Tài liệu Hệ thời gian thực nhằm trình bày các nội dung chính tổng quan về hệ điều thời gian thực, hệ điều hành thời gian thực, kỹ thuật lập trình thời gian thực, thiết kế ứng dụng thời gian thực.
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Tài liệu Hệ thời gian thực
- H th i gian th c
M CL C
Gi i thi u :
CH NG 1 : T NG QUAN V H TH I GIAN TH!C
1. Khái ni m h th&ng th i gian th c :
2. Các lo*i h th&ng th i gian th c:
3. ,-c .i/m c0a các h th&ng th i gian th c
4. Th i gian trong h th&ng th i gian th c:
4.1. ,3ng h3 h th&ng:
4.2. Các lo*i .3ng h3 h th&ng:
4.3. Quan ni m v6 s r i r*c th i gian:
4.4. Ràng bu;c v6 th i gian:
5. X> lý th i gian th c
6. H th&ng .i6u khi/n và h th i gian th c
CH NG 2 : H ,I U HÀNH TH I GIAN TH!C
1. ,*i cCDng v6 h .i6u hành th i gian th c
1.1. H .i6u hành
1.2. H .i6u hành th i gian th c so vEi h .i6u hành trên PC
1.3. ,-c .i/m c0a h .i6u hành th i gian th c
1.4. Phân lo*i h .i6u hành th i gian th c
4.1. H i u hành th i gian th c nh v i m c ích th ng m i
4.2. H i u hành th i gian th c m r ng t i Unix và các h i u hành khác
4.3. Các nhân cho m c ích nghiên c*u
2.TI chJc và kiKn trúc h .i6u hành th i gian th c
2.1. T ng quan
2.2. Các ki+n trúc h i u hành
2.2.1.Vi h t nhân :
2.2.2. n h t nhân:
2.3. H*t nhân h .i6u hành th i gian th c
2.3.1.H th-ng th i gian th c nh :
2.3.2. Công ngh a nhi m
2.3..3. Các d1ch v cung c2p b i h t nhân
3. Các dNch vO cD bPn
3.1. Tác v và các tr ng thái tác v
3.2. B l8p l1ch
3.3. Tác v và d9 li u
3.4. :èn báo và chia s= d9 li u (Semaphore)
4. Các dNch vO mQ r;ng c0a RTOS thCDng m*i
4.1. Message Queues, Mailboxes và Piles
a. Hàng Fi - Queue
b. Mailbox
c. Pipe
d. SH d ng queue, mailbox, pipe
1
- H th i gian th c
4.2. Ch*c nJng b 1nh th i (Timer Functions)
4.3. Các s ki n - Event
4.4. Các hàm ngMt trong môi tr ng RTOS
5. GiEi thi u m;t s& h .i6u hành th i gian th c
5.1. RTX51-Real Time Operating System
5.2. ARTX-Advanced Real Time Operating System
5.3. TC/OS
5.4. QNX Neutrino
a. Ki n trúc microkernel
b. Giao ti p liên quá trình d&a trên vi c truy)n th*ng ,i p
CH NG 3 : KT THUT LUP TRÌNH TH I GIAN TH!C
1 Tác vO và quá trình (process)
2. ,a nhi m (Multitasking) và .3ng th i (Concurrency)
2 L^p lNch (Scheduling)
2.1 Các khái ni m
2.2 Các phCDng pháp l^p lNch phI biKn
2.2.1.L^p lNch offline/tanh:
2.2.2.L^p lNch online/.;ng:
2.2.3.L^p lNch t^p trung ho-c phân tán:
2.2.4.L^p lNch Mono hay Multi-processor:
2.3 Kc thu^t l^p lNch
2.3.1.FCFS
2.3.2.Shortest Job First -SJF
2.3.3.Rate monotonic (RM):
2.3.4.Earliest-deadline-first (EDF)
2.3..5Minimum Laxity first (MLF)
2.3.6.Round Robin
3 Truy6n thông và .3ng b;
3.1 Semaphore
3.2.Các lo*i Semaphore
3.3 Monitor
3.4 X> lý ngjt
CH NG 4 : THIkT Kk lNG D NG TH I GIAN TH!C
1. B; .Nnh th i gian c0a 8051
2.1 Các thanh ghi cD sQ c0a b; .Nnh th i.
2.1.1 Các thanh ghi c0a b; Timer 0.
2.1.2 Các thanh ghi c0a b; Timer 1.
2.1.3 Thanh ghi TMOD (chK .; c0a b; .Nnh th i).
a.Các bít M1, M0:
b. C/ T ( Xng hX/ b 1nh th i).
c. Bít cYng GATE.
