（通信与信息系统专业论文）基于媒体处理器的实时操作系统设计研究.pdf

摘要 鬈5 8 1 s 9 作为当今一个应_ i ； j 的热点，多媒体应用强劫的推动着芯片业的发展，有强人处理能力的 可编氍媒体信号处理器芯片发挥着越来越重要的作州。由r 实时操作系统不仅能提高姒体处 理器芯片的性能硐i 可靠性，而且能在芯片验证叫发挥作用，m t t l 它日益成为芯片系统中不_ 【；l j 分割的一部分。本文以可编鞋媒体信号处理器m e d i a d s p 3 2 0 0 ( 简称m d 3 2 ) 为处理器原型， 没计并实现了个基于盘! l ! 体信号处理器的实时操作系统i o t a 。 设计的实时操作系统内核，包括任务管理、任务间通信、存储管理、时钟管理和异常处 理系统调j e ；i 等部分。实时内核支持1 6 个任务，它采用抢占调度机制来提高实时性能；任务 问同步使j _ ；i 信号最来实现；实时内核采用了互斥信号量避免优先级反转；实时内核采用了分 页不交换的虚拟存储机制，实现了一种简单的存储保护和共享机制；存储管理静态管理任务 的存储空间，同时给任务提供了动态内存管理的服务函数：存储共享实现了进稃间的零开销 通信；时钟管理给任务提供了定时功能，并可以设置和读取系统时间；异常处理的实现提高 了系统错谈处理能力；系统凋用给应i ：| 进入内核调用服务提供了接口。 实时操作系统1 0 t a 设计了文件系统，它把设备当作文件进行管理和操作，屏蔽了硬件 特性，易丁多平台移植和验证。媒体处理的数据流很大，为了提高平台验证时下载速度，i o t a 醍计了网络协议栈，来提高数据传输速度，从而缩短验证时间。 作者同时实现了一种基于r t o s 软硬件仿真验证平台。r t o s 和软件不仅可以在这个仿 真验证平台调试验证，而且可以验证硬件的正确性。r t o s 通过修改硬什抽象层，把文件输 出重定向到新的显示终端，就实现了异构平台上的仿真。基于r t o s 的软硬件仿真验证平台， 减少仿真验证的i ：作最，加快了软什开发的进程。 笑键词： 媒体信号处理器、系统集成芯片( s o c ) 、软硬件协同设计、实时操作系统( r t o s ) 、软硬 件协同验证 靛爆能：学、苷女i 同意 匆垒要公 i 浙江人学坝1 ：学位论文 a b s t r a c t a sa l la p p l i c a t i o nh o t s p o t ，m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o na l s og r e a t l yi m p r o v e st h ed e v e l o p m e n to f i ci n d u s t r y w i t ht h ep o w e r f u lp r o c e s s i n ga b i l i t y , p r o g r a m m a b l em e d i as i g n a lp r o c e s s o rh a sb e e n m o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h ea p p l i c a t i o n ，t h er e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) c a nn o to n l y i m p r o v et h ep e r f o r m a n c e a n dr e l i a b i l i t yo ft h em e d i ap r o c e s s o rs o c ，b u ta l s os i m p l i f yt h e d e v e l o p m e n ta n dd e b u g g i n go fm e d i ap r o c e s s o rs o c t h e r ei s ag r o w i n gc o n s e n s u st h a tr t o s h a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l e p a r to fs o c w ed e s i g n e da n dr e a l i z e dar e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ， n a m e di o t a ，f o rm e d i a p r o c e s s o r m e d i a d s p 3 2 0 0 ( m d 3 2 ) i s t h e p r o t o t y p em e d i ap r o c e s s o r , t h er e a l - t i m em i c r o k e r n e lw ed e s i g n e di n c l u d e st h e f o l l o w i n gp a r t s ：t a s km a n a g e m e n t ， s