（计算机系统结构专业论文）嵌入式实时操作系统tlinux的实现与改进.pdf

浙江人学坝i ：l i ) l ：究生学位论义 嵌入式实时操作系统t l i n u x 的实现i j 改进 摘要 随着以计算机技术、通讯技术、消费电子技术为主的i t 产业的快速发展， 嵌入式实时系统得到了越来越广泛的应用。在包括科学研究、工程设计、军事技 术、商业娱乐及人们同常生活的各个领域中，对嵌入式实时操作系统的需求也越 来越大。本论文的目的就是设计实现一个基于l i n u x 的嵌入式实时操作系统。 本文简单介绍了嵌入式实时操作系统有关的基本概念，对当前嵌入式系统， 特别是l i n u x 嵌入式系统的现况和发展进行了深入的研究，指出了l i n u x 在实时 应用中存在的技术障碍，综合分析了当自订l i n u x 实时扩展的各种技术及其优缺 点。本文详细论述了作者在“面向信息与智能设备的嵌入式软件平台”国家8 6 3 课题组中所做的研究和实践工作：开发研制基于l i n u x 的嵌入式操作系统t l i n u x ( t e l e c o ml i n u x 电信l i n u x ) 及其嵌入式软件平台，包括嵌入式应用丌发支撑环 境、嵌入式应用编程接口( a p i ) 库和应用编程接口规范等。文中首先介绍了嵌 入式实时系统的定义和特点，阐述了实时系统的定义、分类和衡量标准，并介绍 了几种较为成熟的实时操作系统；接着指出了l i n u x 在实时应用中存在的技术障 碍，综合分析了当前l i n u x 实时扩展的各种技术及其优缺点。在深入分析了 r t l i n u x 内核的基础上改造r t l i n u x 形成t l i n u xo s 内核，并在此基础上作进一 步改进和实时性能优化设计；然后详细介绍了t l i n u x 内核的实时性测试方法和 步骤；接着设计、实现了t l i n u x 下的v x w o r k s 系统实时编程接口，解决了原有 业务软件的移植问题，初步形成了t l i n u x 操作系统平台。最后一章总结了本文 的工作及对这一领域未来工作的展望。 关键字：嵌入式实时操作系统，嵌入式l i n u x ，r t l i n u x ，t l i n u x ，实时编程接 口 浙江夫学碳jj l j 究生学位论文嵌入或实 f 寸瓣作系统t l i n u x 的实现j 改进 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n dc o n s u m e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , r e a l t i m ee m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nw i d e l y u s e d t h e r ea r eal o to f d e m a n d sf o rr e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi nf i e l d so f s c i e n t i f i cr e s e a r c h ，e n g i n e e r i n gd e s i g n , m i l i t a r yt e c h n o l o g y , c o m m e r c ee n t e r t a i n m e n t e t c t h ep u r p o s eo fm yw o r ki st od e s i g na n dr e a l i z ear e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e mb a s e do nl i n u x a f t e ri n t r o d u c i n gs o m er e l e v a n tc o n c e p t sa b o u tr e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e ms i m p l ya n di n v e s t i g a t et h er e a lt i m ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mb a s eo nl i n u x ， t h i sp a p e rd i s c o u r s e su p o nt h ea u t h o r sr e s e a r c hw o r ko n “i n f o r m a t i o na n ds m a r t d e v i c eo r i e n t e de m b e d d e ds o f t w a r ep l a t f o r i l l ”w h i c hi sp a r to fn a t i o n a l8 6 3p l a n t h e m a j o rr e s e a r c ho ft h et h e s i si st od e v