2.1.4 Ngu3n xung .3ng h3 cho b; .Nnh th i:
2
- H th i gian th c
1.2. Các chK .; c0a b; .Nnh th i
1.2.1 L^p trình cho chK .; Mode1.
1.2.2. Các bCEc l^p trình Q chK .; Mode 1.
1.2.3 Tìm các giá trN cpn .Cqc n*p vào b; .Nnh th i.
1.2.4 ChK .; 0.
1.2.5 L^p trình chK .; 2.
2. L^p trình x> lý ngjt
3
- H th i gian th c
GIrI THI U
Giáo trình này nh2m cung c3p cho sinh viên các n5i dung ch6 y u sau ,ây
- T9ng quan v) h th*ng th:i gian th&c và ;ng d
- H th i gian th c
CH NG 1 :
T NG QUAN V H TH I GIAN TH!C
REALTIME SYSTEM - RTS
MOc .ích : GiEi thi u tIng quan v6 mô hình h th i gian th c, các khái ni m
cD bPn c0a h th i gian th c, .-c .i/m c0a các h th i gian th c, phân bi t các
h th i gian th c . ChCDng này cvng .3ng th i giEi thi u h th&ng .i6u khi/n
vEi th i gian th c
Trong nhGng nHm gIn ,ây, các h th*ng ,i)u khiKn theo th:i gian th&c là
m5t trong nhGng lLnh v&c thu hút nhi)u s& chú ý trong gi i khoa hNc nghiên c;u
v) khoa hNc máy tính. Trong ,ó, v3n ,) ,i)u hành th:i gian th&c và v3n ,) lPp lFch
là ,Qc bi t quan trNng. M5t s* ;ng d
- H th i gian th c
V) mQt c3u t o, RTS th?:ng ,?Bc c3u thành t_ các thành t* chính sau :
- fng hf th:i gian th&c : Cung c3p thông tin th:i gian th&c.
-B5 ,i)u khiKn ng[t : QuCn lý các bi n c* không theo chu kh.
-B5 ,Fnh biKu : QuCn lý các qua trình th&c hi n.
-B5 quCn lý tài nguyên : Cung c3p các tài nguyên máy tính.
-B5 ,i)u khiKn th&c hi n : Khdi ,5ng các ti n trình.
Các thành t* trên có thK ,?Bc phân ,Fnh là thành phIn c;ng hay m)m tùy
thu5c vào h th*ng và ý nghLa sZ d
- H th i gian th c
s& giao ti p v i h ,i)u hành (H H) cpng nh? không cho phép ng?:i sZ d
- H th i gian th c
,?a ra k t quC phCn ;ng m5t cách kFp th:i. Tuy tính nhanh nh y là m5t ,Qc ,iKm
tiêu biKu, nh?ng m5t h th*ng có tính nHng th:i gian th&c không nh3t thi t phCi có
,áp ;ng thPt nhanh mà quan trNng h n là phCi có phCn ;ng kFp th:i ,*i v i các yêu
cIu, tác ,5ng bên ngoài.
* Tính ,fng th:i: H th*ng phCi có khC nHng phCn ;ng và xZ lý ,fng th:i nhi)u s&
ki n dinn ra. Có thK, cùng m5t lúc m5t b5 ,i)u khiKn ,?Bc yêu cIu th&c hi n nhi)u
vòng ,i)u ch\nh, giám sát ng?wng giá trF nhi)u ,Iu vào, cCnh gi i tr ng thái làm
vi c c6a m5t s* ,5ng c .
* Tính ti)n ,Fnh: D& ,oán tr? c ,?Bc th:i gian phCn ;ng tiêu biKu, th:i gian phCn
;ng chPm nh3t cpng nh? trình t& ,?a ra các phCn ;ng. N u m5t b5 ,i)u khiKn phCi
xZ lý ,fng th:i nhi)u nhi m v
- H th i gian th c
trình ,i)u ph*i ng[t theo m5t chu kh ,6 nhv hBp lý, chu kh d h th*ng này vào
khoCng vài micrô giây.
Trong th&c t thì các RTS th?:ng d&a trên cách ti p cPn k t hBp giGa hai
quan ni m trên, th?:ng thì quan ,iKm (1) là n)n tCng có s& h9 trB c6a quan ,iKm(2).