y n c h r o n i z a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n ，m e m o r ym a n a g e m e n t ，t i m em a n a g e m e n t ，i n t e r r u p th a n d l i n g a n d s y s t e m c a l l t h er e a l - t i m em i c r o k e m e l s u p p o r t s 1 6t a s k s t h e p r e e m p t i v es c h e d u l i n g m e c h a n i s mi sa d o p t e df o rt h er e a l t i m et a s k s i o t au t i l i z e ss e m a p h o r et os y n c h r o n i z et h ea c c e s so f s h a r e dr e s o u r c ea n de x e c u t i o no r d e ro fp r o c e s s e s m u t e xe x c l u s i o ns e m a p h o r ei si m p l e m e n t e df o r a v o i d i n gt h ep r i o r i t yi n v e r s i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r o c e s s o rm m u ，as i m p l e m e m o r yp r o t e c t i o na n ds h a r i n gm e c h a n i c a l i s d e s i g n e d i o t aa l s os u p p l i e s ad y n a m i cm e m o r y m a n a g e m e n tm e c h a n i s mt o m e e td y n a m i cm e m o r ya l l o c a t i o nn e e df o rs o m ep r o g r a m s t i m e m a n a g e m e n to f f e r st i m ef u n c t i o nf o rt a s k s ，a n dt h es y s t e mc a nr e a da n ds e t t h et i m e i n t e r r u p t h a n d l i n gi si m p l e m e n t e df o rt h es y s t e mt of i n da n dr e p a i rs y s t e mo ru s e rp r o g r a me r r o r s s y s t e m c a l li si m p l e m e n t e df o rt a s k st oe n t e rk e m e ls p a c ea n de x e c u t es y s t e ms e r v i c e a s i m p l ef i l em a n a g e m e n ti sc o m p l e t e di n i o t a ad e v i c ec a nb eo p e r a t e da n dm a n a g e da sa f i l e b e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo ff i l e m a n a g e m e n t ，i o t ac a ni g n o r et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e h a r d w a r ep l a t f o r ma n dr e g a r dt h eh a r d w a r ed e v i c e sa st h ef i l e s ，s oi tc a nb ee a s yt ob em i g r a t e d f o rt h eo t h e rh a r d w a r ep l a t f o r m b e c a u s et h ed a t ao fm e d i a p r o c e s s i n gi sl a r g e ，as i m p l en e t w o r k p r o t o c o li s a l s oi m p l e m e n t e dt os p e e d u pt h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h eh o s tm a c h i n et ot h e t a r g e tp l a t f o r mw h e nw