(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(教程P270)

　　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􀃆阻塞：任务由于等待某个时间被阻塞起来。

　　B、运行􀃆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􀃆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􀃆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。

　　(7)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。

　　(8)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。

　　(9)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。

　　(10)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

　　(11)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。

　　(12)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。

　　(13)死锁

　　在一组任务中，每个任务都占用着若干资源，同时又在等待其他任务占用的资源，从而造成所有任务都无法进展下去的现象，这称为死锁现象。

　　除了资源的竞争之外，PV 操作使用不当也会引起死锁。

　　(14)信号

　　所谓信号，是系统给任务的一个指示，表明某个异步事件已经发生了。

　　该事件可能来自外部，也可能来自内部。

　　信号机制也可以称为软中断机制。

　　信号机制与中断处理机制非常相似，相同点：

　　A、都具有中断性。

　　B、都有相应的服务程序。

　　C、都可以屏蔽响应。

　　不同点：

　　A、中断由硬件或特定指令产生，而信号由系统调用产生。

　　B、中断触发后，硬件会根据中断向量找到相应的处理程序执行;而信号则通过发送信号的系统调用来触发，系统不一定马上对它进行处理。

　　C、中断处理程序在系统内核的上下文中运行，是全局的;而信号处理程序在相关任务的上下文中运行，是任务的一个组成部分。

　　(15)任务间通信

　　任务之间的通信可以分为两种类型：

　　A、低级通信：只能传递状态和整数值等控制信息，例如信号量机制。

　　B、高级通信：能够传输任意数量的数据，只要有三类：共享内存、消息传递和管道。

　　任务之间的通信方式有两种：

　　A、直接通信：通信双方必须明确知道与之通信的对象。例如PV 原语。

　　B、间接通信：通信双方不需指出消息的来源和去向，通过共享邮箱发送和接收消息。

　　邮箱只能存放单条消息，它提供一种低开销的消息传递机制，只有空和满两种状态。消息队列与邮箱类似，但是可以同时存放若干条消息，提供了一种任务间缓冲通信的方法。

　　管道由UNIX 首创，以文件系统为基础，连接两个任务之间的一个打开的共享文件，专用于任务直接的数据通信。