e l o pl i n u xb a s e de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m t l i n u x ( t e l e c o ml i n u x ) a n di t se m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t h i sp a p e r f i r s td i s c u s s e st h ed e f i n i t i o na n ds p e c i a l t yo fe m b e d d e ds y s t e ma n df o r m u l i z e st h e d e f i n i t i o n ，c l a s s i f i c a t i o na n dy a r d s t i c ko fr e a lt i m es y s t e ma n di n t r o d u c e ss e v e r a l r e l a t i v e l ym a t u r er e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m i tt h e nd i s c o t t r e su p o nt h ea d v a n t a g e so f l i n u xa se m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e ma n dp o i n t so u tt h em a i n t e c h n i q u e o b s t a c l e ，c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e st h et e c h n o l o g yo f p r e s e n ti i n u xr e a lt i m ee x t e n s i o n a n di t sa d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gr t l i n u xi nd e e p ，t h e a u t h o rr e c o n s t r u c t st h er t l i n u xk e r n e la n dm o d i f yi tt ot h et l i n u xk e r n e l w h a t ，s m o r e ，t h ea u t h o ro p t i m i z et h er e a lt i m ep e r f o r m a n c eo ft l i n u xk e r n e l ；a n dt h e nt a l k a b o u tt h ea p p r o a c h e sa n dp r o c e s s e so f t e s t i n gt h er e a lt i m en a t u r eo ft l i n u xk e r n e l ； a n dt h e ns p e c i f i e st h ei m p l e m e n t a t i o no fv x w o r k s p r o g r a m m i n gi n t e r f a c eo nt l i n u x ； a tf i n a l l yt h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ea u t h o r sr e s e a r c hw o r k sa n dp r o s p e c to ff u t u r e w o r k k e yw o r d s ：p e a l - t i m ee m b e d d e do s ，e m b e d d e dl i n u x ，r t l i n u x ，t l i n u x ，r e a l t i m ee x t e n d e di n t e r f a c e 2 浙江人学坝l ：t i j l 究生学位论文 嵌入式实时操作系统t l i n u x 的实现j 改进 1 1 课题背景 第一章绪论 嵌入式和技术实时技术是近年来发展最为迅猛、最受人们关注的一门新兴技 术，也是当今中国i t 领域最为热门的话题。随着计算机应用的普及、互联网技 术的发展，全过程自动化产品制造、大范围电子商务活动、高度协同科学实验以 及数字化家庭的兴起，大量的嵌入式设备被嵌入到我们的工作、生活空问。i 。也 确：其中的嵌入式实时操作系统不太会引人注意，但实际上它是实实在在存在着， 并且也越来越多地影响着人们生活的方方面面。 嵌入式实时操作系统( r e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ：r e o s ) 主要运用 于有实时要求的嵌入式平台，它负责对系统的资源和任务进行高效的管理和及时 地调度，不仅保证系统的工f 确运行还满足系统对时间的限制和要求。