e s i m u l a t et h em e d i a p r o c e s s i n gp r o g r a m w ep r e s e n tam e t h o d o l o g yf o rs o f t w a r e h a r d w a r ec o v e r i f i c a t i o nb a s e do nr t o sa c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co fo u rm e d i ap r o c e s s o rc h i p ac o v e r i f i c a t i o np l a t f o r mb a s e do nr t o si st h e b a s i ca n dv i t a le l e m e n t si nt h i sm e t h o d o l o g ya n dc o u l db em i g r a t e de a s i l y i nt h ep h a s eo fc h i p d e s i g n i n g w ee s t a t i l i s has o f t w a r ev e r i f i c a t i o np l a t f o m lw h o s eh a r d w a r ei sc l o s et oo u rc h i p w e v e r i f yt h ec o r r e c t n e s so fs o f t w a r ei nt h i sc o v e r i f i c a t i o np l a t f o r m ，t h e nu s et h i sc o r r e c ts o f t w a r et o v e r i f yt h ec o r r e c t n e s so fc h i pi nt h eh a r d w a r ev e r i f i c a t i o np l a t f o r m a d o p t i n gt h i sm e t h o d o l o g y , i t c o u l dn o to n l yv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h ec h i pa n dr e d u c et h ep o s s i b i l i t yo f t h ee r r o r si nt h ec h i p ， b u ta l s os h o r t e nt h ec o v e r i f i c a t i o nt i m e k e y w o r d s ：m e d i as i g n a lp r o c e s s o r , s y s t e m - o n c h i p ( s o c ) ，s o f t w a r e h a r d w a r ec o - d e s i g n ， r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) ，s o f t w a r e h a r d w a r ec o v e r i f i c a t i o n 2 第一章绪论 人约9 0 的售的微处理器被1 【 i 丁符种嵌入式系统中，包括蜂窝l h 活、r 业控制设需、 微波炉、网络交换、汽1 ：、打 ；| j 机、p d a 、m p 3 播放器，甚至是齐乐贺仁。由r 存储器的 集成度的提高3 2 位处理器被越米越多的采州，许多设备需要与当联网相连接，所有这些 使得嵌入式操作系统的市场正处_ 丁爆发式增长的边缘。据v e n t u r ed e v e l o p m e n tc o r p 估计， 美国酞入式操作系统的1 j 场将从2 0 0 0 年的$ 1 1 1 亿上升到2 0 0 5 年雕j $ 2 6 2 亿哆 嵌入式实时操作系统在世界上已经安装，数千万份的拷贝。传统的r t o s 的厂商如w i n d r i v e r s y s t e m ( v x w o r k s ) 、r a t i o n a l s o f t w a r e 、p a l m c o m p u t i n g ( p a l m o s ) 、m i c r o t e c r e s e a r c h ( v r t x ) 、q n x ( q n xs o f t w a r e ) 等占据了目前市场的很人份额。由丁市场需求的扩人， 包括m i c r o s o f t 和l i n u x 等操作系统巨头也对嵌入式操作系统的市场产生了兴趣，他们的加 入将对原有的市场格局形成的很大挑战。学术界对r t o s 的研究主要集中在调度算法及实时 内核的研究，而_ _ _ l 业界的兴趣主要是在系统对存储空间的要求以及上下文切换时间和中断响 廊延时等指标。 目前嵌入式操作系统的研究大多基于板一级的应用，操作系统所占的内存一般从几十k 到儿兆字节，而且实时性较弱，不适用于系统集成芯片。