• OS(操作系統(tǒng))必須是多線程和優(yōu)先級(jí)之分。
• OS必須支持線程優(yōu)先級(jí)。
• 一個(gè)優(yōu)先級(jí)繼承的系統(tǒng)必須存在。
• OS必須支持可預(yù)測(cè)的線程，同步發(fā)送機(jī)理。

    另外，OS的行為必須是可預(yù)測(cè)的，這意味實(shí)時(shí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者必須對(duì)系統(tǒng)中斷級(jí)，系統(tǒng)調(diào)用和分時(shí)了如指掌：

• 必須知道OS和設(shè)備驅(qū)動(dòng)器的中數(shù)據(jù)匹配******時(shí)間。
• 設(shè)備驅(qū)動(dòng)器用來(lái)處理一個(gè)中斷******時(shí)間和關(guān)于這些驅(qū)動(dòng)器的中斷申請(qǐng)信息必須清楚。
• 中斷響應(yīng)(從中斷到運(yùn)行時(shí)間)，必須可預(yù)測(cè)并滿足功能要求。

    每次系統(tǒng)調(diào)用時(shí)間必須可以預(yù)測(cè)，并且獨(dú)立于系統(tǒng)的對(duì)象數(shù)目。本篇論文論述了微軟Windows CE 操作系統(tǒng)是如何達(dá)到一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求，更有意義的是，Windows CE 保證一個(gè)時(shí)間的上限，它在收到中斷后開(kāi)始一個(gè)實(shí)時(shí)的優(yōu)先級(jí)線程。本論文論述了對(duì)特定參考平臺(tái)的中數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間，參考為有 Hinathi SH3 的微處理器的 “Odo” 平臺(tái)。


Microsoft Windows CE

概論

    微軟Windows CE 被設(shè)計(jì)成針對(duì)小型設(shè)備(它是典型的擁有有限內(nèi)存的無(wú)磁盤(pán)系統(tǒng))的通用操作系統(tǒng)。Windows CE 可以通過(guò)設(shè)計(jì)一層位于內(nèi)核和硬件之間代碼來(lái)用設(shè)定硬件平臺(tái)，這即是眾所周知的硬盤(pán)壓縮層(HAL)，(在以前解釋時(shí)，這被稱為 OEMC （原始設(shè)備制造)適應(yīng)層，即 OAL； 內(nèi)核壓縮層，即 KAL。 以免與微軟的 Windows NT 操作系統(tǒng) HAL 混淆)

    不象其它的微軟 Windows 操作系統(tǒng)，Windows CE 并不是代表一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的相同的對(duì)所有平臺(tái)適用的軟件。為了足夠靈活以達(dá)到適應(yīng)廣泛產(chǎn)品需求, Windows CE 采用標(biāo)準(zhǔn)模式，這就意味著，它能夠由一系列軟件模式做出選擇，從而使產(chǎn)品定制。另外，一些可利用模式也可作為其組成部分，這意味著這些模式能夠通過(guò)從一套可利用的組份做出選擇，從而成為標(biāo)準(zhǔn)模式，通過(guò)選擇，能夠達(dá)到系統(tǒng)要求的最小模式， OEM 能夠減少存儲(chǔ)腳本和操作系統(tǒng)的運(yùn)行。

    Windows CE 關(guān)于 VC++ 5.0 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)嵌入式工具包，提供系統(tǒng)庫(kù)、工具、文本和樣本代碼，以使 OEMS 能夠?qū)μ囟ǖ挠布脚_(tái)使 Windows CE 標(biāo)準(zhǔn)定制。嵌入式工具包也包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)包(DDK)和軟件開(kāi)發(fā)包(SDK) ，DDK 提供了關(guān)于寫(xiě)驅(qū)動(dòng)器的附加文本，SDK 提供庫(kù)、頭文件、樣本代碼、文本以允許，開(kāi)發(fā)者對(duì)基于 Windows CE 的平臺(tái)進(jìn)行寫(xiě)操作。 Windows CE 提供了相同的程序界面，以用來(lái)為其它的視窗操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)功能，例如，Windows CE 版本 1.01支持大約1000個(gè)微軟的Win 32 API 函數(shù)的其中500個(gè)。這就意味著大量不同類的工具，第三方書(shū)籍，關(guān)于 Win 32 開(kāi)發(fā)者訓(xùn)練教程，可以替代或?yàn)?Windows CE 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者所用。

