《嵌入式操作系统内核调度》笔记：1 操作系统基础知识

Posted 2020-08-04

很偶然地搜到这本书，最近买了纸版书，作者有个新浪博客和淘宝配套的开发板，可以自己搜下。

笔记主要记录下看书时画下的，因为是说明性的文字，所以没有经过编码，自己理解也是很模糊的。

写下来发到博客上，感觉能提高学习动力，可能是有潜在的交流作用吧。

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为什么要有操作系统？

最初的时候其实是没有的，CPU的功能不就是执行指令吗，最初人们就写个程序让计算机去跑嘛，那时是没有操作系统观念的。后来，跑了一个程序，自然就会想跑两个程序，一山不容二虎，两个程序麻烦就来了，但还不是太大，能跑两个了，人们自然想跑三个，所谓三生万物，能跑三个，人们自然就想着同时跑一堆程序。问题也随之而来，地址问题暂时不提了，怎么同时运行就是个大问题，总不能每次都等一个程序运行完了再去运行其他程序吧，这显然是无法接受的。就好比两个吵架的人，都说自己有理，你让他们自己去管理显然是不可能的，有得必有失，你可以通过添加第三者的成本来换取二人的和平共处。这就是操作系统最初的基本作用，上面是自己的理解。

操作系统说白了就是一个超级大程序，而进程之类就相当于一个个的小函数，因为CPU运行极端快速，所以一切看起来都是同时发生的，所以产生一个错觉：操作系统是有好多层次和模块的，而这些层次和模块是同时存在的（我不知道怎么描述了）。但事实上操作系统也是线性地被CPU读取指令顺序执行的，而那些看上去的所谓层次，其实也只是一个调一个的函数而已。

我们知道操作系统源文件是由很多目录和文件构成的，但是最终生成的二进制镜像其实是一个文件，所以那么多目录和文件最终是为了便于管理，你完全可以把整个操作系统写成一个文件，只是那样会变得非常麻烦，但是我觉得是可以的。分目录，仅仅是为了便于管理，就好比操作系统管理进程，我们管理操作系统同样如此。

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操作系统最基本的功能是软件调度功能。

误解：操作系统一定要大而全。其实非也，对于一个完整的操作系统来说，它会有很多功能，但是对于小型嵌入式设备，并不要这么多，多了反而是负担，占用资源而不用。操作系统赖以生存的最核心的功能是任务调度。

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操作系统的嵌入性和实时性

嵌入性，是相对于通用性而言的，既然是专用，那么必然涉及到硬件裁剪和软件裁剪了。

实时性，首先了解非实时性是如何造成的，非实时操作系统就是分时操作系统，按时间片依次逐个调度任务，即使有个任务很紧急，比如对某个数据采集和处理要求很迅速的任务，因为死板的时间片调度机制，而无法得到及时响应。就好比一些机构的僵化的办事流程，此时就要给他们换上实时操作系统，它是基于优先级的、抢占式，所谓特事特办，灵活性大大提高，当然难度也相应增加了，但是这个成本是值得的。

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操作系统功能介绍

4大管理功能：

1. 进程管理
2. 内存管理
3. 文件管理
4. 设备管理

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进程管理：不仅仅是一种软件机制（精妙的软件结构），还是一种CPU硬件机制（内存管理单元）（这个真不懂，先这么模糊理解吧）。进程就好比一个程序的运行的环境一样。进程管理涉及的方面：

1. 进程的创建、删除；
2. 控制资源（内存、设备等）的访问，资源争夺嘛，当然得管理；
3. 进程间交流（也就是进程间通信），正如硬件和CPU交流是通过中断，主机间交流是通过网络，系统和进程交流是通过信号。本质上都是交流，因为交流对象的不同，所以交流的方式也不同；

内存管理：其实进程管理感觉是依赖内存管理的，不过内存管理好像也要依赖进程管理吧，不知道。内存管理涉及的方面：

1. 对内存分配、访问权限加以控制；
2. 可以跨介质、跨空间地映射为连续的虚拟内存空间个进程使用，而这时进程赖以生存的基础。其实虚拟化也就是抽象化的基础，比如把内存抽象为虚拟内存；把物理设备抽象为虚拟设备；把存储抽象为文件系统；把各种文件系统抽象为虚拟文件系统；可以发现操作系统就是通过不断地抽取共性的东西划为一层，然后通过驱动机制偶尔共性层和具体层的，从而达到简化设计的目的；

