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东 北大学 硕士学 位论文 摘要 一种实时任务可调度性问题的研究 摘要 嵌入式系统一般指非 p c系统，包括硬件和软件两部分。硬件包括微处理 器、存储器及i / o端口 等。软件部分包括应用程序和嵌入式操作系统 ( e o s ) e 嵌入式操作系统一般要求实时和多任务操作，这里的 “ 实时”不仅意味着要求 逻辑结果正确，而且要求结果必须产生在截止时间之前。 a r ml i n u x是一个嵌入式操作系统。对于嵌入式系统来说，通过预测一个 任务能否在绝对时限之前运行完成而决定是否调度执行是很有意义的。在多代 理协作求解、 交通监控和卫星等各个领域都有这方面的要求。 但是， a r ml i n u x 作为软实时操作系统，当然无法提供这种能力。 基于固定优先级的r m调度策 略的系统虽然可以预测， 但是， 它的对象是周期任务。 而有些系统根本不预测， 只是一直监视任务的运行时间，对超过时限的任务只是简单的杀死。系统利用 率很低。 在a r m l i n u x 上，为了 对新任务的运行结束时间进行预测， 本文对它的内 核做了几处修改:按优先级排序就绪队列;每次时钟中断看是不是有优先级比 当前任务更高的任务就绪，决定是否调度;去掉了 s c h e d r r调度策略。这 样新任务的运行结束时间可以得到准确的计算。系统对不能直接接受的任务， 动态地改变它的实时优先级， 重新插入就绪队列后再做能否接受的判断。 这样， 增加了被系统接受的概率。 另外， 对实际运行时间超过了预计运行时间的任务， 系统直接终止此任务。以避免由于某个任务的超时，使比它优先级低的任务顺 次超时。最后，本文对此系统做了严密的测试，证明了它工作的正确性和稳定 j性。 关键词嵌入式操作系统 优先级 任务时限 运行时间 调度策略 东 北大学 硕士学位论文 abs t racp r e s e a r c h o f s c h e d u l a b i l i t y a b o u t r e a l - t i me p r o c e s s ab s t r a c t g e n e r a l l y , e m b e d d e d s y s t e m ( e s ) m e a n s n o n - p c s y s t e m , it c o n s i s t s o f h a r d w a r e a n d s o f t w a r e . h a r d w a r e c o n s i s t s o f mp u , m e m o r y a n d 1 / o p o r t s e t c . s o f t w a r e c o n s i s t s o f a p p l i c a t i o n s a n d e m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e m ( e o s ) . g e n e r a l l y , e o s d e m a n d s r e a l - t i m e a n d m u l t i t a s k s , t h e r e a l - t i m e h e r e n o t o n l y m e a n s c o r r e c t o u t p u t , b u t a l s o d e m a n d s o u t p u t m u s t b e p r o d u c e d b e f o r e d e a d l i n e . a r ml i n u x i s a n e o s . i t i s s i g n i f i c a t i v e f o r a n e o s t o d e c i d e w h e t h e r a p r o c e s s c o u l d b e s c h e d u l e d d e p e n d i n g o n w h e t h e r i t c o u l d c o m p l e t e b e f o r e a b s o l u t e d e a d l i n e . i t i s u s e d i n mu l t i - a g e n t s c o o r d i n a t i o n , t r a f f i c w a t c h a n d s a t e l l i t e e t c f i e l d s . a s a s o ft r e a l - t i m e e o s , a r ml i n u x c e r t a i n l y c a n n t p r o v i d e t h i s a b i l i t y . s c h e d u l i n g p o l i c y b a s e s o n r m c a n p r o v i d e t h i s a b i l i t y , b u t it f a c e s t o p e r i o d p r o c e s s . wh a t i s m o r e , s o m e s y s t e m s o n l y w a t c h e x e