4.4. Ràng bu;c v6 th i gian:
V i mei y u t* kích thích, h th*ng ti p nhPn vào m5t th:i ,iKm t0, h th*ng
ti n hành c3p phát tài nguyên, th&c hi n các xZ lý tính toán và hoàn t3t vi c trC l:i
vào th:i ,iKm tk khác sau ,ó.
M5t ràng bu5c t*i thiKu có thK ,?Bc ,Fnh nghLa qua b5 ba sau:
(ID, Tbegin(condition1), Tend(condition2))
Trong ,ó: ID : Ch\ s* c6a ti n trình
Tbegin(condition1) : Th:i gian b[t ,Iu ti n trình
Tend(condition2) : Th:i gian ti n trình hoàn t3t xZ lý
Ph< thu5c vào h th*ng và th:i gian xác ,Fnh ,?Bc tài nguyên cIn c3p phát,
cpng nh? quá trình giCi phóng tài nguyên sau khi ti n trình sZ d lý th i gian th c
XZ lý th:i gian th&c là hình th;c xZ lý thông tin trong m5t h th*ng ,K ,Cm
bCo tính nHng th:i gian th&c c6a nó. Nh? vPy, xZ lý th:i gian th&c cpng có các ,Qc
,iKm tiêu biKu nêu trên nh? tính bF ,5ng, tính nhanh nh y, tính ,fng th:i và tính
ti)n ,Fnh. K có thK phCn ;ng v i nhi)u s& ki n dinn ra cùng m5t lúc, m5t h th*ng
xZ lý th:i gian th&c sZ d
- H th i gian th c
Quá trình tính toán là m5t ti n trình th&c hi n m5t hoQc m5t phIn ch? ng
trình tuIn t& do h ,i)u hành quCn lý trên m5t máy tính, có thK tfn t i ,fng th:i v i
các quá trình khác kK cC trong th:i gian th&c hi n l nh và th:i gian x p hàng ch:
,Bi th&c hi n.
Các hình th;c t9 ch;c các quá trình tính toán ,fng th:i:
* XZ lý c nh tranh: Nhi)u quá trình tính toán chia sl th:i gian xZ lý thông tin c6a
m5t b5 xZ lý.
* XZ lý song song: Các quá trình tính toán ,?Bc phân chia th&c hi n song song trên
nhi)u b5 xZ lý c6a m5t máy tính.
* XZ lý phân tán: Mei quá trình tính toán ,?Bc th&c hi n riêng trên m5t máy tính.
Trong các hình th;c trên ,ây thì hình th;c xZ lý c nh tranh có vai trò ch6 ch*t. MQc
dù h th*ng ,i)u khiKn có thK có nhi)u tr m, và mei tr m có thK là m5t h ,a vi xZ
lý, s* l?Bng các quá trình tính toán cIn th&c hi n th?:ng bao gi: cpng l n h n s*
l?Bng vi xZ lý. Trong khi m5t vi xZ lý không thK th&c hi n song song nhi)u l nh, nó
phCi phân chia th:i gian ,K th&c hi n xen kW nhi)u nhi m v< khác nhau theo th; t&
tùy theo m;c ?u tiên và ph? ng pháp lPp lFch.
Trong các h th*ng ,i)u khiKn, khái ni m tác v< (task) cpng hay ,?Bc sZ
d
- H th i gian th c
Có thK nói, t3t các các h th*ng ,i)u khiKn là h th:i gian th&c. Ng?Bc l i,
m5t s* l n các h th*ng th:i gian th&c là các h th*ng ,i)u khiKn. Không có h
th*ng ,i)u khiKn nào có thK ho t ,5ng bình th?:ng n u nh? nó không ,áp ;ng ,?Bc
các yêu cIu v) th:i gian, b3t kK là h th*ng ,i)u khiKn nhi t ,5, ,i)u khiKn áp su3t,
,i)u khiKn l?u l?Bng hay ,i)u khiKn chuyKn ,5ng. M5t b5 ,i)u khiKn phCi ,?a ra
,?Bc tín hi u ,i)u khiKn kFp th:i sau m5t th:i gian nhPn ,?Bc tín hi u ,o ,K ,?a
quá trình ki thuPt v) tr ng thái mong mu*n. M5t m ng truy)n thông trong m5t h
th*ng ,i)u khiKn có tính nHng th:i gian th&c phCi có khC nHng truy)n tin m5t cách
tin cPy và kFp th:i ,*i v i các yêu cIu c6a các b5 ,i)u khiKn, các thi t bF vào/ra, các
thi t bF ,o và thi t bF ch3p hành. Tính nHng th:i gian th&c c6a m5t h th*ng ,i)u
khiKn phân tán không ch\ ph< thu5c vào tính nHng th:i gian th&c c6a t_ng thành
phIn trong h th*ng, mà còn ph< thu5c vào s& ph*i hBp ho t ,5ng giGa các thành
phIn ,ó.