    實(shí)時(shí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者能夠使用，關(guān)于VDFF 5.0 的嵌入式工具包，以把操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到特定的平臺(tái)，并為這個(gè)平臺(tái)開(kāi)發(fā)附加設(shè)備驅(qū)動(dòng)器和實(shí)時(shí)功能。

線程和線程優(yōu)先權(quán)級(jí)

    Windows CE 是有優(yōu)先級(jí)的多任務(wù)操作系統(tǒng)，它允許多重功能、進(jìn)程，在相同時(shí)間系統(tǒng)中運(yùn)行 Windows CE 支持******的 32 位同步進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程包括一個(gè)或多個(gè)線程，每個(gè)線程代表進(jìn)程的一個(gè)獨(dú)立部分，一個(gè)線程被指定為進(jìn)程的基本線程，進(jìn)程也能創(chuàng)造一個(gè)未定數(shù)目的額外線程，額外線程實(shí)際數(shù)目，僅由可利用的系統(tǒng)資源限定。

    Windows CE 利用基于優(yōu)先級(jí)的時(shí)間片演算法以安排線程的執(zhí)行，Windows CE 支持八個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)，由0到7，0代表*********，它在頭文件 Winbasw.h中定義。

    級(jí)別0和1通常做為實(shí)時(shí)過(guò)程和設(shè)備驅(qū)動(dòng)器，級(jí)別2-4做為線程和通常功能，級(jí)別5-7做為是低于其它功能級(jí)別，注意級(jí)別6是目前狀態(tài)并有穩(wěn)定聯(lián)接。

    優(yōu)先權(quán)唯一的取決于線程優(yōu)先級(jí)，擁有高級(jí)優(yōu)先權(quán)的線程安排優(yōu)先運(yùn)行，同一優(yōu)先級(jí)的線程，以循環(huán)優(yōu)先先級(jí)方式運(yùn)行，即每個(gè)線程接受定制的時(shí)間或時(shí)間片，定量時(shí)間默認(rèn)值為25毫秒 (Windows CE 2.0 支持在 MIPS 平臺(tái)更改定量時(shí)間)。較低優(yōu)先權(quán)的線程，要直到較高級(jí)線程完成之后再運(yùn)行，也即直到他們或者放棄或停止。一個(gè)重要的例外是最高優(yōu)先級(jí)的線程(級(jí)別0，關(guān)鍵時(shí)間優(yōu)先級(jí))不與其它的線程共享時(shí)間片，這些線程連續(xù)執(zhí)行直到他們完成。不象其它的微軟窗操作系統(tǒng)，Windows CE 是固定不能改變，它不匹配基于這引進(jìn)優(yōu)先級(jí)的中斷，他們能夠暫時(shí)改動(dòng)，但僅能通過(guò) Windows CE 內(nèi)核以避免所謂的的“優(yōu)先權(quán)倒置”。

    優(yōu)先權(quán)倒置指的是當(dāng)它們同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)同一資源時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的線程，阻礙了高優(yōu)先權(quán)線程對(duì)資源的利用。為了改正這種局面并解放較高優(yōu)先權(quán)的線程，Windows CE 允許低級(jí)優(yōu)先權(quán)繼承，嚴(yán)格的線程優(yōu)先權(quán)，并且運(yùn)行較高優(yōu)先級(jí)直到它釋放所用資源。