c u t i o n o f a p r o c e s s , i f a p r o c e s s e x c e e d s d e a d l i n e , t h e s y s t e m o n l y k i l l s t h e p r o c e s s . t h i s m a k e s s y s t e m d o l i t t l e wo r k . i n o r d e r t o f o r e c a s t t h e c o m p l e t e t i m e o f a n e w p r o c e s s , i m a k e s o m e m o d i f i c a t i o n s i n a r ml i n u x k e rn e l : o r d e r i n g r u n q u e u e b y r e a l - t i m e p r i o r i t y ; e v e r y t i m e r i n t e r r u p t , s c h e d u l i n g i f t h e r e i s a p r o c e s s i n r u n q u e u e w i t h h i g h e r p r i o r i t y t h a n c u r r e n t p r o c e s s ; d e l e t i n g s c h e d r r s c h e d u l i n g p o l i c y . a f t e r t h e s e m o d i f i c a t i o n s , t h e c o m p l e t e t i m e o f a p r o c e s s c a n b e f o r e c a s t e d i n n e w k e rne l . f o r a p r o c e s s t h a t c a n n t b e a c c e p t e d d i r e c t l y , s y s t e m w i l l m o d i f y i t s p r i o r i t y a n d i n s e r t i n t o r u n q u e u e a g a i n a n d d e c i d e w h e t h e r i t c o u l d b e a c c e p t e d . t h i s e n h a n c e s p r o b a b i l i t y o f a p r o c e s s i s a c c e p t e d b y s y s t e m . i f a p r o c e s s e x c e e d s i t s e s t i m a t e e x e c u t i o n t i m e , s y s t e m w i l l k i l l t h e p r o c e s s d i r e c t l y . t h i s c a n a v o i d t h a t o t h e r p r o c e s s e s w i l l o v e r t i m e b e c a u s e o f t h i s p r o c e s s s o v e r t i me . d u r i n g t h e t e s t , i g e t s o m e r e s u l t s t h a t c o u l d p r o v e t h e c o r r e c t n e s s a n d s t a b i l i t y o f t h i s s y s t e m. k e y w o r d s e m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e m , p r i o r i t y , d e a d l i n e , e x e c u t i o n t i m e , s c h e d u l i n g p o l i c y iii 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导 师的指导 卜 完成的。论文中 取得的研究成果除加以 标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 纵森 获 日 期 : 卿斗 弃1 ， 月 习日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名;否则视为不同 意。 ) 学 位 论 文 作 者 签 名 : -4未 城 签 字 日 期 : ， 年州-2,7 日 导师签名: 签字日期: 东北大学硕士学 位论文 第一章 引言 擎 一 音日i 言 二 刁 下二j 二二 刁 1 . 1课题的背景 嵌入式系统一般指非 p c系统，它包括硬件和软件两部分。嵌入式系统正 处在一个飞速发展和激烈竞争的时代，未来的几年里这种发展和竞争将达到白 热化的程度。从嵌入式系统的技术和市场上来说，国外发展速度极快，技术日 趋成熟。而国内发展也增长很快。 嵌入式i n t e r n e t 技术 u 作为一种将传统的嵌入式系统与新兴的i n t e r n e t 应用 结合起来的技术，也正在飞速发展。