目前嵌入式 实时嵌入式操作系统产品很多，比如v x w o r k s ，q n x ，l y n x ，w i n d o w sc e 等，但 它们价格一般比较昂贵，而且很多r e o s 厂商要求用户在批量生产时要按产品数 量缴纳版税，对中小系统来说成本影响很大。因此，开发具有自主知识产权的 r e o s 就显得尤为重要。 目前，我国的嵌入式实时系统应用市场广阔，主要应用在通信市场、商业市 场( 流通、金融市场、证券市场) 、国防建设、工业及自控市场及家用市场。与 国外的嵌入式实时系统相比，我国进入这个领域的研发时间比较短，在丌发嵌入 式实时软件产品方面与国外有差距。中国要实现软件大国梦就要发展自主操作系 统，它能左右软件产业的发展走向。嵌入式实时软件的巨大市场为发展自主操作 系统提供了良好的机会，嵌入式实时操作系统至今未形成垄断格局，中国软件企 业充满机遇。随着后p c 时代的来临，嵌入式实时系统将成为i t 界的又一个焦 点丌发中国自主产权的嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统，对于我们国家的 民族i t 工业来讲，将有十分重要的战略意义。 嵌入式实时操作系统t l i n u x 的实现j 改进 1 2 研究主题及论文的主要工作 本课题的主要研究内容是：面向嵌入式目标产品，基于l i n u x 的嵌入式操作 系统t l i n u x ( t e l e c o ml i f l u x 电信l i n u x ) ，丌发研制面向典型的= 三层以太网 交换机的嵌入式软件平台，包括嵌入式应用运行环境、限入式应用丌发支撑环境、 嵌入式软件服务支持环境、面向领域或产品的嵌入式应用编程接口( a p i ) 库和 应用编程接口规范等，使得以前基于v x w o r k s 的业务可以平滑移植到t l i n u xf ， 并发挥t l i n u x 的技术优势搭建一个通用的l a n s w i t c h 软件丌发平台。t l i n u x l a n s w i t c h 的平台从结构上可咀划分为：硬件、b s p 、t l i n u xo s 、a p i 、网片设 备驱动、v r p ( 1 力、议处理) 六个层面。 t l i n u xl a n s w i t c h 产品结构分为硬件交换转发平面和控制管理管理平面两 个部分。控制平面在硬件上由c p u 模块组成，该模块的核心部分是嵌入式c p u ： 硬件交换转发平面的核心是交换a s i c 芯片。交换芯片通过p c i 接e 1 作为c p u 模 块的一个设备与其连接，交换转发平面与网络接口根据地址转发表由硬件完成 l a y e r2 3 的数据包的线速交换，同时硬件完成v l a n 、q o s 、优先级、过滤、端 e l 捆绑、统计等功能。控制管理平面完成系统的初始化、配置、数据包的学习、 协议处理、网管等功能，该平面由c p u 系统来完成。 本文将就以下内容具体展丌研究： 1 ) t l i n u x o s 内核 l i n u x 是一个类似u n i x 的分时操作系统，把l i n u x 改造成r t o s 是本项目 的关键技术难点。如果直接修改l i n u x 内核要考虑进程管理、内存管理、文件系 统裁减等方面，把其改造成适用于电信应用需求的r t o s ，开发周期会很长，因 此本文采用r t l i n u x 的思路，对l i n u x 内核的修改做到最小化的改动，这样可以 完成l i n u x 对各种c p u 的支持，在l i n u x 上实现一个实时内核，给应用提供实 时任务管理、调度、中段控制断控制功能，从而形成实时性的t l i n u x 操作系统， 提供个嵌入式应用基础。并在实现的基础上对内核做进一步改进和优化，以提 高系统的实时性能。 2 1t l i n u x a p i 研究 分析电信殴各对实时操作系统的接口以及应用软件需求，在t l i n u x 下提供 通用的p o s i x 实时扩展接l 1 以及v x w o r k s 和p s o s 系统调用接口是很有必要 的。 p o s x 1 确定了删移植应用程序与操作系统之削所使用的系统应用接口。一 个应用程序若在某个遵循p o s i x 标准的操作系统下可以编译运行，其源码在另 一个遵循同样p o s i x 标准的操作系统下经过编译后也可以f 常运行，而无需修 濒辽欠学联 j g 究生学位论文 灏入式实埘操搏系绞t l i n “的实现i 段避 改源码，从而达到了源码级的可移植性。所以在t l i n u x 下能够提供通用的p o s i x 实时扩蔗接口是很有意义酶。本文对t l i n u x 下p o s i x 实对手广震接1 徽了介绍。 狂电信设备领域广泛使用的r t o s 怒v x w o r k s 与p s o s 。面向电信领域的商 用硬髑一厂裔靛芯片基本上是臣v x w o r k s 秘p s o s 静接目为标磴稳供驱动程序韵， 并且由于以6 u 的发备是撼于v x w o r k s 开发的，大艟的上屡应用使用的是v x w o r k s 每p s o s 鑫句接1 5 1 ，在t l i n u x 下给实时任务提供一套p s o s 与v x w o r k s 载编程搂 i i l 就可以顺利解决这两个问题。