为“优先级反转”。

有优先级继承的情况

1. 初始状态：

   • 低优先级线程（绿色）获得锁并开始执行。

2. 高优先级线程介入：

   • 高优先级线程（红色）尝试获取锁，但因为锁被低优先级线程持有，所以它进入等待状态。
   • 此时，低优先级线程的优先级被临时提升到高优先级线程的级别，以防止中等优先级线程（橙色）抢占其CPU资源。
   • 因此，低优先级线程能够尽快完成其任务并释放锁。

3. 锁释放与恢复优先级：

   • 当低优先级线程释放锁后，其优先级恢复到原来的低优先级。
   • 高优先级线程立即获得锁并继续执行，避免了不必要的延迟。

总结：通过优先级继承机制，当一个低优先级线程持有某个资源（如锁），而高优先级线程需要访问该资源时，低优先级线程的优先级会被临时提升，以确保它能尽快完成任务并释放资源。这样可以避免优先级反转问题，保证高优先级线程能够及时得到所需的资源，从而提高系统的实时性和响应性。

2.2.6 任务间通信

• 共享内存：多个任务直接访问同一块内存区域进行数据交换，需配合同步机制避免冲突。
• 消息队列：内核维护的FIFO缓冲区，任务通过发送/接收结构化消息实现异步通信。
• 邮箱：简化版消息队列，通常只允许存储单条消息，提供消息通知机制。
• 管道：基于文件描述符的字节流通信方式，支持单向数据流动，常用于父子进程通信。
• 信号量：用于控制资源访问的计数器，实现任务间的同步/互斥，分二进制和计数型两种。

2.2.7 同步与互斥

• 互斥：在多线程或多进程环境中，为了防止同时访问共享资源而引起的数据不一致问题，可以使用信号量实现互斥访问。这通常通过一个初始值为1的二进制信号量来完成，也称为互斥锁。任何需要访问共享资源的线程必须首先执行P操作以获得锁，访问结束后执行V操作释放锁。

• 同步：信号量也可以用来控制进程或线程之间的执行顺序，确保某些事件按照预定的顺序发生。例如，在生产者-消费者问题中，可以通过两个信号量分别控制缓冲区的空位数量和满位数量，从而协调生产者和消费者的行为。

在同步与互斥机制中，"PV操作"是一种经典的信号量（Semaphore）操作，用于解决进程或线程间的同步和互斥问题。

“P操作"和"V操作"这两个术语来源于荷兰语：“Proberen”(尝试)和"Verhogen”(增加)，它们是由计算机科学家艾兹赫尔·戴克斯特拉（Edsger Dijkstra）提出。

• P操作（Proberen, 减少）：通常被理解为“等待”或“减量”操作。当一个进程执行P操作时，如果当前信号量的值大于0，该值将减1，并且进程可以继续执行；如果信号量的值0，表示没有可用资源或者需要等待的条件尚未满足，这时进程会被阻塞，直到有其他进程执行了V操作使得信号量的值变为正数。

• V操作（Verhogen, 增加）：通常被理解为“释放”或“增量”操作。当一个进程执行V操作时，它会增加信号量的值。如果此时有其他进程正在等待这个信号量（即之前执行P操作后被阻塞的进程），那么其中一个（或者多个，取决于信号量的类型是二进制还是计数）将会被唤醒并允许继续执行。

2.2.8 高可靠性系统的分区调度与通信

采用分区机制（如 ARINC 653 标准），将系统划分为多个隔离的时间与空间分区，保证关键任务的实时性和安全性。

2.3 存储管理

2.3.1 存储管理方式

• 连续分配：程序装入内存时分配连续的物理地址空间，包括单一连续分配和固定/可变分区分配。
  • 优势：实现简单，访问速度快（无地址转换开销），适合静态程序。
  • 劣势：内存碎片化严重（外部碎片），内存利用率低，程序大小受分区限制
• 离散分配：将程序分散存储在非连续的物理内存中，通过分页/分段/段页式机制实现地址映射。
  • 优势：提高内存利用率（减少碎片），支持动态加载，程序大小不受物理内存限制
  • 劣势：实现复杂，需要硬件支持（MMU），存在地址转换开销（页表/段表查询）