    例如，如果一個(gè)線程在最高優(yōu)先權(quán)運(yùn)行試圖蕕取由低級(jí)優(yōu)先權(quán)占有的互斥體，低級(jí)優(yōu)先權(quán)的線程變成高級(jí)優(yōu)先權(quán)，并且運(yùn)行直到它釋放互斥體。優(yōu)先權(quán)倒置適用于系統(tǒng)的所有線程。例如，甚至在優(yōu)先級(jí)別1運(yùn)行的內(nèi)核線程能轉(zhuǎn)成級(jí)別0，如果優(yōu)先級(jí)0線程運(yùn)行內(nèi)存分頁(yè)代碼，將引起塊失誤。

    基于優(yōu)先級(jí)的多任務(wù)設(shè)計(jì)，保證運(yùn)行在最低級(jí)的線程在一個(gè)預(yù)所知時(shí)間段執(zhí)行。本論文在后面討論設(shè)定響應(yīng)，對(duì)于指定的平臺(tái)和公式，并由其它的平臺(tái)獲取數(shù)字。在 DAK 和 SDK 的工具，顯示了線程狀態(tài)和優(yōu)先級(jí)別，并描繪指定實(shí)時(shí)系統(tǒng)操作輪廓。

線程同步

    實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須保證進(jìn)程和線程同步，例如，如果實(shí)時(shí)應(yīng)用的一部分在另一部分獲得最多當(dāng)前數(shù)據(jù)前即完成，此應(yīng)用的管理進(jìn)程可能不穩(wěn)定，同步將確保在應(yīng)用線程間交換正確。

    如同其它的 Windows 操作系統(tǒng)一樣，Windows CE 為線程同步提供了一個(gè)豐富的“等待對(duì)象”，這包括關(guān)鍵部門、事件、互斥體，些等待對(duì)象，允許一個(gè)線程減緩它的運(yùn)行并且等待直到指定事件發(fā)生。

    Windows CE 將互斥體、關(guān)鍵部分、事件請(qǐng)求按“先入先出，優(yōu)先級(jí)（FIFO）”順序排列：不同的先入先出順序序列定義成八個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)，在給定的優(yōu)稱級(jí)的線程請(qǐng)求，將被放在優(yōu)先級(jí)列表末尾，當(dāng)優(yōu)先級(jí)倒置出現(xiàn)時(shí)，調(diào)度程序調(diào)整這些序列。

    除了等待對(duì)象，Windows CE 支持標(biāo)準(zhǔn)的 Win 32 時(shí)間 API 函數(shù)，這些來(lái)自內(nèi)核的應(yīng)用，軟件中斷將獲得時(shí)間間隔，它被用來(lái)管理實(shí)時(shí)應(yīng)用。通過(guò)調(diào)用 GetTickCont 函數(shù)，它能夠返回幾毫秒，線程能夠使用系統(tǒng)間隔時(shí)間。關(guān)于更詳細(xì)的分時(shí)信息，Windows CE 內(nèi)核也支持Win 32 API 函數(shù)QueryPerformanreCounter 和 QueryPerFormanteFrequency 。OEM 必須為這些調(diào)用提供硬件和軟件支持，它提供一個(gè)較高的時(shí)間分辨力和 OAL 界面其它方面。

其它方面考慮

    Windows CE 提供了一個(gè)重要的存儲(chǔ)系統(tǒng)，例如，當(dāng)目前某些運(yùn)行 Windows CE 的平臺(tái)提供 4MB 的物理內(nèi)存，Windows CE 支持一個(gè)重要的 2GB 的地址空間，每個(gè)進(jìn)程聯(lián)接在它自己的32MB 物理空間上，當(dāng)它需要產(chǎn)生內(nèi)存分頁(yè)中斷(這可能影響線程執(zhí)行時(shí)間)，物理內(nèi)存進(jìn)行線程代碼或數(shù)據(jù)內(nèi)存分頁(yè)。