本文详细叙述了t l i n u x 下的v x w o r k s 的编程接 旧耍现。 1 。3 论文的组织结构 本文共分为六章。 第章是“绪论”，分析论文的研究背景，确定本文的研究主体，! 臼纳了论 文的主要研究工作，简述了本文的组织结构。 第二章是“嵌久式实时搡佟系统综遮”，首先介绍了嵌入式实时操作系统静 定义和分类，并给出了嵌入式实时操作系统的体系结构、衡量标准及特点。罗列 密一些褥至l 了广泛戆应麓静较为或熬懿实时搡 管系统，懿v x w o r k s 、l y n x o s 、 p s o s 、q n x 等。最后阐述了作为通用操作系统的l i n u x 在实时性方面的缺陷； 翔悔改逸l i n u x 实时毽懿方法以及麓要媳漭鼹了基予l i n u x 嚣嵌入式实孵操搏系 统r t “n u ) ( 的实现原理 簧三章是“t l i n u x 涤馋系缝内核的实现与改迸”，蓥先分捉t l i n u x 靛总髂缝 构。阐述了如何在r t l i n u x 的基础上实现实时性的t l i n u x0 s 内核，以及在此基 戳上 乍遴一步的改进以傥他其实对性能势猿次从中断管理、定时器、任务管理三 个方面阐述了实现与改进t l i n u x 内核的关键点和难点。 第翌娶章是“t l i n u x 的实时性测试”，具体介缨了t l i n u x 实时性测试的方法和 步骤，并对测试结果进行分桥 第k 喾是“t l i n u x 的实时编程接门”，对t l i n u x 下p o s i x 实时扩艉接j _ 做 r 介绍并详细叙述了t l i n u xf 漪v x w o r k s 编程接口的实现。 第六章“t l i n u x 系统平台的组建“，首先介绍了t l i n u x - fp o s i x 实时扩展 接卜| 。然后钎矧t l i n u x 在电信设备领域瀚应稻，具体阐曼蕊了稻丽t l i n u x 的p o s i x 史州扩聪棱门酗数米实现v x w o r k s 的编程接1 5 1 函数的方法和步骤。 滚磊+ 章，l 、结了本文麓王俸及对这一领域未来工作酶矮鋈。 晰缸人学，鲫i ：t o j 5 ( , 生学位论义嵌入l 实时】晕作系统t l i n u x 的实瓤，改进 第二章嵌入式实时操作系统综述 在一个嵌入式系统中性能稳定的高档c p u 是它的硬件核心，敞人式操作系 统( e m b e d d e do s ) 是它的软件核心。嵌入式操作系统起到合理的调度任务、利用 系统资源、提供系统函数、减少开发时问、保障软件质量等重要作用。 嵌入式操作系统大多工作在实时性要求很高的环境中，这样的环境r 需要的 操作系统m f 做嵌入式实时操作系统( e m b e d d e dr t o s ) 。嵌入式实时操作系统不仅 提供一般嵌入式操作系统( e m b e d d e d o s ) 也能提供的功能，而且还保证软件的 操作时恻。 2 。1 嵌入式实时操作系统概念 2 1 1 实时操作系统的定义及分类 在实时嵌入式系统中采用的操作系统就是实时嵌入式操作系统，它是实时操 作系统和嵌入式操作系统的结合体。实时操作系统未必是嵌入式操作系统，嵌入 式操作系统也不一定就是实时操作系统( 但嵌入式操作系统一般需要具有一定的 实日、j 性) ，它们的交集就是实时嵌入式操作系统。这| 兑明实时嵌入式操作系统既 满足实时操作系统的特征同时还满足嵌入式操作系统的特征。 实时系统与其他普通的分时操作系统的最大的不同之处就是系统要满足处 理与时酬的关系。在实时计算中，系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果， 而且依赖于结果产生的时间。对于分时操作系统，软件的执行在时问上的要求并 不严格，时i q 上的错误一股不会造成灾难性的后果。而对于实时操作系统，它的 主要任务是对事件进行及时的处理，虽然事件可能会在不可预知的日可刻到达。但 软件上必颊在事件发生时能够在严格的时限内做出反应，即使系统处于高负荷的 情况也是知此，否则就会导致严重的后果。因此对于实时系统来说其设计成功 与否的评价标准之一就是该系统必须有在 个事先定义好的时限中，对外部或内 部晰件进m 4 1 j 应和处理的能力。这样，实j t , j 系统可以定义为个能够在事先 指定或确定的州州内完成系统功能和羽外部或内部、同步或异步事件作出1 叫随 系统”。此外，作为实时操作系统还需要高效的i o 能力耳n 及时响成异步事件一 中断处堙能：o ，综合起来就是：系统应该有在事先定义的时问范内以别和处理 离做事件的能力。系统能够处理和存储拧制系统所需要的大量的数据。 山j 二兜魁系统的设计与应用的关系较为紧密，所以有许多分类的方法。按照 文a l 惆厦算法可以将实时操作系统分为硬实时( h a r dr e a l t i m e ) 和软实时( s o 代 实列倜度算法可以将实时操作系统分为硬实时( h a r dr e a l t i m e ) 和软实时( s 。f t 激江大学嫂| 。