国外已有研究将操作系统加载到多 媒体芯片上“。如日本的n t tc y b e rs p a c e 实验室研究的片上多；! ! l l 体实时操作系统，在减少 ，约- - 半- 常规操作系统的任务处理的步骤后，运行时大约占用2 5 k 的存储空间，而且作者 称它能很好得满足m p e gl i 西议对实时陆的要求。 实时操作系统( r t o s ) 已经是系统集成：卷片设计的不可缺少的部分pj i 。首先，操作系 统是实现可复j l j 设计的关键技术之一，它能屏蔽硬件实现的细节，为应用程序提供一个统一 的接口，加快软件的开发速度。其次，r t o s 是软硬件协同设计平台的重要组成部分。在软 硬什划分完成后，作为硬件是指设计的专用电路，而软件是指在指令集处理器中执行的程序， 系统中多个并发的任务是由r t o s 来管理的。s o c 中的实时操作系统与通常的嵌入式实时操 作系统相比又有新的特点： 可以采用软硬什协同设计的方法提高性能。可以将一部分操作系统的功能由软什迁移到 硬件来满足实时性能的需要9 j 。 【j 1 1 l i j 较小的存储空间”】。根据目前一般的s o c 芯片的规模，操作系统代码要求在1 0 1 0 3 以内。由于r t o s 驻留在系统集成芯片上，而系统集成芯片的存储空间通常都是有限的， 增加片上的存储空间，必然要增加芯片的逻辑门数，同时也导致芯片的面积和功耗的增 加。 第一节媒体处理器芯片和实时操作系统 1 1 1 媒体处理及媒体处理器 随着数字信号处理( d s p ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 被) 1 泛地应用柏彳h 多的领域，如数字 蜂窝l 也汛马达控制、音频视频解码、数字相机和调制解调器等而这些刺丁运算耸要求 浙 1 人学坝1 学位论文 很高的计。算成为1 ：多系统的关键部什。1 9 8 2 年，美国德州仪器f t l l 7 1 ：t e x a sl n s t r u m n e t ) 推 ，第一款1 6 b i t 定点商埘的数字信号处理器t m s 3 2 0 1 0 ，剑令_ 人d s p 已经发展了2 0 年。 传统地，人们对媒体的需要还仅仅局限在文本、声音等有限儿个点上，但是如今，对 媒体的需求已经有了很大的发展。人们不仅仅需要文本，还希望有高保真的音视频享受，逼 真的3 d 虚拟现实体验或者实时的视频电话等。而且，随着人们生活水平的提高，人们对媒 体的需求还在不断更新，不断增加，并产生了各种各样的媒体处理技术，如娱乐上的 v o d n v o d i t v 、m p 3 播放、网络棋牌益智n - 1 时战略动作角色扮演类游戏、网络数字录 像、数字电视等；通信【：的h t m l 浏览，电子邮件，视频i l j g , f b 、实时网络变声i 唧天、1 p 电话 可视电话、会议电视视频交互直播、广播级i p 会议电视系统；及其它应用上的股票实时交 易、网络数字监控、远程教学远程医疗、三维浏览、家庭综合信息服务基丁w e b 的视 频协作电子杂志、语音分析和综台、字符识别、音频压缩、图形动画、3 d 渲染、图像增 强和恢复、图像视频分析和编辑、视频传输等。 这些媒体处理技术，从软件和硬件上都给处理器带来了新的挑战。要求处理器的计算 能力口益强人，使得传统的处理器难阻满足现代多媒体处理的要求。 从普通处理器到媒体处理器的实质变迁不只是运算速度的提高，而是整体上白硬件到 软件的结构设计都围绕着媒体处理的特点作改变。媒体信号处理的特点有： 大量的向量运算：信号空间变换运算，乘加运算，矩阵运算，d o t ( 离散余弦变换) ， 绝对著i l i ( s a d ) 。 变长编码解码( h u f f m a n 编码解码) 。 程序很规则，很少分支和跳转，多数是规则循环。 各式各样的媒体格式：一二值图像，彩色图像，语音等。 不同的应用需要不同的压缩编码算法：m p e g l 2 4 ，h 2 6 3 ，w a v e l e t 等。 对实时性要求特别高：数据必须在指定的时间内处理完毕。 在多媒体处理的条件下d s p 得到了快速的发展，并且出现了特别为多媒体应用的增 强型d s p ，也叫媒体处理器( m e d i ap r o c e s s o r ) 9 j 。结合媒体信号处理的特定，媒体处理器应 该满足以r 要求： 多数据流：需要同时处理多个一种或多种多媒体数据流。 对实时性要求特别高：数据必须在指定的时间内处理完毕，如音频延时 = 2 0 0 m s 人耳就可以感觉噪声。 强有力的多媒体信号处理：软件可编程的高质量视频音频等的编解码能力。 实时计算、控制和通讯：能够支持烈向视频音频传输，软件可编程能力。 合适的多! 1 1 l 体和通信接u ：音频视频的输入输出，网络等。 接口高带宽：数据传输高带宽，满足实时输入输出要求。 低功耗。 1 1 2 基于媒体处理器的片上系统( s o c ，s y s t e m o n - c h i p ) 随着芯片集成度的b 速提高，深、1 f 微米和0 1 微米的、r 导体技术将使得在一块芯片上布 置儿亿个晶体管成为可能，一个电子系统或分系统可以完全集成在一个芯片之上，集成电路 的设计已经进入系统集成芯片( s o c ) 时代0 9 “”1 。