Trong th&c t , yêu cIu v) tính th:i gian th&c ,*i v i mei ;ng d
- H th i gian th c
CH NG 2 :
H ,I U HÀNH TH I GIAN TH!C
REALTIME OPERATING SYSTEM – RTOS
MOc .ích : GiEi thi u v6 kiKn trúc c0a m;t h .i6u hành th i gian th c, các
khác bi t c0a h .i6u hành th i gian th c vEi các h .i6u hành PC. ,-c .i/m
và phân lo*i các h .i6u hành th i gian th c, vxn .6 x> lý th i gian trong h
.i6u hành th i gian th c. ChCDng này cvng .3ng th i giEi thi u m;t s& h .i6u
hành th i gian th c phI biKn nhC : Window Mobile, Symbyan ….
1. ,*i cCDng v6 h .i6u hành th i gian th c
1.1. H .i6u hành
Ngufn g*c ra ,:i c6a h ,i)u hành là ,K ,Cm nhi m vai trò trung gian ,K
t? ng tác tr&c ti p v i phIn c;ng c6a máy tính, ph
- H th i gian th c
1.2. H .i6u hành th i gian th c so vEi h .i6u hành trên PC
H ,i)u hành th:i gian th&c (RTOS) cho các h th*ng nhúng r3t khác so v i
h ,i)u hành trên máy tính desktop nh? Windows hay UNIX :
Th; nh3t, trên máy tính desktop h ,i)u hành sW chi m quy)n ,i)u khiKn
ngay sau khi máy ,?Bc bPt và sau ,ó m i cho chúng ta b[t ,Iu ;ng d
- H th i gian th c
Do các yêu cIu kh[t khe v) th:i gian, v) vi c sZ d
- H th i gian th c
Theo nhGng tiêu chubn POSIX - M5t khuynh h? ng giúp nhGng nhà thi t k
di chuyKn t_ h ,i)u hành th:i gian th&c này t i h ,i)u hành th:i gian th&c khác.
Qc bi t, b3t c; RTOS nào tuân theo chubn POSIX ,)u chia sl m5t chubn API
(giao di n lPp trình ;ng d
- H th i gian th c
4.2. H i u hành th i gian th c m r ng t i Unix và các h i u hành khác
Các h ,i)u hành này nh?: RT-UNIX, RT-LINUX, RT-MACH, RT-POSIX.
Chúng chPm h n và có khC nHng d& ,oán ít h n so v i các h ,i)u hành th:i gian
th&c th? ng m i d trên nh?ng chúng l i có nhi)u ch;c nHng và môi tr?:ng phát
triKn t*t h n d&a trên tPp các giao ti p chubn và thân thi n.
4.3. Các nhân cho m c ích nghiên c*u
Các h ,i)u hành này có các ,Qc ,iKm sau:
+ He trB các thuPt toán lPp lFch th:i gian th&c và vi c phân tích th:i gian.
+ He trB các dFch v< c bCn ,K ,fng b5 th:i gian th&c.
+ Nh3n m nh khC nHng d& ,oán h n là hi u nHng trung bình.
+ He trB cho khC nHng chFu lei.
Ví d< nh?: Spring, MARS, HARTOS, MARUTI, ARTS, CHAOS, DARK.
2.TI chJc và kiKn trúc h .i6u hành th i gian th c
2.1. T ng quan
Nh? chúng ta ,ã ,?Bc bi t ,*i v i các h th*ng th:i gian th&c, yêu cIu thi t
k m5t h ,i)u hành khá ,Qc bi t. H nhúng th:i gian th&c l i yêu cIu h
,i)u hành phCi th&c hi n v i m5t ngufn tài nguyên th?:ng r3t h n h•p. MQc dù
kích th? c b5 nh tích hBp on chip sW có thK tHng lên trong t? ng lai nh?ng v i s&
phát triKn hi n nay h ,i)u hành cho các h nhúng ch\ nên cw khoCng nhv h n 32
Kbytes.