磁究生学 亟论文 嵌八武实时撼作系统t l i n u x 妁实现。，改邋 第二章嵌入式实时操作系统综述 在一个嵌入式系统中性能稳定静高档c p u 怒它的硬件核心，嵌入式操作系 统( e m b e d d e do s ) 是它的软件核心。嵌入式操作系统起到合理的调度任务、利用 系统资添、提餐系统函数、减少，下发时溯、保障软件质爨等重要作蔫。 嵌入式操作系统大多工作在实时性要求很高的环境中，这样的环境下需要的 搽俸系绫【l l 骰嵌入式实时捺馋系统( e m b e d d e dr t o s ) 。嵌入式实时爨佟系绞不 又 提供一般嵌入式操作系统( e m b e d d e do s ) 也能提供的功能，而且还保 j e 软件的 攥孛# 时闻。 2 。1 嵌入式实时操作系绫概念 2 。 。 实时操终系统的定义及分类 在实时嵌入式系统中采用的操 乍系绞就是实时嵌入式操 乍系统，它是实时操 作系统和嵌入式操作系统的结合体。实时操作系统未必麓嵌入式操作系统，嵌入 式操作系统也不定就魁实时擞 乍系统( 但嵌入式操作系统一般褥要具带一定的 实时性) ，它们的交集就是实时嵌入式搡作系统。这浣嘲实时嵌入式操作系统既 满足实时操作系统的特艇，同时还满足嵌入式操作系统的特征。 实时系统与其住酱遴的分辩搡作系统酶最大的不同之处藏建系统蘩满足处 理与时例的关系。在实时计算中，系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果， 褥置依赣于结暴产生翁时闻。露予分对搽 乍系统，软 串鹈鸯 | f 行在时阊上辩要求势 不严格，时间上的错误般不会造成灾难性的后果。而对于实时操作系统，它的 主要 至务是对饔件遂嚣及时懿麓理，虽然事 孛可能会在不可预期静露刻爨达，德 软件上必须在事件发生时能够在严格的时限内做出反应，即使系统处于商负荷的 罄提篷跫如此，否剩裁会导致罗燕嚣嚣鬃。强魏霹予实时系统束滋，萁没诗袋功 与否f 由评价标准之一就魁该系统必须有在一个搿先定义好的时限中，对外部或内 端螅誓孝| 二进 于晌l 应雾| 处理靛缝力。这撵，实时系绞可以定义为“个畿够在事先 指定或确定的时问内完成系统功能和对外部或内部、同步或肄步事件作l n 膨的 系统”。此终， ：为实时操作系统还需要离效姻i t o 能力和及时i 姻碰异步事件的 中断处璃能力，综合越来就是：系统应该有在事先定义的时问范国内识别和处瑷 离散事传的能力。系统能够处理和存储控制系统所需要的大量的数据。 | = | 。二实时系统的设计与应鞘的关系较为紧密，所以有许多分类的方法。按照 实时调度算法可以将实时操作系统分为硬实时( h a r dr e a l t i m e ) 和软实时( s o r 浙订人学坝 f 0 1 ：s t 生学位论文 嵌入式实时豫作系绩t l i n u x 的安斑o v 媛逾 r o a l t i m e ) 。掰瀵硬实霹系统裁蹩系统必须及时蛉对事臀乍密反应，在黉有馋盟 周期内不黼或在指定的区i n j 内不能发生错过事件处理的截止期限的情况。而一旦 发生了拳瀵是截i 芝期限熬搴 牛处理过程藏可能意噱蔷巨大熬损失秘灾难。露在软 实时系统中，则要求相对宽松。当系统在蘑负载的情况下，允许发生一些错过截 皇螺的情况，未潢足截止期限要求的事件处理不会造成臣大的危巷，比如在通信 系统中，允许同时进入的几百个电话服务请求中一个或数个服务失败。 2 1 2 嵌入式实对操作系统的特点 皎入式实时操作系统跫实时撩 乍系统翻嵌入式搡 睾系统豹结合俸。它兼有嵌 入式操作系统和实时操作系统的特征，这些特征主要有以下几点 拿 搴袄夺。焱入式系统经豢只有辍少弱资滚，镶翔存纛骜空闯。尽管半导舔技 术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中， 存储空阂仍然是宝奏瓣，系绞还存在实辩瞧熬要求，澄就在满足耀应需求豹祷爨 下，嵌入式实时探作系统要求体积小、执行效奉商，占用资源尽可能地少。 模块位设诗。嵌入式实时操作系统蛉肉核纛簧十分精麓，嚣此对不同蕊应瘸 可以添加不同的模块，构成合适的系统。 稳定陡、毫可靠性。嵌入式系统一般蕊要长时闯工佟，因此嵌入式操作系统 必须强壮稳定；有的嵌入式系统成用环境多变、恶劣，这使得这炎系统还必须其 鸯离可靠性；对予那些逡行在无人环境的系统，还因该瑟有故障霆启的功能， 高实时性。广泛应用予现实越界中的嵌入式设备必须其有与外部环境实时交 互能力。因此，在多任务嵌入式系统中对照要性蠢不相同的任务进行统筹兼顾的 合理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成 和没有效率的，所以，嵌入式操作系统的高实时性显得非常重要。 优先缀中新帮调度。必须竞诲用户意义中断优先缀帮猿调度任务静优先缀并 指定如何中断服务。 稔占或潺度。为确豫捐瘦时润f ，强务送入裁绻状态弱禳调度巍行韵时闽) ，实 时操作系统必须允许高优先级的任务一上量准备好运行，马上抢占低优先缴任务的 裁行。 异步譬件响应。异步事件是指无定时序关系随机发生的事件，如外部设备 宠战数砉l ；传竣，实列控制设备出现异鬻绩嚣等。 切换时问和中断延迟时间确定。 挺供困步和翰- 调共享数据使用翻时潮执行魄手段。