s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 是指集系统性能丁 一块芯片 ：的系统级芯片，它通常含有个微处理器( c p u ) ，有时再增加一个或多个d s p 核，以及多个或儿十个外罔特殊功能模块利一定规模的r a m 、r o m 等。 由丁单片系统级芯片设计在速度、功耗、成本上和多芯片系统相比l i 有较人的优势。另 外l ”f 系统的专川性，刘不同的膨t l l j 要求有专川的系统。柏：s o c 的设计中，设计工艺的发 展使得越米越多的功能集成到一个芯片成为可能。为实现这1 目标，有两种可能的s o c 改 计方法。第一种方法称为基 ：核的设计( c o r e b a s e dd e s i g n ) ，它将系统的功能划分为不同 的核，采t h ；ji p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核以完成特定的设计功能。第二种方法是在超夫规模 的集成处理器核上使用软4 1 ：的方法实现设计功能。专用的i p 核通常有较好的性能，此外对 系统的功耗有很好的控制；而采用软件的方法使得系统芯片有更人的灵活性，因为目前存在 多种不兼容的通信和处理协议，使用软件实现便丁| 二次开发。 现在，越来越多的应h j 在采用s o c 实现其功能。本实验室在自主设计的媒体处理器的 基础上构建s o c 系统，利用了上述两种设计方法：片上系统里集成了可编程的媒体处理器， 使得媒体处理的大部分功能可咀通过软件实现；而对于计算处理资源要求高的功能，利用特 定的硬件i p 核来实现，这样加速了媒体处理速度，使之符合实时性能。 1 1 3 媒体处理器s o c 对r t o s 的要求 由丁i 媒体处理器芯片通常应用于嵌入式应用，尤其是多任务、实时性较强、要求较高的 处理运算能力的领域，如娱乐、通讯等。因此需要一个实时操作系统( r t o s ) 来管理调度 这些任务，并对硬什的资源进行管理、包装，使应用程序不需直接面向硬件，开发更为简单， 而且有了实时操作系统的参与，对不同体系的应用开发的移植也更为方便a 由1 1 1 节得知，媒体处理器的特点决定了r t o s 的特点： 很多媒体应用中需要同时处理多个一种或多种多媒体数据流。多种数据流对应着多 任务，运行时，实时操作系统要有快速的任务切换的能力，使得对任务的切换开销 最小最人限度的利_ | = j 媒体处理器的运算能力。同时每个任务都有时限要求，任务 的处理要求满足实时要求，冈此要求实时操作系统有合理的任务调度策略，能满足 各个任务的实时要求。 在音视频等媒体处理中，音视频任务之间往往需要同步和通信，冈此要求r t o s 提供任务问同步和通信的功能。 媒体处理中，数据流通常很人，占据一个较人的存储空间。由于片内缓存对系统芯 片的成本和面积影响较大，通常s o c 都只有一个较小的片内缓存，同时采用片外 的廉价的存储器作为二级缓存。因此需要r t o s 提供存储管理，管理片内羽i 片外的 存储空间。 媒体处理任务往往是阑定时限的周期任务，因此r t o s 必须提供时钟管理来管理任 务的时限要求。 以上的四个特征对应着s o c 中的实时操作系统的j 部分最重要的内容：任务管理、任 务问同步雨l 通信、存储管理年时钟管理。面向多媒体应州的操作系统是近米的 1 j f 究热点之一。本文所论述的r t o s 也是紧密同绕着如何发挥处理器的特性、优化系统性能 进行设计和实现1 2 内。 浙 【：人学倾 1 学位论文 s o c 中的实时操作系统与战入式实时操作系统相比义有新的特点。系统集成芯片通常 要求i 作r 臼 种模式r 。随着s o c 芯片的复杂度的提高，芯片的测试羽i 验证也日盏复杂， 为能加快验证的效率，通常采川多种异构验证平台，典型的有基于v e r i l o g 仿真器的验证和 摹t ：硬件开发板( 如f p g a ) 的验证。系统测试驯系统l 】! 常t 作时对芯片有不同的要求，系 统止常i ：作时首先考虑的是实叶眭能，即任务能否能存期限内完成；而在测试芯片时，首先 考虑的是芯片的可j l ! i l 洲性以及软件能甭在多种异构平台上执行。 为使软中| ：能适应于不同的，l 一作模式，要求在设计s o c 实时操作系统时能考虑软件的可 迁移性，即在设计上能以良好的结构适应i i 同的应用和异构s o c 测试平台。例如，通常的 实时操作系统都没有文件系统，本文专门论述了文件系统的设计和实现。其原因是文件系统 能对系统的硬什进行层次化的抽象，应用程序可以只调用文件接口，而无需关心具体的硬什 实现。有了文件系统之后，应用程序能以最小的改动在多种s o c 的测试平台上运行。同时， 本文同时实现了一个简单的网络协议栈，实现其原因是媒体处理中数据流通常很大，在硬件 开发板上验证程序时，用串并口传送数据流往往消耗很大时间，而这部分时间占了验证时间 的很火一部分，它大大减缓了验证速度。