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知识路径： > 嵌入式系统软件基础知识 > 嵌入式操作系统基础知识 > 处理器管理 > 分区、进程、线程、任务的概念 >
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考试要求：掌握
相关知识点：35个
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在多道程序的嵌入式操作系统中，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的任务，如下图所示。
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在一个嵌入式操作系统当中，任务的创建主要发生在以下三种情形：
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（1）系统初始化：当嵌入式内核在进行系统初始化的时候，一般都会创建一些任务。例如，它可能会创建一些前台任务，负责与嵌入式系统的用户进行交互；也可能会创建一些后台任务，这些任务不直接跟用户交互，而是在后台完成一些特定的功能，如键盘扫描、系统状态检测、时间统计等。
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（2）任务运行过程中：除了在系统初始化的时候会创建任务以外，当一个任务正在运行的时候，如果需要的话，也能够使用相应的系统调用来创建新的任务，以帮助它完成自己的工作。
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（3）用户提出请求：在一些具有交互功能的嵌入式系统中，用户可以通过敲入命令或点击图标的方式，让系统启动一个新的任务。例如，在一个PDA中，用户可以点击某一个游戏，或打开视频播放器，这时系统就会创建相应的任务来满足用户的请求。
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虽然在以上的这三种情形下，都能够创建一个新的任务，但是从技术的角度来说，实际上只有一种创建任务的方法，也就是在一个已经存在的任务中，通过调用相应的系统调用函数来创建一个新的任务。
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在嵌入式操作系统当中，任务的创建主要有两种可能的实现模型，即fork/exec和spawn，两者既有联系又有区别。
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fork/exec模型源于IEEE/ISO POSIX 1003.1标准，而spawn模型是从它派生出来的。这两种模型在创建任务的时候，过程非常相似。首先为新任务分配相应的数据结构，存放其各种管理信息，然后为它分配内存空间，存放任务的代码和数据。当这个新任务准备就绪后，就可以启动其运行。
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两种模型的差别主要在于内存的分配方式。在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。这样做的好处是：对于新创建的子任务来说，如果需要的话，它可以从父任务那里继承代码、数据等各种属性。而在spawn模型下，摒弃了继承这一功能，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。
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在有些嵌入式系统当中，尤其是一些控制系统，它的某些任务被设计为“死循环”的模式。
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在多道程序系统中，任务是独立运行的实体，需要参与系统资源的竞争，只有在所需资源都得到满足的情形下，才能在CPU上运行。因此，任务所拥有的资源情况是在不断变化的，这导致任务的状态也表现出不断变化的特性。不同的嵌入式操作系统对任务状态的定义不尽相同，但是一般来说，它们都会具备以下的三种基本状态。
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.运行状态（Running）：任务占有CPU，并在CPU上运行。显然，处于此状态的任务个数必须小于或等于CPU的数目。如果在系统当中只有一个CPU的话，那么在任何一个时刻，最多只能有一个任务处于运行状态。
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.就绪状态（Ready）：任务已经具备了运行的条件，但是由于CPU正忙，正在运行其他的任务，所以暂时不能运行。不过，只要把CPU分给它，它就能够立刻执行。
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.阻塞状态（Blocked）：也叫等待状态（Waiting）。任务因为正在等待某种事件的发生而暂时不能够运行。例如，它正在等待某个I/O操作的完成，或者它跟某个任务之间存在着同步关系，正在等待该任务给它发信号。此时，即使CPU已经空闲下来了，它也还是不能运行。
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在一定条件下，任务会在不同的状态之间来回转换，如下图所示。对于任务的三种状态，可以有四种转换关系。
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.运行→阻塞：任务由于等待某个事件而被阻塞起来。例如，一个任务正在CPU上运行，这时它需要用户输入一个字符。由于CPU的运行速度远远高于I/O设备的处理速度，因此操作系统不会允许该任务继续占用CPU，在那里空等，而是把它变成阻塞状态，然后调用其他的任务去运行。
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.运行→就绪：一个任务正在CPU上运行，这时由于种种原因（如该任务的时间片用完，或另一个高优先级任务就绪），调度器选择了另一个任务去运行。这样对于当前的任务来说，就从运行状态变成了就绪状态。
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.就绪→运行：处于就绪状态的任务被调度器选中去运行。
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.阻塞→就绪：一个任务曾经因为等待某个事件而被阻塞起来，如果它等待的事件发生了，那么该任务就从阻塞状态变成了就绪状态，从而具备了继续运行的条件。
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任务控制块（Task Control Block，TCB）是操作系统中的重要概念，任务管理就是通过对各个任务的TCB的操作来实现的。
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所谓TCB，就是在操作系统当中，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。TCB的内容主要包括任务的管理信息、CPU上下文信息和资源管理信息。
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（1）任务的管理信息。包括任务的标识ID、任务的状态、任务的优先级、任务的调度信息、任务的时间统计信息、各种队列指针等。
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（2）CPU上下文信息。指CPU中各寄存器的当前值，包括通用寄存器、PC寄存器、程序状态字、栈指针等。前面所述进程中的逻辑寄存器就是TCB当中的相应字段，是一些内存变量。另外，在实际的嵌入式系统中，CPU上下文信息不一定直接存放在TCB当中，而是存放在任务的栈中，可以通过相应的栈指针来访问。
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（3）资源管理信息。如果在操作系统中，任务表示的是进程，则还应包含一些资源管理方面的信息，如段表地址、页表地址等存储管理方面的信息；根目录、文件描述字等文件管理方面的信息。
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在嵌入式操作系统中，可以用TCB来描述任务的基本情况以及它的运行变化过程，把TCB看成是任务存在的唯一标志。具体来说，当需要创建一个新任务的时候，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即可。而对于任务的组织和管理，也可以通过对它们的TCB的组织和管理来实现。
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假设一个任务正在CPU上运行，这时由于某种原因，系统决定调度另一个任务去运行。那么在这种情形下，就要进行一次任务切换，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。
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②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。
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③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。
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⑤根据新任务的TCB内容，恢复它的运行上下文环境。
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如前所述，在一个多任务操作系统中，各个任务的状态是经常变化的，有时处于运行状态，有时处于就绪状态，有时又处于阻塞状态。即便同是阻塞状态，引发阻塞的原因可能又各不相同，有的是因为等待I/O操作，有的是因为任务之间的同步。因此，在一个操作系统当中，采用什么样的方式来组织它的所有任务，将直接影响到对这些任务的管理效率。
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通常的做法是采用任务队列的方式，也就是说，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表示。例如，处于运行状态的所有任务构成了运行队列，处于就绪状态的所有任务构成了就绪队列，而对于处于阻塞状态的任务，则要根据它们阻塞的原因，分别构成相应的阻塞队列。然后，对于系统当中的每一个任务，根据它的状态把它的TCB加入到相应的队列当中去。如果一个任务的状态发生变化，例如，从运行状态变成就绪状态，或者从阻塞状态变成就绪状态，这时，就要把它的TCB从一个状态队列中脱离出来，加入到另一个队列当中去。
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