2.3.2 分区存储管理

• 固定分区：静态划分内存区域。
• 可变分区：根据任务大小动态划分。
• 内存保护：防止非法访问其他任务的内存空间。

2.3.3 地址重定位

地址重定位是指将程序中的逻辑地址（相对地址）转换为内存中实际物理地址的过程，这是实现多道程序运行的关键技术。

在程序编译时生成的逻辑地址需要通过静态重定位（程序装入时一次性转换）或动态重定位（运行时通过内存管理单元MMU实时转换）映射为物理地址，其中动态重定位是现代操作系统的主流方式，它通过页表、段表等映射机制实现地址转换，既支持虚拟内存管理，又能实现内存访问保护和共享。

这种机制的优势在于提高了内存利用率，使程序可以分散存储在非连续的物理内存中，同时支持内存保护和进程隔离；但需要硬件MMU的支持，且地址转换会带来一定的性能开销。

2.3.4 页式存储管理

将内存划分为固定大小的“页”，便于管理与调度。

2.3.5 虚拟存储技术

• 程序局部性原理

  • 时间局部性：最近被访问的数据很可能短期内再次被访问
  • 空间局部性：程序倾向于访问邻近当前地址的内存区域

• 虚拟页式存储管理
  将进程地址空间划分为固定大小的页（Page），通过页表实现虚拟地址到物理地址的映射，支持按需调页和页面置换

• 页面置换算法

  • FIFO：替换最先进入内存的页面，实现简单但效率较低
  • LRU（最近最少使用）：替换最长时间未被访问的页面，效果较好但实现复杂
  • OPT（最优置换）：理论最优算法，替换未来最长时间不被访问的页面（实际无法实现）

2.4 设备管理

2.4.1 物理设备、逻辑设备、虚拟设备

• 物理设备：实际存在的硬件。
• 逻辑设备：操作系统提供的抽象接口。
• 虚拟设备：通过软件模拟的设备。

2.4.2 设备分类

• 字符设备：按字节顺序访问（如串口）。
• 块设备：按固定大小的数据块读写（如硬盘）。
• 网络设备：处理网络通信。

2.4.3 设备管理方式

• 设备文件：Linux系统将硬件设备抽象为/dev目录下的特殊文件，通过标准文件操作接口（open/read/write）访问设备。
• 设备无关性：操作系统提供统一的设备访问接口，使应用程序无需关心具体设备的硬件特性差异。
• 中断处理：当外设完成I/O操作时通过中断信号通知CPU，由中断服务程序进行即时响应和处理。
• 缓冲技术：在内存中建立数据缓冲区，用于平滑CPU与I/O设备间的速度差异，减少中断次数。
• 假脱机技术（SPOOLing）：将独占设备虚拟为多个共享设备，典型应用如打印任务队列管理。

2.4.4 设备驱动程序

驱动程序是操作系统与硬件之间的桥梁，负责控制和管理设备的行为。

2.5 文件系统

2.5.1 文件与目录

• 文件是信息的基本单位。
• 目录用于组织文件结构。

2.5.2 文件结构与组织

• 连续结构、链式结构、索引结构等。

2.5.3 存取方法与存取控制

• 随机访问、顺序访问。
• 权限控制、加密等。

2.5.4 常见嵌入式文件系统

• FAT：兼容性好，适合小型存储。
• RAMFS：基于内存的文件系统，速度快。
• ROMFS：只读文件系统，适合固件。
• JFFS/JFFS2：适用于 NOR Flash。
• YAFFS/YAFFS2：针对 NAND Flash 的优化。
• EXT4：Linux 常用，功能丰富。

2.5.5 网络文件系统

• NFS（Network File System）：远程挂载文件系统。

2.6 操作系统移植

操作系统移植是指将操作系统适配到新的硬件平台，主要包括以下步骤：

• 硬件配置分析
• BSP 移植：修改底层硬件初始化代码。
• 驱动移植：编写或适配外设驱动。
• 系统配置：选择内核模块、配置参数。
• 交叉编译：在宿主机上编译目标平台的代码。
• 部署与测试：烧录镜像、验证功能。

嵌入式系统的开发是一个软硬件协同的过程，理解嵌入式软件体系结构与操作系统的工作机制是构建高效、稳定、可靠系统的关键。