嵌入式系统特别是嵌入式i n t e r n e t 的出现， 使得众多的工业仪器、设备以及家用电器设备连接到 i n t e rn e t 上成为可能。设 备上网的概念不只是简单的指设备可以访问i n t e r n e t ,可以获取网上资源， 除此 之外， 设备也应该能够被用户或网上其它的设备访问到。 人们可以通过i n t e r n e t 远程监控这些设备，使嵌入式i n t e rne t 成为 “ 2 1 世纪的一场革命” 。 作为嵌入式系统灵魂的嵌入式操作系统在嵌入式系统中有着重要的地位 国外嵌入式操作系统己经从简单走向成熟， 主要有p o w e r t v , p a l s o s , wi n d o w s c e等，占据了机顶盒、p d a等绝大部分的市场。国内的嵌入式操作系统研究 开发有 2种类型:一类是基于国外操作系统 二 次开发完成的，如海信的基于 wi n d o w s c e的机顶盒系统;另一类是中国自 主开发的嵌入式操作系统，如凯 思集团公司自 主 研制开发的 嵌入式操作系统h o p e n o s c “ 女蜗计划” ) 。 在国内， 东北大学赵海博士领导的嵌入式研发小组正在致力于嵌入式 i n t e r n e t 的研究与 开发，已经成功的开发了商用产品 w e b i t ，运行其上的是自主开发的嵌入式实 时抢占式操作系统w e b i t o s 。现在，正对h h a r m2 4 1 0 单片机上的嵌入式操作 系统a r m l i n u x 做二次开发， 其中的一个方面的工作就是预测一个新任务能否 在绝对时限之前运行完成来决定是否调度运行。 1 .2课题的提出 现在，嵌入式系统己经得到了飞速的发展。作为嵌入式系统灵魂的嵌入式 东北大学硕士学 位论文 第一章 引言 擎 一 音日i 言 二 刁 下二j 二二 刁 1 . 1课题的背景 嵌入式系统一般指非 p c系统，它包括硬件和软件两部分。嵌入式系统正 处在一个飞速发展和激烈竞争的时代，未来的几年里这种发展和竞争将达到白 热化的程度。从嵌入式系统的技术和市场上来说，国外发展速度极快，技术日 趋成熟。而国内发展也增长很快。 嵌入式i n t e r n e t 技术 u 作为一种将传统的嵌入式系统与新兴的i n t e r n e t 应用 结合起来的技术，也正在飞速发展。嵌入式系统特别是嵌入式i n t e r n e t 的出现， 使得众多的工业仪器、设备以及家用电器设备连接到 i n t e rn e t 上成为可能。设 备上网的概念不只是简单的指设备可以访问i n t e r n e t ,可以获取网上资源， 除此 之外， 设备也应该能够被用户或网上其它的设备访问到。 人们可以通过i n t e r n e t 远程监控这些设备，使嵌入式i n t e rne t 成为 “ 2 1 世纪的一场革命” 。 作为嵌入式系统灵魂的嵌入式操作系统在嵌入式系统中有着重要的地位 国外嵌入式操作系统己经从简单走向成熟， 主要有p o w e r t v , p a l s o s , wi n d o w s c e等，占据了机顶盒、p d a等绝大部分的市场。国内的嵌入式操作系统研究 开发有 2种类型:一类是基于国外操作系统 二 次开发完成的，如海信的基于 wi n d o w s c e的机顶盒系统;另一类是中国自 主开发的嵌入式操作系统，如凯 思集团公司自 主 研制开发的 嵌入式操作系统h o p e n o s c “ 女蜗计划” ) 。 在国内， 东北大学赵海博士领导的嵌入式研发小组正在致力于嵌入式 i n t e r n e t 的研究与 开发，已经成功的开发了商用产品 w e b i t ，运行其上的是自主开发的嵌入式实 时抢占式操作系统w e b i t o s 。现在，正对h h a r m2 4 1 0 单片机上的嵌入式操作 系统a r m l i n u x 做二次开发， 其中的一个方面的工作就是预测一个新任务能否 在绝对时限之前运行完成来决定是否调度运行。 1 .2课题的提出 现在，嵌入式系统己经得到了飞速的发展。作为嵌入式系统灵魂的嵌入式 鱼ir 进 % x -i - !t 4 论 文_ _第 一 章引 言 操作系统也在飞速的发展，并且己 经从简单走向了成熟。许多商用的嵌入式操 作系统如 p a 1 s o s . w i n d o w s c e . v x w o r k s 等已 经发展很成熟，并且已经应用 在很多 领域。它们各有各的优点和缺点。但是，这些商用嵌入式操作系统两个 共有的 缺点:一个是作为商用的嵌入式操作系统价格都比较昂贵，一般的个人 和组织可能不想花这么大的代价购买;另一个是源代码都不公开，嵌入式操作 系统的功能不能按自己的需要改动。在这种情况下，源代码免费开放的嵌入式 l i n u x 操作系统就成为了理想的选择。陆续推出了很多版本的l i n u x 操作系统， 如u c l i n u x , a r ml i n u x 等。 我们实验室正在由赵海博士的领导下， 对a r ml i n u x 做二次开发来作为h 14 a r m2 4 1 0 单片机的操作系统。 目前，大多数嵌入式操作系统，包括商用的嵌入式操作系统都没有预测任 务的完成时间，使许多任务无法保证在绝对时限之前运行完成。然而，这个功 能在许多时候是非常重要的。