利用操作系统提供的网络协议栈a p i ，可以快速的 把数据流传送到开发板上进行验证，同时把处理后的数据快速的传回主机进行结果比对。 当然，s o c 中的实时操作系统必须是可配置的，在进入正常t 作模式，将这些功能都 裁减，这样才能在芯片上一h - i l l 最少的存储空间。 此外，媒体处理器s o c 中的实时操作系统与嵌入式操作系统还有其他区别： 可以采用软硬件协同设计的方法提高性能。由于软硬什协同设计方法的提出，软4 1 和硬件的界线变的模糊。可以将一部分操作系统的功能由软件迁移到硬件来提高操 作系统的实时性能”7 1 。 l 川较小的存储空间，一般要求在1 0 k b 以内。由于r t o s 驻留在系统集成芯片上 而系统集成芯片的存储空间通常都是非常有限的。因为要增加片上的存储空间，必 然要增加芯片的逻辑门数，从而增加芯片的面积，加大系统的功耗。 可配置和裁剪的操作系统。与一般嵌入式r t o s 相比，系统集成：片中的r t o s 是针对具体的系统集成芯片设计的，而系统集成芯片的应用背景是预知的。针对具 体的芯片，有些r t o s 的功能可以被剪去，以减少所占用的存储空间。 浙江人学埘i j 学位沦文 第二节实时操作系统概述 1 2 1 实时操作系统 实时操作系统【2 0 】 2 1 j 【2 2 1 是嵌入式应用软件的基础和开发平台。r t o s 根据各个任 务的性质平要求，进行资源( 包括存储器、外殴等) 管理、任务的通信并同步管理、任务调 度、异常处理等r 作。在r t o s 支持的系统巾，通常每个任务都有优先级，r t o s 根据各个 任务的优先级来动态的切换任务，保证其对实时性的要求。这种体系结构简化了编程结构， 比过去的循环控制的体系结构有了很大的改进。 r t o s 是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的应用程序都建立在r t o s 之上。不但如 此，r t o s 还是个可靠性和可信性很高的实时内核，将c p u 时间、中断、i o 、定时器等 资源都包装起来，留给用户一个标准的a p i ，并根据各个任务的优先级，合理地在不同任务 之间分配c p u 时间。 r t o s 是t t | 对不同处理器优化设计的高效率实时多任务内核，优秀商品化的r t o s 可以面 对几十个系列的嵌入式处理器m p u 、m c u 、d s p 、s o c 等提供类同的a p i 接口，这是r t o s 基 j 二设备独立的应用程序开发基础。因此基于r t o s 上的c 语言程序具有极大的可移植性。 据专家测算，优秀r t o s 上跨处理器平台的程序移植只需要修改1 5 的内容。在r t o s 基 础上可以编写出各种硬件驱动程序、专家库函数、行业库函数、产品库函数，和通用性的应 _ f ；| 程序起，可以作为产品销售，促进行业内的知识产权交流，因此r t o s 又是个软件开 发平台。 r t o s 最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时器管理、存 储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗语管理等，这些管理 功能是通过内核服务函数形式交给用户调崩的，也就是r t o s 的a p i 。 一个实时操作系统的性能可以由以下几方面描述： 确定性：描述了实时操作系统对事件的响应的延时，即从高优先级的任务中断开始 到操作系统服务开始的时问是确定的。 响应时延：表示程序执行的时间，即系统服务的时间也是确定的。 州户控制：表示允许用户对任务优先级进行细粒度的控制，用户必须要区分不同的 任务并砹置相应的任务优先级。 可靠性设计：在实时操作系统中特别重要，如果遇到一个微小的错误，1 f 实时操作 系统可以重启动系统。同样的错误，实时系统可能会引起灾难性的后果 健壮性：指系统在出错时应尽可能地保持系统的实时处理能力。如果系统不能满足 所有的任务的期限，那么它将首先满足高优先级的任务。 在以i 特点中，确定性被认为是实时操作系统最重要的特点，即执行。个操作的时钟 拍总是一样的。 当前实时揲作系统的特点可以描述如p 快速的进稃戏线程的切换。 9 浙江人学坝i 学位论文 l l lj | j 微小的存储宁问。 帙谜l 响庸外部的中断。 多任务的内核，提供信寸量、信号平事什等任务问通信的l 。具。 使州特殊的文什能够快速的记录数据。 基丁优先级的抢f l t 式的内核。 最少的中断关c j j 的时间。 提供对任务延时和暂停，继续一个任务的原语。 特殊的超时报警功能。 实时系统的核心是快速的任务调度。在设计这样一个系统时，主机操作系统所考虑的问 题( 如多任务的公平和平均晟小时延) 不再重要。重要的是所有的硬实时任务和尽可能多的 软实时任务在期限之前被处理。 大多数现代的操作系统都不能直接对期限进行处理。相反，它们被设计为对实时任务有 尽可能快的响应，这样当任务的期限来临时，任务可以被迅速的调度。从这个角度来说，实 时应用需要确定的响应时间。根据应用的不同，响应时间的范围一般从数十微秒到数毫秒之 问变化。 