一 黧坚苎堂壁! ：竖塑兰堂笪堡壅 堂垒垄壅盟签堑墨量! ! ! ! 坚塑壅鳖垦望 2 1 3 嵌入式实时揉作系统的体系结构 实时系统豹体系结擒设计必须满足： 高运缚速度。 裹遮瓣中龋处理。 高的i o 吞吐率。 舍联懿处理爨稆f o 设备的撼 连接。 高速可靠的和有时间约束的通信。 体系结构支持的出钱处理。 体系结构支持的调度。 体系结构支持的操作系统n 体系绪构支持的实时语言特性。 另外由于实时系统很多应用于一些关键性的场合系统的稳定性和客错也非 常重要。还有实时系统狠多在自然的形态上有分布式的特点，所阻还要考虑到实 时的分布式应用。 嵌入式实时系统的体系结稳强国2 - l 表示： 图2 - 1 嵌入式实时系统结构 1 1 硬件抽象层( h a l ) 包台了所有和硬件平台相关的代码文切换和i ，o 寄存器访 问等等。它存在于r t o s 的最底层，直接访问和控制硬件，对其上层的r t o s 鲍 机器无关代码掇供访问鞠控制辙务。这样可 奠简化r t o s 内核的移植工作，除了 殴备驱动程序之外，在移植的时候只需要修改h a l 的代码就可以了。 2 1 内核( k e r n e l ) 是鹬来为大多数程穿乃至o s ( 网络、文件系统、驱动程序) 浙江人学预1 + 例究生学位论文 嵌 式实时搽作系统t l i n u x 的实眦，改进 构建一系列在弦蒙携文箨上工 乍懿砉蠡象筏，使雳户程疼爱上层o s 缀 孛对系统设 备透明。在这个内核星面需要实现如下的接口： 多线稷支持( 线程管璎，线理同步原瀵 内存分配原语函数 文俘搽俸接口添数 中断、异常及定时器函数 葵它标准c 瘁涵数 程序动态装载卸载 3 ) 在提供的r t o s 接口上需要有对用户程序提供的函数接口，如专门为用户定 制网络、图形、视频等接口；并且提供驱动程序开发界厦，方便开发者对不同需 求的设备患制驱动程序。 2 1 4 实时操作系统的衡量标准 实时操作系统追求的怒谲度的实时睦、响应时间的可确定性、系统的离度可 靠性。评价一个嵌入式实时操作系统一般可以从任务调度，内存丌销、任务切换 时闻以及最大中颟禁丘辩润等凡个方面柬衡量。 任务调度机制：r t o s 的实时性和多任务能力在很大糨度上取决于它的任务 灞凄掇铡。麸调震策疆土来讲，分耄| 己竞级调度策略和时润片轮转谰度策略 觚调 度方式上来讲，分可抢占、不可抢占、选样可抢占调度方式：从时间片来猎，分 磊定与霹炎眩运冀轮转；麸蠹存蛰瑾寒鼋，分实模式与绦护模式。 最小内存丌销：r t o s 的设计过程中，最小内存开销怒一个较蘑要的攒标， 这是基为褒工、监控嚣领域中鲍某些王控极，出于羹予降低残本懿考虑，箕凌存懿 配嚣一一般都不大，而在这有限的空间内不仅要装载实时操作系统，还要装裁用户 程序。因此，在r t o s 的设计中，其占用内存大小是一个缓重要款掺标，这是 r t o s 设计与其它蝶作系统设计的明显区别之一。 最犬t p 断禁l l ：t l , l 间：当r t o s 运 亍在援态或执 l ：某些系统溺用的时捩，是不 会因为外部中断的到柬而中断执行的。只有当r t o s 重新嘲到用户态时才响应外 部t p 断请求，这过程所需的最大时瞄就戆鼹大中断禁止时间。 任务切换时间；当由予某种舔阂使个任务退出运行时，r t o s 保存它的运 行眦场信息、插入相应队歹4 、并依据一定的调度算法重新选择一个任务使之投入 运行，这一过程_ | 舞霈时闽称为任务切换时阉。 综上所述用束作为r t o s 性能衡量标准的指标主要有如下几种： 1 ) 系统嗡应露阂( s y s t e mr e s p o n s et i m e ) ；系统在发崮舱理要求副系统络出应 浙江大学硕j + 研究生掌诎论文 嵌入式实时操作系统t l i n u x 的实现改进 答信号麓时闯。 2 1 任务切换时侧( c o n t e x t s w i t c h i n gt i m e ) ：多任务之间进行切换而花赞的时 划。 3 ) 中断延迟时间( i n t e r r u p tl a t e n c yt i m e ) ：从接收到中断信号到操作系统做出 响应，弗完或避入中断服务程序的时燃。 2 。2 常用的嵌入式实时操作系统 2 。2 。lv x w o r k s v x w o r k s 是美国w i n dr i v e r 公司于1 9 8 3 年设计玎发的一种嵌入式实时操作 系统。美翻砜河系统有限公司筒称城河系统公司是领先髂嵌入式软件与服务提供 商，时代全球豆联的智能装置提供核心的丌发方法与技术。软件被应用于嵌入式 或滤藏式瓣毅型处理器中。这耱应霸占领了计算梳芯片市场豹各个角落。 v x w o r k s 是目前缴界上用户数量墚大的实时操作系统。它以其良好的持续发展 栽力、薹拣靛熬内核浚及发蟹熬滔户开发环境，奁嵌入式安时搡佟系绞镶域占据 了一席之地。v x w o r k s 具有高度可剪裁的微内核结构、商效的多任务调度、灵 懑鹃任务鲻逶售手段、莰逮灵潺静彭0 系绞、臻定戆微妙缀中凝延恣薅阉等优点。 v x w o r k s 是具有工业领导地位的离性能实时操作系统内核，具有先进的网络功 能。 v x w o r k s 系统运行环境支持的c p u 包括p o w e rp c ，x 8 6 ，m i p s ，s p a r c 等。 