Лекция "Введение в операционные системы реального времени"

YOUTUBE · 18.11.2025 18:33

Ключевые темы и таймкоды

Введение в операционные системы реального времени

0:07

Операционная система реального времени работает в режиме реального времени.
Важно не только выполнение задачи, но и выполнение в нужный момент времени.
Пример: конвейер, где подача жидкости должна происходить в нужный момент.

Особенности операционных систем реального времени

2:33

Операционная система компилируется вместе с кодом и записывается в контроллер.
Невозможность установки дополнительных программ.
Основная задача: распределение времени процессора между задачами.

Примеры операционных систем реального времени

3:49

Самая популярная ОС реального времени - FreeRTOS.
FreeRTOS используется для примера в этом видео.

Многозадачность и выполнение задач

4:13

Многозадачность: выполнение нескольких задач параллельно.
Процессор выполняет задачи последовательно, переходя между ними.

Определения задач и процессов

5:25

Задача - набор операций для выполнения логической функции.
Процесс - отдельно загружаемый программный модуль.
Поток - часть процесса, выполняемая параллельно.

Системный таймер и планировщик задач

6:44

Системный таймер формирует прерывания через равные промежутки времени.
Планировщик задач определяет, какая задача будет выполняться в данный момент.

Состояния задач

7:42

Задача может быть в состоянии готовности, выполнения, блокировки или приостановлена.
Переход между состояниями зависит от действий задачи и планировщика.

Примеры задач и их выполнение

12:08

Задачи представляют собой отдельные функции с бесконечными циклами.
Планировщик задач передает процессорное время между задачами.
Пример: мигание светодиода и считывание состояния кнопки.

Свойства задач

13:55

Приоритет определяет порядок выполнения задач.
Контекст задачи включает данные, закрепленные за конкретной задачей.
Многократный запуск позволяет запускать одну и ту же задачу несколько раз.
Рентерабельность позволяет прервать выполнение функции и продолжить с того же места.
Пустая задача выполняется, когда нет других задач в очереди.

Функции управления задачами

15:46

Функции управления задачами включают создание, удаление, задержку, установку приоритета и приостановление.
Функции с суффиксом "from" используются только из обработчика прерываний.
Эти функции не имеют тайм-аутов и должны выполняться быстро, чтобы не потерять другие прерывания.

Передача данных между задачами

19:18

Для передачи данных между задачами используется очередь.
Глобальные переменные могут привести к потере данных при прерываниях.
Очередь работает по принципу FIFO или LIFO и позволяет передавать данные между задачами.

Пример использования очереди

23:14

Задача, считывающая кнопки, помещает данные в очередь.
Задача, управляющая светодиодами, считывает данные из очереди и выполняет действия.
В режиме блокировки задача ждет появления данных в очереди, чтобы продолжить выполнение.

Обработка задач в очереди

25:40

Переход к следующей задаче происходит только после завершения текущей.
Планировщик задач выбирает, какую задачу выполнять, в зависимости от приоритета.
Время выполнения задачи может варьироваться от одного такта до нескольких.

Типы многозадачности

27:37

Кооперативная многозадачность позволяет одной задаче занимать процессорное время.
Вытесняющая многозадачность предотвращает зависание системы, передавая управление другой задаче.
Оба типа имеют свои преимущества и недостатки.

Обработка кнопок и прерываний

30:31

Пример с кнопками показывает, как можно пропустить нажатие второй кнопки.
Для быстрой обработки кнопок рекомендуется использовать прерывания.
Пример показан для обучения, а не для реального использования.

Передача данных между задачами

31:46

Использование структур данных для передачи различных типов данных.
Пример с передачей данных UART, температуры и клавиатуры в одну очередь.
Данные обрабатываются в порядке поступления, что позволяет принимать решения на основе различных типов данных.

Функции для работы с очередями

34:27

Функции для работы с очередями: создание, удаление, сброс, помещение в конец и начало.
Примеры использования функций для срочной обработки данных.
Функции для работы в обработчике прерываний.

Семафоры

36:07

Семафоры бывают двоичными и счетными.
Пример двоичного семафора: булева переменная, которая используется для выполнения действий при выставлении флага.
Семафоры позволяют синхронизировать выполнение задач в многозадачной системе.

Счетные семафоры

37:19

Счетные семафоры хранят количество запросов на семафор.
Каждое срабатывание события инкрементирует значение семафора.
Пример: нажатие кнопки вызывает инкремент семафора, что позволяет выполнить действие несколько раз.

Применение семафоров

38:47

Семафоры передают управление между задачами.
Позволяют переводить задачи из состояния блокировки в состояние готовности.

Пример использования семафоров

39:11

Пример с тремя задачами: чтение кнопки, включение светодиода.
Семафоры используются для управления доступом к ресурсам.
Задачи ждут установки семафоров для выполнения следующей строки кода.

Мьютексы

41:10

Мьютексы используются для разделения доступа к ресурсам.
Пример с UART: задачи не могут мешать друг другу при передаче данных.
Мьютекс позволяет одной задаче использовать ресурс, пока другая ждет освобождения.

Проблемы с мьютексами

44:33

Взаимная блокировка задач может привести к зависанию программы.
Сторожевой таймер может помочь выйти из зависания, но это крайний случай.
Важно избегать ситуаций, когда задачи захватывают мьютексы одновременно.

Работа с мьютексами и семафорами

47:24

Мьютексы и семафоры имеют одинаковый набор API функций.
Пример операционной системы реального времени не был показан из-за технических проблем.
В будущем планируется показать примеры работы с операционной системой реального времени.