如在多代理协作、交通监控和卫星等领域都有这 方面的要求。为了实现这个功能，有些系统只是简单的检测任务的执行时间， 如果超过了时限，只是简单的杀死。可想而知，系统的利用率很低。有些系统 检测的 对象还是相对时限4 1 。 还有一类系统是基于固定优先级的r m调度策略 的系统， 根据r m算法， 对于新周期性任务， 可以通过计算c p u利用率来判断 新的周期任务是否可以在截止时间之前完成。但是，它的对象是周期任务，而 且截止时间是相对时限。 而目前的a r ml i n u x 嵌入式操作系统根本没提供任何 这方面的机制。为a r ml i n u x 增加一项通过预测任务的运行时间，以判断此任 务能否在不影响比它优先级低的任务运行超时的情况下在自己的绝对时限4 1 之 前按时运行完成的功能是一件很有意义，也很有趣的事情。 在这种情况下， 本文对a r ml i n u x 做了改进， 使a r ml i n u x 可以预测一个 新任务是否可以在不影响比它优先级低的任务超时的情况下自己能在绝对时限 内运行完成。但是a r ml i n u x 原来的内核直接实现这种机制几乎是不可能的。 因为它的调度机制和它的实时性决定了它的运行时间是不可预测的。因此，本 文先对a r ml i n u x的内核做了几处修改:按优先级排序就绪队列;每次时钟中 断看是不是有优先级比当前任务更高的任务就绪，决定是否调度;去掉了 s c h e d _ r r调度 策略， 只留s c h e d _ f i f o调度策略。 这样任务的 运行就 可以 预测， 新任务的运行时间可以得到准确的计算。 再加入了计算运行时间的算法。 这样就可以通过预测任务的运行时间来决定是否接受任务，以保证在不使其它 比它优先级低的任务超时的情况下此任务也能按时运行完成。对不能直接接受 主l k !* ahh 全 鉴 位 论 文_第 一 章引 言 的任务，还可以动态的改变实时优先级来重新插入就绪队列来做第二次判断。 这样，增加了被系统接受的概率。有时候，用户对任务运行时间的估计可能小 于任务实际的运行时间。这种情况下，比它优先级低的任务运行的结束时间就 会顺次增加。为了不出现这种情况，本文对这类运行超时的任务直接杀死，以 避免由于某个任务的运行超时，使比它优先级低的任务的运行结束时间顺次超 时。 1 . 3论文的组织 本文共分为七章，以下是各章的简要介绍: 第一章是引言，主要介绍了本课题的背景和课题的提出。 第二章是相关技术背景，主要介绍嵌入式系统和嵌入式操作系统的概念， 操作系统任务和调度算法的介绍等相关技术背景。 第三章是介绍课题的硬件环境和软件环境。 第四章是对a r ml i n u x的内核进行修改，使任务的运行可以得到控制。 第五章是对修改过的a r m l i n u x 设计并实现一个算法，以 通过预测 一 个任 务是否可以在不影响其它比它优先级低的任务运行超时的情况下在自己的绝对 时限内运行完成来决定是否接受此任务。这是论文的核心部分。 第六章是对本文提出的解决方案的测试和评价。 第七章是结束语，是对全文的总结。 主l k !* ahh 全 鉴 位 论 文_第 一 章引 言 的任务，还可以动态的改变实时优先级来重新插入就绪队列来做第二次判断。 这样，增加了被系统接受的概率。有时候，用户对任务运行时间的估计可能小 于任务实际的运行时间。这种情况下，比它优先级低的任务运行的结束时间就 会顺次增加。为了不出现这种情况，本文对这类运行超时的任务直接杀死，以 避免由于某个任务的运行超时，使比它优先级低的任务的运行结束时间顺次超 时。 1 . 3论文的组织 本文共分为七章，以下是各章的简要介绍: 第一章是引言，主要介绍了本课题的背景和课题的提出。 第二章是相关技术背景，主要介绍嵌入式系统和嵌入式操作系统的概念， 操作系统任务和调度算法的介绍等相关技术背景。 第三章是介绍课题的硬件环境和软件环境。 第四章是对a r ml i n u x的内核进行修改，使任务的运行可以得到控制。 第五章是对修改过的a r m l i n u x 设计并实现一个算法，以 通过预测 一 个任 务是否可以在不影响其它比它优先级低的任务运行超时的情况下在自己的绝对 时限内运行完成来决定是否接受此任务。这是论文的核心部分。 第六章是对本文提出的解决方案的测试和评价。 第七章是结束语，是对全文的总结。 东北大学 硕士学位论文 第二章 相关 技术背景 第二章 相关技术背景 2 . 1嵌入式系统 随着 i n t e r n e t 网的广泛普及应用和各种多媒体设备以 及无线网络的发展， 嵌入式系统的应用也越来越广泛。嵌入式系统一般指非 p c系统，它包括硬件 和软件两部分。硬件包括处理器/ 微处理器、 存储器及外设器件和u o端口、图 形控制器等。软件部分包括应用程序编程和运行在嵌入式系统中的嵌入式操作 系统软件 ( e o s ) 。 它主要完成信号控制的功能。它体积小， 结构紧凑， 可作为 一个部件埋藏于所控制的装置中， 它提供用户接口、 管理有关信息的输入输出、 监控设备工作，使设备及应用系统有较高智能和性价比。软硬件可剪裁，适用 于对功能、体积、成本、可靠性、功耗有严格要求的计算机系统中。嵌入式系 统， 最早出现在6 0 年代武器控制中， 后来用于军事指挥控制和通信系统， 现在 广泛用于民用机电一体化产品中。嵌入式系统正处在一个飞速发展和激烈竞争 的时代，未来的几年里这种发展和竞争将达到白热化的程度。从嵌入式系统的 技术和市场上来说，国外发展速度极快，技术日趋成熟。