其核心的主要特点包括：快速的多侄务切挨、抢占式的任务调度、任务蚓鲍丰富 的通信手段和良好的可裁减能力等。其可裁减的模块超过8 0 个，用户可以根据 色已系统的功能隧标通过交叉开发环境方便的进弦配置。 v x w o r k s 支持应用程穿的动惫链接和动态下载，使开发者省去了每次调试都 需将应用程序与操作系统内核进行链接和下载的步骤，缩短了编辑和调试的周 潮。 v x w o r k s 的丌放式结构和对工业标准的支持，使得丌发人员易于设计商效的 擞入式系统，多j 一淹平台二设诗实辩系统变褥容荔，并可以良缀，j 、瀚工于# 餐移稹 剑其它不同的处理器上。 v x w o r k s 其翁鞍好鹣滚容经。它是最晕滚容p o s i x1 0 0 3 。lb 标准蕊澈入式实 时操作之，闹时c | 王是p o s i x 组织的主臻成员。另外它的t c p e p 协议栈部分 。镬保持3 s d 4 ，毒趣本懿t c p i p 装容基戳土，在实g 于方疆青较大提裹，这镬缮 赫于b s d 4 4u n i xs o c k e t 的应用程序可以很方便地移植到v x w o r k s 中去，并使 鼷终的实时性褥劐提裹。 渐江人学硼t ，耕究生学位论义谳入_ i = 【：实时撩佧系统t l i n u x 的袋现4 0 改进 v x w o r k s 静援心被称 乍w i n d ，它毯据基予貔先毁懿可捻占式多任务谣凄、 进程间的同步和通信、中断处理、看1 7 狗和内存管理机制等，每个任务捌有独立 蕊执行线程翻系绞资源。w i n d 提供信号量俸为任务阕舞步魏要斥戆巍镂。在 w i n d 中有几种类型的信号量，它们分别针对不问的应用需求：二元信号量、计 数信号壁、互斥信号量昶p o s i x 信号量。它们除了被应用在开发设计过程中外， 还被广泛地应用于v x w o r k s 高屡应用系统中。对于进程间通信w i n d 也提供了 诲如消息队列管道套接字和信号等机制。 v x w o r k s 予1 9 9 5 年开发出了其开发调试环境t o r n a d o ，并赢褥了该年度的电 子设计新闻的嵌入式开发软件创新奖。它是一个集成了编辑器、编译器、调试器 子+ 体瀚高度集成魏密目环境，绘嵌入式系统开发人员撬供了一个不受目标级资 源限制的超级丌发和调试环境。t o r n a d o 软件工具包主要瓴括如下几种核心工具： 踅形 f 毫酶交叉调试嚣( c r o s s w i n d w d b ) 工程配置工舆( p r o j e c tf a c i l i t y c o n f i g u r a t i o m 集戏仿真器( i n t e g r a t e ds i m u l a t o r ) 诊断分析工擞( w i n d v i e wf o rt h ei n t e g r a t e ds i m u l a t o r ) c c + + 缡译环境f e 飑+ + c o m p i l a t i o ne n v i r o n m e n t ) 主机目标机涟接配鬣器( l a u n c h e r ) 髫栋枧系统状态浏爨器( b r o w s e r ) 命令执行工典( w i n d s h ) 多语京浏览器( w i n d n a v i g a t o r ) 图形化核心既青工其( w i n d c o n f i g ) 增量加载器( i n c r e m e n t a ll o a d e r ) v x w o r k s 楚市场份额占有率最多的实时操 乍系统。快速高性能的核心是其生 存的根本，强大界面友好的集成开发工具包t o r n a d o 使得其得到广泛的应用。 t o r n a d o 蠹接可鞋装在w i n d o w s ，s o l a r i s 稻h p u x 等逶璃操作系统平台上，供髑 户丌发。另外，支持多种硬件环境也是v x w o r k s 得以流行的重要原因。 尽管v x w o r k s 凭缮葵攀年瀚按末积蒙，在实时帮焱入式矗场占据了缀丈瀚 份额，但蕻封闭的核心系统开发模式极大地限制了实时软、硬件技术的发展。在 它获褥黢熬癍爰豹2 0 3 年闾，其核心技术未发筌三任嚣可瞄稼德上割瓤蕊交纯。 尽管可以用其技术总体的前瞻性、细节实现完善、应用环境特殊等等原因解释， 健在强霉薯搬技术裹遮发鼹的今天，v x w o r k s 戆蒋滞不裁仍是一个较为奄怪懿巍 豫。而。由于v x w o r k s 形成的技术臻断，其软件成本和相应的技术支持费用 崩赢夺| 。：一个玎发系绞动瓤数万美元，瑟且运器索戳每令基椽系统款版权健鼹 赞和软件维护赞。这都极大地限制了具有硬件配置灵活、更新迅速和成本低廉等 特包的实时应用豹拓展。 新江人学颈i “研究生学位设宜 嵌入式实媾搽作系统下 。i n u x 靛实巍，敬避 2 2 。2p s o s p s o s y s t e m 跫蕈申嵌入式的实时操作系绞，是i n t e g r a t e ds y s t e m s ，i n c ，麓豁i s l 公司根据儿t 年从事嵌入式实时系统理论研究与实践活动而设计丌发的。