B – 1: So sánh đặc điểm của CISC và RISC
4.4 Hệ điều hành thời gian thực
QNX là một ví dụ điển hình về hệ thống thời gian thực RTOS được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về lập lịch rất khắt khe. QNX cũng chưa thực sự phù hợp để có thể được thực thi cho các hệ thống nhúng bởi vì nó đòi hỏi dung lượng bộ nhớ không nhỏ và thường phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi về độ an toàn và độ tin cậy lớn.
Hệ thống điều hành thời gian thực là hệ điều hành hỗ trợ khả năng xây dựng các hệ thống thời gian thực.
Hình 4-4: So sánh kiến trúc RTOS và OS chuẩn
Hệ thống điều hành với phần lõi là hạt nhân phải đảm nhiệm các tác vụ chính như sau:
Xử lý ngắt
Lưu trữ ngữ cảnh chương trình tại thời điểm xuất hiện ngắt
Nhận dạng và lựa chọn đúng bộ xử lý và phục vụ dịch vụ ngắt Điều khiển quá trình
Tạo và kết thúc quá trình/tác vụ
Lập lịch và điều phối hoạt động hệ thống
Định thời Điều khiển ngoại vi
Xử lý ngắt
Khởi tạo giao tiếp vào ra
Hình 4-5: cấu trúc hệ điều hành thời gian thực
Tùy theo cơ chế thực hiện và xây dựng hoạt động của hạt nhân người ta phân loại một số loại hình:
(1) Hệ thống thời gian thực nhỏ: Với loại này các phần mềm được phát triển mà không cần có hệ điều hành, người lập trình phải tự quản lý và xử lý các vấn đề về điều khiển hệ thống bao gồm:
Xử lý ngắt
Điều khiển quá trình/ tác vụ
Quản lý bộ nhớ (2) Công nghệ đa nhiệm
Mỗi quá trình có một không gian bộ nhớ riêng
Các quá trình phải được chia nhỏ thành các Thread cùng chia sẻ không gian bộ nhớ.
(3) Các dịch vụ cung cấp bởi hạt nhân
Tạo và kết thúc quá trình/ tác vụ
Truyền thống giữa các quá trình
Các dịch vụ về định thời gian
Một số các dịch vụ cung cấp hỗ trợ việc thực thi liên quan đến điều khiển hệ thống
Đặc điểm cơ bản của hạt nhân thời gian thực điển hình:
Kích thước nhỏ (lưu trữ toàn bộ trong ROM)
Hệ thống ngắt
Không nhất thiết phải có các cơ chế bảo vệ
Chỉ hỗ trợ phần kiểm tra chương trình ứng dụng
Tăng tốc độ chuyển ngữ cảnh và truyền thông giữa các quá trình
Khi các quá trình ứng dụng đang thực hiện thì các yêu cầu hệ thống điều hành có thể được thực hiện thông qua các lời gọi hàm thay vì sử dụng cơ chế ngắt mềm
Vi hạt nhân (Micro - kernel): Bao gồm một tập nhỏ các dịch vụ hỗ trợ
8
This Document is Prepared by Dr. Bui Trung Thanh
Các dịch vụ truyền thông giữa các quá trình nếu cần
Các phần mềm điều khiển thiết bị là các quá trình ứng dụng Hạt nhân điển hình cơ bản
Loại hạt nhân đơn giản nhất là một vòng lặp vô hạn thăm dò các sự kiện xuất hiện trong hệ thống và phản ứng lại theo sự thay đổi nếu có.
Với một bộ xử lý cấu hình nhỏ nhất, không phải lúc nào nó cũng có thể lưu cất ngữ cảnh vì không thể thay đổi con trỏ ngăn xếp hoặc vùng ngăn xếp rất hạn chế.
Thay vì sử dụng các thanh ghi thiết bị, vòng lặp thăm dò có thể giám sát các biến mà chịu sự thay đổi cập nhật bởi các bộ xử lý ngắt.
Hạt nhân có thể được xây dựng sao cho tất cả các tín hiệu logic được điều khiển bởi vòng lặp và nhịp được điều khiển bởi các ngắt.
Các tác vụ lớn cần nhiều thời gian thực hiện có thể được chia nhỏ thành các tác vụ nhỏ và được thực hiện tại các thời điểm khác nhau nhờ vào cơ chế chuyển và sử dụng bộ đếm.
Các hạt nhân thực thi theo cơ chế ngắt rất giống với loại hạt nhân thực hiện theo cơ chế vòng lặp thăm dò. Nó xử lý tất cả các tác vụ thông qua các dịch vụ ngắt.
Các hạt nhân lớn và phức tạp hơn sẽ bao gồm một số các dịch vụ phụ phục vụ cho việc truyền thông giữa các quá trình. Và nếu được bổ sung đầy đủ nó sẽ trở thành một hệ điều hành đầy đủ.
Các kiểu loại hạt nhân cơ bản
Hạt nhân thực hiện vòng lặp thăm dò
Hạt nhân thực hiện theo cơ chế ngắt
Hạt nhân quá trình vận hành quá trình
kích thước phần mềm, tuy nhiên riêng loại hạt nhân vận hành theo quá trình không phù hợp với các bộ xử lý nhỏ.
Hạt nhân quá trình
Các hạt nhân quá trình rõ ràng là phức tạp hơn các hạt nhân thực hiện theo cơ chế thăm dò và điều khiển ngắt. Các đường truyền tín hiệu logic bên trong các quá trình và các dịch vụ ngắt được tích hợp và thực hiện thông qua việc truyền dữ liệu.
Hình 4-6: mô hình trạng thái của quá trình
Hạt nhân sẽ phải đảm nhiệm chức năng lập lịch cho các quá trình theo đúng mô hình trạng thái.
RUN: quá trình được thực hiện
WAIT: các quá trình chờ một sự kiện hoặc tín hiệu vào ra kích hoạt quá trình
READY: các quá trình sẵn sàng được thực hiện
Các phần tử thuộc tính của một quá trình: Các phần tử này cần thiết để phục vụ cho việc lập lịch. Ví dụ đối với cơ chế lập lịch theo mức độ ưu tiên sẽ yêu cầu thông tin sau với mỗi quá trình:
Tên (địa chỉ bộ nhớ của phần tử quá trình)
Trạng thái: RUN, WAIT, READY
Mức độ ưu tiên
CHƯƠNG 5