而国内发展也增长很 快。嵌入式系统同通用型计算机系统相比具有以下特点: ( 1 )嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式 c p u。与通用型的最大不 同就是嵌入式c p u大多工作在为特定用户群设计的系统中， 它通常都具有低功 耗、 体积小、 集成度高等特点， 能够把通用c p u中许多由板卡完成的任务集成 在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟 网络的祸合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、 半导体技术和电子技术与各个行 业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金 密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计， 量体裁衣、 去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样刁 能在具体应用中对处理器的 选择更具有竞争力。 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起， 它的升级换代也是和具体 东北大学 硕士学位论文 第二章 相关 技术背景 第二章 相关技术背景 2 . 1嵌入式系统 随着 i n t e r n e t 网的广泛普及应用和各种多媒体设备以 及无线网络的发展， 嵌入式系统的应用也越来越广泛。嵌入式系统一般指非 p c系统，它包括硬件 和软件两部分。硬件包括处理器/ 微处理器、 存储器及外设器件和u o端口、图 形控制器等。软件部分包括应用程序编程和运行在嵌入式系统中的嵌入式操作 系统软件 ( e o s ) 。 它主要完成信号控制的功能。它体积小， 结构紧凑， 可作为 一个部件埋藏于所控制的装置中， 它提供用户接口、 管理有关信息的输入输出、 监控设备工作，使设备及应用系统有较高智能和性价比。软硬件可剪裁，适用 于对功能、体积、成本、可靠性、功耗有严格要求的计算机系统中。嵌入式系 统， 最早出现在6 0 年代武器控制中， 后来用于军事指挥控制和通信系统， 现在 广泛用于民用机电一体化产品中。嵌入式系统正处在一个飞速发展和激烈竞争 的时代，未来的几年里这种发展和竞争将达到白热化的程度。从嵌入式系统的 技术和市场上来说，国外发展速度极快，技术日趋成熟。而国内发展也增长很 快。嵌入式系统同通用型计算机系统相比具有以下特点: ( 1 )嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式 c p u。与通用型的最大不 同就是嵌入式c p u大多工作在为特定用户群设计的系统中， 它通常都具有低功 耗、 体积小、 集成度高等特点， 能够把通用c p u中许多由板卡完成的任务集成 在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟 网络的祸合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、 半导体技术和电子技术与各个行 业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金 密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计， 量体裁衣、 去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样刁 能在具体应用中对处理器的 选择更具有竞争力。 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起， 它的升级换代也是和具体 东 北大学 硕士学 位论文 第二章 相关技术背景 产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性， 嵌入式系统中的软件一般都固化在 存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 没有嵌入式操作系统的嵌入式系统就像没有操作系统的p c机，是毫无意 义的。嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂。 2 .2嵌入式操作系统 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e m )是运行在嵌入式系统 中的操作系统，是嵌入式应用软件的基础和开发平台。过去它主要应用于 l 业 控制和国防系统领域。 e o s 负责嵌入系统的全部软硬件资源的分配、 调度 1 二 作， 控制、协调并发活动;它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块 来达到系统所要求的功能。目前，己推出一些应用比较成功的e o s 产品系列。 随着i n t e rn e t 技术的发展、 信息家电的普及应用及e o s 的微型化和专业化， e o s 开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实 时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突 出的特点。 