    內(nèi)存分頁(yè)輸入輸出，將比實(shí)時(shí)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)低。在實(shí)時(shí)進(jìn)程中內(nèi)存分頁(yè)仍可自由出現(xiàn)，但這要確保后臺(tái)的實(shí)際內(nèi)存管理贏得實(shí)時(shí)系統(tǒng)優(yōu)先權(quán)。
實(shí)時(shí)線程應(yīng)該鎖存在內(nèi)存中，以防止這些無(wú)關(guān)緊要的內(nèi)存分頁(yè)阻礙其運(yùn)行，它們可能會(huì)占用實(shí)際內(nèi)存管理系統(tǒng)。

    Windows CE 允許映射，這將陰止多個(gè)進(jìn)程共享同一物理內(nèi)存，結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致協(xié)同進(jìn)程間或驅(qū)動(dòng)器與映射快速的數(shù)據(jù)傳送，內(nèi)存映射能夠戲劇性的增強(qiáng)實(shí)時(shí)操作。

中斷處理： IRQS ISRS 和 ISTS

    實(shí)時(shí)應(yīng)用被設(shè)立在指定的時(shí)間間隔內(nèi)，對(duì)外部事件做出反應(yīng)，實(shí)時(shí)應(yīng)用使用中斷做為一種確保外部事件由操作系統(tǒng)獲知的方式。在 Windows 中，內(nèi)核和 OEM 適應(yīng)層 (OAL)被設(shè)定成使系統(tǒng)其它部分的中斷和調(diào)度最優(yōu)化。Windows CE 平衡操作，并通過(guò)把中斷過(guò)程分成兩部分而使執(zhí)行更加容易：它分為中斷服務(wù)程序(ISR)和中斷服務(wù)線程(IST)兩部分。

    每條硬件中斷申請(qǐng)線(IRQ)，與一個(gè)ISR相連。當(dāng)中斷成立和中斷出現(xiàn)時(shí)，內(nèi)核為此調(diào)用寄存的 ISR， ISR 為中斷處理的內(nèi)核模式部分盡可能短的保存。它首先將內(nèi)核放在適合的 IST 上。

    ISR 執(zhí)行它的最小處理并返回一個(gè) ID 號(hào)到內(nèi)核，內(nèi)核檢查返回的中斷 ID 號(hào)，并設(shè)置相關(guān)事件，中斷服務(wù)線程等待事件。當(dāng)內(nèi)核設(shè)置事件時(shí)，IST 停止等待并開(kāi)始執(zhí)行，附加的中斷進(jìn)程，中斷處理大部分實(shí)際上出現(xiàn)在 IST 中，兩個(gè)最高的線程優(yōu)先權(quán) (級(jí)別0和1)，通常指定為 ISTS，保證這些線程運(yùn)行得足夠快。

    正如前面所說(shuō)，處在*********的 ISTS 不能被其它的線程占用，這些線程持續(xù)執(zhí)行直到它們截止或放棄。

    Windows CE 不能支持群體中斷，這就意味著當(dāng)以前一個(gè)中斷處理中，另一個(gè)不同接受服務(wù)，也就是當(dāng)內(nèi)核位于 ISR 時(shí)如果中斷出現(xiàn)，在為新的 IRQ 開(kāi)始 ISR 前它將一直執(zhí)行直到ISR 結(jié)束，這將引起硬件中斷和 ISR 開(kāi)始之間的延遲，拖延和響應(yīng)時(shí)間中斷響應(yīng)。

中斷響應(yīng)

    本論文中，Intervupt Latency 詞組主要指的是較件中斷，處理響應(yīng),也即是從處部中斷到達(dá)處理器到中斷開(kāi)始處理間的時(shí)間。

    Windows CE 中斷響應(yīng)時(shí)間是針對(duì)鎖存在內(nèi)存上的線程 (當(dāng)內(nèi)存響應(yīng)不存在時(shí))。這使得計(jì)算最差事件響應(yīng)成為可能——中斷服務(wù)程序(ISR) 開(kāi)始和中斷服務(wù)線程（IST）開(kāi)始D的總時(shí)間，直到中斷處理的總時(shí)間能夠通ISR 和 IST 中所需時(shí)間計(jì)算決定。

ISR 響應(yīng)通用公式定義如下：

ISR開(kāi)始時(shí)間 = value1