文件管理：文件是什么？文件是数据。数据来源是什么？数据来源多种多样，可以是键盘输入到终端，也可以是硬件采集来的，也可以是网络数据。我们把数据封装为文件，从上层再把数据看成文件。所以把设备看成文件也就不足为奇了，因为设备本质上也是一种数据来源，而系统又通过文件这种最原始的方式来统筹管理数据，那么设备自然就成为一种文件。

设备管理：抽象！抽象！抽象（向上提供结构，向下实现操作）！管理就是抽象，抽象是为了简化编程，否则抽象的东西就要程序员自己做。所以设备管理一般会将设备抽象化，将物理设备抽象成逻辑设备，这样在编程时可以做到与具体的物理设备解耦，方便对设备的管理，而耦合的工作就交给驱动去做了。

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选择模型：为了简化多选造成的各种组合，我们在多选中插入一个点（中间层（中间层这么说可能不恰当啊，因为还有个胶合层，我也不理解是什么？）），实现多对一或者一对多。

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------------------------------------------------上面提的都是一个通用操作系统的功能，如果缺少一些功能也能叫做操作系统，千万不要认定操作系统必须具备这些功能，就好像认定操作系统都必须长得像windows，这是长期不愿意接受新概念导致的。

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说说小型嵌入式设备的特点：

1. 因为没有MMU硬件单元，所以无法实现内存管理，也就不能实现进程机制。但是支持任务机制，可以把这里的多任务看成多线程，我们只能在嵌入式设备上运行一个进程，但这个进程可以管理多个线程，不知道这么理解对不对；
2. 内存管理涉及地址转换、映射、保护等诸多功能，因为无法实现，所以嵌入式操作系统只能从软件层对内存申请、释放；
3. 小型嵌入式设备几乎没有文件的概念，它用来保存永久数据的非易失性存储机制一般是FLASH\EEPROM等，容量较小，一般是几KB到几百KB，连1MB都不到，所以一般只会保存一个目标程序或者一些常量数据，存储在其上的数据没有任何文件格式，因此也就谈不上文件管理了；
4. 小型嵌入式设备的外设也比较少，而且只有一个程序（进程）使用，只要直接实现驱动就可以了，而不用把设备抽象出来便于编程，所以不需要设备管理机制了；
5. 调度功能是操作系统所必须具备的功能。

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------------------------------------------------本书实现的两个最小操作系统：

非实时非抢占式操作系统Wanlix

1. 编码从实现2个任务切换扩展到任意多个任务间切换；
2. 为用户封装一个用户入口函数，拼壁操作系统内部初始化过程；
3. 增加任务入口参数功能，可以在任务创建时提供初始参数；
4. 这就类似Linux系统编程里学的fork()和exec()嘛，这个两个具体怎么操作现在忘了。

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实时抢占式操作系统Mindows

1. 编码实现任务实时切换调度；
2. 为了方便观察任务切换过程，增加钩子函数功能；（很人性化）
3. 为了任务能结束运行，增加任务删除和任务自动结束功能，并增加任务自动申请任务栈功能；
4. 信号量是实现操作系统资源互斥和同步的一种重要机制；
5. 队列是任务间通信的一种重要机制；（队列怎么成通信机制了？不明白，到时候看看）
6. 为Mindows操作系统增加一些可裁剪的功能，程序员可以根据自身需求选择是否编译这些功能；这个和Linux内核编译好相似啊，内核有很多模块，而我们可以通过make menuconfig决定是否编译一样；
7. 书里面提到了好多调度相关的功能，感觉都听懂是啥，有点紧张。

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原则：

简化上层工作，封装下层实现。而方法就是抽象。

程序员的本能是模仿，做其他事其实也一样，就好比婴儿学步，这应该是学习的规律吧。所以千万不要鄙视和护士模仿这种方法，这是不符合规律的。而是自大。

就用管理权去理解引用，不要把引用看成引用。

把进程看成一个人，进程管理就是管理一群人，而不要把进程仅仅看成进程。

线程就好比一个人的任务，而不用仅仅从代码层看待线程。

函数：代理/仆人/机器，根据函数的作用，它会扮演不同的人。

参数：命令。

返回值：反馈。

我们说的驱动的实现上无非就是一个.c的源文件，虽然讲解起来感觉很有立体感，但是代码实现却是扁平的，而且也没有什么新的C语言语法。

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