e o s 是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基 木的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外， 还有以下特点: ( 1 )可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。 ( 2 )强实时性。e o s 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 ( 3 )统一的接口。提供各种设备驱动接日。 ( 4 )操作方便、简单、提供友好的图形g u i ，图形界面，追求易学易用。 ( 5 )提供了强大的网络功能，支持 t c p / i p协议及其它协议，提供了 t c p / u d p / i p / p p p 协议支持及统一的m a c访问层接口， 为各种移动计算设备预 留接 口。 ( 6 ) 强稳定性， 弱交互性。 嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的 干预， 这就要负责系统管理的e o s具有较强的稳定性。 嵌入式操作系统的用户 接口一般不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。 ( 7 ) 固化代码。 在嵌入式系统中， 嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌 入式系统计算机的 r o m 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌 入式操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸， 而用各种内存文件系统。 东 北大学 硕士学 位论文 第二章 相关技术背景 产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性， 嵌入式系统中的软件一般都固化在 存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 没有嵌入式操作系统的嵌入式系统就像没有操作系统的p c机，是毫无意 义的。嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂。 2 .2嵌入式操作系统 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e m )是运行在嵌入式系统 中的操作系统，是嵌入式应用软件的基础和开发平台。过去它主要应用于 l 业 控制和国防系统领域。 e o s 负责嵌入系统的全部软硬件资源的分配、 调度 1 二 作， 控制、协调并发活动;它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块 来达到系统所要求的功能。目前，己推出一些应用比较成功的e o s 产品系列。 随着i n t e rn e t 技术的发展、 信息家电的普及应用及e o s 的微型化和专业化， e o s 开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实 时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突 出的特点。 e o s 是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基 木的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外， 还有以下特点: ( 1 )可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。 ( 2 )强实时性。e o s 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 ( 3 )统一的接口。提供各种设备驱动接日。 ( 4 )操作方便、简单、提供友好的图形g u i ，图形界面，追求易学易用。 ( 5 )提供了强大的网络功能，支持 t c p / i p协议及其它协议，提供了 t c p / u d p / i p / p p p 协议支持及统一的m a c访问层接口， 为各种移动计算设备预 留接 口。 ( 6 ) 强稳定性， 弱交互性。 嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的 干预， 这就要负责系统管理的e o s具有较强的稳定性。 嵌入式操作系统的用户 接口一般不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。 ( 7 ) 固化代码。 在嵌入式系统中， 嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌 入式系统计算机的 r o m 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌 入式操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸， 而用各种内存文件系统。 