作为嵌 入式系统徽内设计盘句先驱者之。一，i s i 公司将p s o s y s t e m 鞫造成适于嵌入式应用 系统玎发、在嵌入式实时领域具有领导地位的实时燎作系统。p s o s 系统提供的 个模块化、高穗能的实时攥作系统，箍户在基于p s o s 的环境上可开发嵌入微 处理器的应粥程序。p s o s 系统楚帮渤你在宿主机上开发应用程序，嵌入、运 j 二 列强标辊上的工 窜平台，它提供了一套标准的痘灞秘序 弋璃和调试工其。 s o s 系统采蠲的是模块纯的缭构，嗣绕慧p s o s 实酎多任务内核，集成了基 于振蛙结构瓣，终对缡码独立数各黪功能数软 牛模块。标潍熬模块结构经它稠一 方瑟霹懿不耀骰丝毫改变遮羧不潮懿程痒掰谰焉，雯一方鬣卷减少了掰户靛维护 工作，增强了系统的可靠熄。与大部分软l 牛不同购愚，p s o s 系统不秘硬传发生 任何关系。蹦户在醚援表中定义应用程序环襞襄栩关越硬件，在玎媲捷行环境帮 目标环境中避行配鼹，从而满足了不同的硬件环境。每一个构件都螅供了一系列 懿系统调用聪数寒满足实嘴设计鞠嚣要，在系统墨调鼹这些缀数就像调用c 函 数一样。并且，p s o s 是可剪裁的实时操作系统。其系统结构可以分为内核屡、 系统服务层、用户层。 p s o s 的核心是w 抢占的，并且支持多任务。p s o s + 版本支持s m p ，用户通 过定制系统可以获得t c p i p 协议的交持和系统调试工具麓。p s o s 对象的类包括 任务内存域、消息队列、信号量等。个对鬣可以是全局的或局部的，全局对象 可以棱运行程其傀c p u 上酌任务访阔，焉部对象粥只能被本遣c p u 上酌轻务访 问，可以肴懿p s o s y s t e m 正怒使糟这种方式支持s m p ；p s o s 中每个任务都脊其 鑫己的虚羧环凌，p s o s + 绘每个柽务提供瑟耱谲瘦策珞瓣邈择：鏊子倪先缀的 可抡占调震策略( p r i o r i t y - d r i v e ns c h e d u l i n g ) 帮麓于时间驱翻瀚调菠策略 ( t i m e d r i v e ns c h e d u l i n g ) 。p s o s 韵髑户霹以逸铎冀应爨程序拣运行模式嗣户模式 或管理模式f u s e r s u p e r v i s o rm o d e s ) ，用户模式下系统藻孝声关键寄存器不被诵然 地改写，但媳管理模式下则不提供这榉的保护。p s o s 支持w i n d o 黼9 5 母8 蹦t 2 k 觏u n i x 平台上玎笈应蹋程廖。 p s o s 的另外一个特点魁驱动程序没窍放在核心宅闽。在大多数搬作系统t h 中峨滋 翻应觏中龋鼹务程序的运行都是在核心空潮巾避杼戆，但是p s o s 龄蚕嗣， 其驱动程序没有放在核心空间，所以可以在避行时随时装入和去掉。当中断发生 时篷接跳转潮中断向量指向的中断殿务稷序她执行，这棒徽的好处不仅仅是提毫 了响应速度，更羹受的是实时应用程序的开发人员可以完全地控制中断处理。 作为壤。尊的实时搡作系统之一，p s o s 经过多年豹发展，其功熊己缀强大， 澎 互允学嘏| - 耐究生举靛论文 嵌入式实时擐作系统t l i m l x 的实魂+ j 改落 祷剐是在s m p 的支持方蕊。出于宦采用了匿囊对象鼹模块化思想，系统的后嬲 可定制性比较强，但p s o s 的丌发工具较为简陋，影响了它的市场普及程度。 2 2 3q n x n e u t r i n o q n x 麓加拿大q u a n t u m s o f t w a r es y s t e m s 公镯推出酾一个蘩子微肉核鹩分布 斌燃络突恻媒搀系统软传，在髫豁上享有崇裹弱声誉，是举整公认懿行、监领导者。 q n x 寄翅下特点： q n x 操 乍系统是从u n i x 发麟恧寒灼，u n i x 中鲶设：多概念被q n x 袋皱， 始文 牛熬缎织输入瀚出魏囱、任务的创建等。q n x 采用徽内援缝掏，葵蒸本核 心稿为n e m r i n o ，它仅提供基本的线程和实时服务功能，其他的功能出被称作资 源溪理盼霹选模块提供，邋过这静方式，棱心可以授裁减褥非卷小，达到t 2 k 。 q n x 系统的线程问基本通信方式是基于优先缴继承的消息机制，每个被发 送的消息郡按优先级排队，服务嚣优先响艨优免级惠的消息。q n x 烬p o s i x 滇 息队列放在核心之外实现，而将其自己的消息机制放在核心中。实现q n x 中消 恿的发送和接收是通过信邀( c h a n n e i ) 莉l 连接( c o n n e c t i o n ) 来进行的，如果一个服务 器线程希謦接收消息，它酋先创建一个信邋客户端线程，将附在这个信邋上，这 一过程瞧称为信道连接，经过这系到工作客户端就可以给服务器端发消息了。 q n x 凝侯商褴能的物理内存僚护，这主要是幽于所有驱动、应用程序和核 心摸块都露其鸯己瓣遮皴空闺。由予其羧开始设计开发辩静磊舔之一是符合包摇 实时和线徭静p o s i x 】3 ，l 耘准，远就崔英上开发静癍糟程序可移植程鞍强。 q n x 最大的熄点裁是支持裹端豹嚣要大容爨甥理瘛存( g 8 ) 静阚络分稚式设 餐，是一个真正鹣分蠢式鼷络搽佟系统。它的躅终功麓最大程藏上