H th*ng ,i)u hành ,Cm nhi m vi c ,i)u khiKn các ch;c nHng c bCn c6a h
th*ng bao gfm ch6 y u là quCn lý b5 nh , ngo i vi và vào ra giao ti p v i h th*ng
phIn c;ng. M5t ,iKm khác bi t c bCn nh? chúng ta ,ã bi t v) h ,i)u
hành v i các phIn m)m khác là nó th&c hi n ch;c nHng ,i)u khiKn s& ki n th&c
thi trong h th*ng. Có nghLa là nó th&c hi n các tác v< theo m nh l nh yêu cIu t_
các ch? ng trình ;ng d
- H th i gian th c
B*n nhân t* chính tác ,5ng tr&c ti p t i quá trình thi t k h ,i)u hành là :
(1) khC nHng th&c hi n,
(2) nHng l?Bng tiêu th<
(3) giá thành
(4) khC nHng t? ng thích.
Hi n nay chúng ta cpng có thK b[t gQp r3t nhi)u h ,i)u hành khác
nhau ,Qc bi t cho các h nhúng cpng vì s& tác ,5ng c6a 4 nhân t* nêu trên. HIu
h t chúng ,)u có kiKu d ng và giao di n khá gi*ng nhau nh?ng c ch quCn lý
và th&c thi các tác v< bên trong r3t khác nhau. Mei h ,i)u hành ,?Bc thi t
k ph
- H th i gian th c
,Dn h*t nhân:
KiKu ki n trúc monolithic cung c3p t3t cC ch;c nHng/dFch v< chính y u thông
qua m5t qua trình xZ lý , n ll. Chính vì vPy kích th? c c6a chúng th?:ng l n h n
kiKu ki n trúc vi h t nhân. Lo i hình ki n trúc này th?:ng ,?Bc áp d
- H th i gian th c
V i lo i này các phIn m)m ,?Bc phát triKn mà không cIn có h ,i)u hành, ng?:i
lPp trình phCi t& quCn lý và xZ lý các v3n ,) v) ,i)u khiKn h th*ng bao gfm:
XZ lý ng[t
i)u khiKn quá trình/ tác v<
QuCn lý b5 nh
(2) Công ngh a nhi m
Mei quá trình có m5t không gian b5 nh riêng
Các quá trình phCi ,?Bc chia nhv thành các Thread cùng chia sl không gian
b5 nh .
(3) Các d1ch v cung c2p b i h t nhân
T o và k t thúc quá trình/ tác v<
Truy)n th*ng giGa các quá trình
Các dFch v< v) ,Fnh th:i gian
M5t s* các dFch v< cung c3p he trB vi c th&c thi liên quan , n ,i)u khiKn h
h*ng
H t nhân ,iKn hình c bCn
Lo i h t nhân , n giCn nh3t là m5t vòng lQp vô h n thHm dò các s& ki n xu3t
hi n trong h th*ng và phCn ;ng l i theo s& thay ,9i n u có.
V i m5t b5 xZ lý c3u hình nhv nh3t, không phCi lúc nào nó cpng có thK l?u
c3t ngG cCnh vì không thK thay ,9i con trv ngHn x p hoQc vùng ngHn x p r3t
h n ch .
Thay vì sZ d
- H th i gian th c
Vi c l&a chNn lo i h t nhân nào hoàn toàn tùy thu5c vào các b5 xZ
lý và kích th? c phIn m)m, tuy nhiên riêng lo i h t nhân vPn hành theo quá trình
không phù hBp v i các b5 xZ lý nhv.
H*t nhân quá trình
Các h t nhân quá trình rõ ràng là ph;c t p h n các h t nhân th&c hi n theo
c ch thHm dò và ,i)u khiKn ng[t. Các ,?:ng truy)n tín hi u logic bên trong các
quá trình và các dFch v< ng[t ,?Bc tích hBp và th&c hi n thông qua vi c truy)n dG
li u.
H t nhân sW phCi ,Cm nhi m ch;c nHng lPp lFch cho các quá trình theo ,úng mô
hình tr ng thái.
RUN: quá trình ,?Bc th&c hi n
WAIT: các quá trình ch: m5t s& ki n hoQc tín hi u vào ra kích ho t quá trình
READY: các quá trình s•n sàng ,?Bc th&c hi n
Các phIn tZ thu5c tính c6a m5t quá trình: Các phIn tZ này cIn thi t ,K ph
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