主 些 遗 竺 岁 竺 些 于一 一 一 一 一 一 一 一 一 止 9 _ * ( 8 )更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 国际上用于信息电 器的嵌入式操作系统有4 。 种左右。 现在， 市场上非常流 行的e o s 产品， 包括3 c o m公司下属子公司的p a l m o s ， 全球占 有份额达5 0 % , mi c r o s o f t 公司的win d o w s c e不过2 9 %。在美国市场，p a l m o s 更以8 0 %的占 有率远超wi n d o w s c e 。开放源代码的l i n u x 很适于做信息家电的开发。比如: 中科红旗软件技术有限公司开发的红旗嵌入式l i n u x 和美商网虎公司开发的基 于x l i n u x的嵌入式操作系统“ 夸克” 。“ 夸克” 是目 前全世界最小的l i n u x ，它有 两个很突出的特点， 就是体积小和使用g c s 编码。 论文中所用到的嵌入式操作 系统是a r m l i n u x 。 可以预钡 j ， 嵌入式l i n u x 操作系统将会有非常广阔的前景。 嵌入式系统的层次图如图2 . 1 所示。 l用程序 实用程序 嵌入 式操作系统 嵌入式系统硬件 图2 . 1嵌入式系统的层次模型 f ig . 2 . 1 mo d e l o f e mb e d d e d s y s t e m l e v e l 2 . 3进程 2 . 3 . 1概述 本小节将讨论 “ 进程”这个概念，这是操作系统中最基本的一个概念。需 要强调一点的是这里混用了 “ 进程”和 “ 任务”这两个概念，有的地方叫 “ 进 程” ，而有的地方叫 “ 任务” 。因为 a r ml i n u x中对这两个名词没做区别，也是 混用的。 所以， 本文也就对这两个名词也不加区别。 因为论文中涉及的只是“ 进 程”这个整体概念，所以，这里只讨论进程的状态和描述两方面的问题。由于 篇幅原因，对线程、互斥、同步、死锁和饿死等概念不作介绍，想了 解这些内 容请参照论文所附的参考文献。 “ 进程”是操作系统中最基本的概念，定义也有很多。下小节将对它进行 详细地介绍。 主 些 遗 竺 岁 竺 些 于一 一 一 一 一 一 一 一 一 止 9 _ * ( 8 )更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 国际上用于信息电 器的嵌入式操作系统有4 。 种左右。 现在， 市场上非常流 行的e o s 产品， 包括3 c o m公司下属子公司的p a l m o s ， 全球占 有份额达5 0 % , mi c r o s o f t 公司的win d o w s c e不过2 9 %。在美国市场，p a l m o s 更以8 0 %的占 有率远超wi n d o w s c e 。开放源代码的l i n u x 很适于做信息家电的开发。比如: 中科红旗软件技术有限公司开发的红旗嵌入式l i n u x 和美商网虎公司开发的基 于x l i n u x的嵌入式操作系统“ 夸克” 。“ 夸克” 是目 前全世界最小的l i n u x ，它有 两个很突出的特点， 就是体积小和使用g c s 编码。 论文中所用到的嵌入式操作 系统是a r m l i n u x 。 可以预钡 j ， 嵌入式l i n u x 操作系统将会有非常广阔的前景。 嵌入式系统的层次图如图2 . 1 所示。 l用程序 实用程序 嵌入 式操作系统 嵌入式系统硬件 图2 . 1嵌入式系统的层次模型 f ig . 2 . 1 mo d e l o f e mb e d d e d s y s t e m l e v e l 2 . 3进程 2 . 3 . 1概述 本小节将讨论 “ 进程”这个概念，这是操作系统中最基本的一个概念。需 要强调一点的是这里混用了 “ 进程”和 “ 任务”这两个概念，有的地方叫 “ 进 程” ，而有的地方叫 “ 任务” 。因为 a r ml i n u x中对这两个名词没做区别，也是 混用的。 所以， 本文也就对这两个名词也不加区别。 因为论文中涉及的只是“ 进 程”这个整体概念，所以，这里只讨论进程的状态和描述两方面的问题。由于 篇幅原因，对线程、互斥、同步、死锁和饿死等概念不作介绍，想了 解这些内 容请参照论文所附的参考文献。 “ 进程”是操作系统中最基本的概念，定义也有很多。下小节将对它进行 详细地介绍。 东 北大学 硕士学位论文第二章 相关技术背景 2 . 3 .2进程的定义和特性 “ 进程” 这一术语， 在6 0 年代初期， 首先在麻省理工学院的mu l t i c s 系 统和i b m公司的c t s s / 3 6 0 系统中引入，其后又有许多人从不同的角度对 “ 进 程”下过各种定义，其中较能反映进程实质定义的有: ( 1 )进程是程序的一次执行; ( 2 )进程是可以和别的计算并发执行的计算; ( 3 )进程可以定义为一个数据结构及能在其上进行操作的一个程序; ( 4 )进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动; ( 5 ) 进程是程序在一个数据集合上的运行过程， 是系统进行资源分配和调 度的一个独立单位。 据此，我们可以把 “ 进程”定义为:可以并发执行的程序在 一 个数据集合 上的运行过程。 进程有五 个基本特性: 动态 性、并发性、 独立性、 异步性和结构特性15 1 2 . 3 . 3进程的状态 一般来说， 不同的操作系统中进程的状态种类是不同的。 甚至可以只有“ 运 行” 和 “ 不运行” 两种状态。 我们以一般常见的来说， 进程有五种状态如图2 .2 所示2 l , _、 、 、_分 派一。、一 竺 ) juiy 7iy ( 票耳嘉凳少 ailix 事件发生 事件等待 竺夕 图2 .2五状态进程模型 f i g . 2 . 2 mo d e l o f p r o c e s s w i t h fi v e s t a t e s 运行 ( r u n n i n g ) :该进程正 在被执行。 就绪 ( r e a d y ) : 进程做好了 准备，只要有机会就开始执行。 阻塞 ( b l o c k e d ) :进程在某个事件发生之前不能执行，如i / o操作完成。 东 北大学 硕士学位论文第二章 相关技术背景 2 . 3 .2进程的定义和特性 “ 进程” 这一术语， 在6 0 年代初期， 首先在麻省理工学院的mu l t i c s 系 统和i b m公司的c t s s / 3 6 0 系统中引入，其后又有许多人从不同的角度对 “ 进 程”下过各种定义，其中较能反映进程实质定义的有: ( 1 )进程是程序的一次执行; ( 2 )进程是可以和别的计算并发执行的计算; ( 3 )进程可以定义为一个数据结构及能在其上进行操作的一个程序; ( 4 )进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动; ( 5 ) 进程是程序在一个数据集合上的运行过程， 是系统进行资源分配和调 度的一个独立单位。 据此，我们可以把 “ 进程”定义为:可以并发执行的程序在 一 个数据集合 上的运行过程。 进程有五 个基本特性: 动态 性、并发性、 独立性、 异步性和结构特性15 1 2 . 3 . 3进程的状态 一般来说， 不同的操作系统中进程的状态种类是不同的。 甚至可以只有“ 运 行” 和 “ 不运行” 两种状态。 我们以一般常见的来说， 进程有五种状态如图2 .2 所示2 l , _、 、 、_分 派一。、一 竺 ) juiy 7iy ( 票耳嘉凳少 ailix 事件发生 事件等待 竺夕 图2 .2五状态进程模型 f i g . 2 . 2 mo d e l o f p r o c e s s w i t h fi v e s t a t e s 运行 ( r u n n i n g ) :该进程正 在被执行。 就绪 ( r e a d y ) : 进程做好了 准备，只要有机会就开始执行。 阻塞 ( b l o c k e d ) :进程在某个事件发生之前不能执行，如i / o操作完成。 全竺全些 鱼 生 竺 二 一 一 一 一 一 一 一 一 新建( n e w ) : 刚刚 创建的 进 程， 操 作系 统还没有 把它加 到可 执行 进程组中， 通常是还没有加载到主存中的新进程。 退出 ( e x i t ) : 操作系统从可执行进程组中 释放出的进程， 或者是因为它自 身停止了，或者是因为某种原因被取消。 2 .3 .4进程的控制结构 考虑操作系统在管理和控制进程时必须知道什么。首先，必须知道进程的 位置， 再者， 必须知道在管理时所必须的进程属性 ( 例如， 进程i d 、 进程状态、 存储器中的位置) 。 在我们处理进程定位问题和进程属性之前， 首先要解决一个 更基本的问题:进程的物理表示是什么?进程最少必须有一个或一组被执行的 程序，与这些程序相关联的是局部变量、全局变量和任何已定义常量的数据单 元。 因此， 一个进程至少包括足够的存储器空间，以保证该进程的程序和数据; 此外， 程序的执行通常涉及到用于跟踪过程调用和过程间参数传递的栈。 最后， 与每个进程相关联的还有操作系统用于控制进程的许多属性，通常，属性的集 合称作进程控制块p c b ( p r o c e s s c o n t r o l b l o c k ) ， 程序、 数据、 栈和属性的集合 称 作 进 程 映 像( p r o c e s s i m a g e ) lz l o 虚 存中 的 进 程映 像 如 果2 .3 所示。 在 实 际的 物理内存中，进程的元素没有变，只是不一定在连续的物理内存中。 _进程 标识号 处理器状态信息 进程 控 制 信息 用户栈 专用用户地址空间 ( 程序、数据) 共享地址空间 . i ， . - - - - - - - - - . . . . - - - - - - 一j 图2 . 3 虚存中的用户进程 f i g . 2 . 3 u s e r p r o c e s s i n v i r t u a l m e m o r y 进程控制块是操作系统中最重要的数据结构。每个进程控制块包含了操作 一 8- 全竺全些 鱼 生 竺 二 一 一 一 一 一 一 一 一 新建( n e w ) : 刚刚 创建的 进 程， 操 作系 统还没有 把它加 到可 执行 进程组中， 通常是还没有加载到主存中的新进程。 退出 ( e x i t ) : 操作系统从可执行进程组中 释放出的进程， 或者是因为它自 身停止了，或者是因为某种原因被取消。 2 .3 .4进程的控制结构 考虑操作系统在管理和控制进程时必须知道什么。首先，必须知道进程的