1 2 2 典型的r t o s 分析 目前，商品化的r t o s 可支持从8 b i t 的8 0 5 1 到3 2 1 3 1 t 的p o w e r p c 及d s p 等几十个系 列的嵌入式处理器。提供高质量源代码r t o s 的著名公司主要集中在美国。下面对j i , k 十典型 的r t o s 进行介绍。 v x w o r k s 【2 4 】是目前市场份额最大的实时操作系统；e c o s l 2 5 1 是r e d h a t 公司的开放源码的 产品，对教学和研究比较适合。q n x l 2 6 1 是q n x 软件系统有限的产品公司，广泛地应用在嵌 入式系统中，特别适用_ r 对稳定性和服务能力要求极高的场合；l y n x o s l 2 7 1 是l y n u x w o r k s 的主要产品，是一个作为公开标准的，能与l i n u x p o s l x 兼容的，适合大多数嵌入式应用 软件的r t o s 。本小饵粗略介缁这四种操作系统。 1 2 2 1v x w o r k s v x w o r k s 是目前可咀获得的功能最全的、独立丁处理器的实时操作系统。在结构h v x w o r k s 采川微内核w i n d 。内核仅提供多任务环境、进程间通信和同步功能。通过这些底 层模块的支持，v x w o r k s 在高层就能提供丰寓的满足要求的服务。通常内核服务对川户是 不可见的。应用程序为了实现需要内核参与的任务管理和同步，必须使用系统调用。 内核维护系统中每个任务的当前状态，包括就绪态、阻塞态、延时态年挂起态。任务被 创建后进入挂起态，需要通过特定的操作才能使被挂起的任务进入就绪态，这一操作的执行 速度很快，使廊_ | _ 程序能够提前创建任务，并以一种快捷的方式被激活。 多任务的操作系统需要一个调度算法分配c p u 给就绪态的任务。在v x w o r k s 中默认的 调度算法是基r 优先级的抢i l 调度，但应川程序也可以选扦使_ l _ j 时问片轮转渊度。 浙江人学顾i j 学位论文 基丁优先缎抢i i i 的调度，每个任务被指定一个优先级，内核将c p u 分配给处丁就绪态 的优先缎最高的任务。调度算法采瑚抢ij 一式，当个优先级高丁当前任务的任务变为就绪态 刚，内核将立即保存当前任务的上f 文，并切换到高优先级任务的上f 文。v x w o r k s 有0 剑2 5 5 批2 5 6 个任务优先级。在创建时任务被指定一个优先级，在任务运行的过程中可以动 态地修改优先级以便跟踪真实世界的事件优先级。外部中断被指定优丁任何任务的优先级， 这样中断能在任何时候抢l i t 任务。 基于时间片轮转调度，基于优先级抢占调度可以扩充时间片轮转峒度。时间片调度允许 在相同优先级的处于：就绪态的任务公平的共享c p u 。 1 2 2 2e c o s e c o s 是一种开放源码的，可设置的且易于移植的嵌入式操作系统，它支持i t r o n 标准。 最早由c y g u n 公司开发，后来被r e d h a t 公司所收购。目前r e d h a t 正计划将其应用领域扩展 到多媒体等多个领域。它具有如下的优点： 较小的代码规模( 5 0 k ) 。 在用户层定义re l i x 接口，它是一个可扩展的p o s i x 标准。开发者可以根据应用的特 点选择接口标准，使得代码的尺寸最小。 完全开放源码，便于研究开发。 系统具有较强的可设置性，系统提供多种存储管理和进程调度的策略，用户可以根据需 要，对系统的功能进行设置。 支持多种和体系结构的c p u ，如a r m ，h i t a c h is h 3i n t e lx 8 6m i p sm a t s u s h i t aa m 3 x ， p o w e r p ca n ds p a 。r c 等。 支持多种目标平台：m p u s 、m c u s 和d s p s 。 支持实时应用的需求，提供可抢占优先级、最小的中断延时、实时调度的策略和实时的 中断处理机制，此外，还e c o s 还提供了开发嵌入式应用的设备驱动、内存管理、例外 处理、c 、数学库等工具。 e c o s 设计时采用了分层结构，硬件抽象层( h a l ) ，操作系统的h l 核、库和其他实时部 分都在h a l 之上设计，为系统的可移植性提供了一个良好的基础。 1 2 2 3q n x q n x 是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统。它遵循p o s i x 1 ( 程序接口) 雨fp o s i x 2 ( s h e l l 和工具) 、部分遵循p o s i ) ( 1 b ( 实时扩展) 。它最早开发t - 1 9 8 0 年，到现 在已相当成熟。 q i 、：x 是一个微内核实1 t 十操作系统，其核心仅提供4 种服务：进程调度、进程间通信、 底层网络通信羽1 中断处理，其进程在独立的地址空问运行。所有其它o s 服务，都实现为叭 作的刚户进程，闪此0 n x 核心1 f 常小巧( 0 n x 4 x 人约为1 2 k h ) 而且运行速度极快。 q n x 提供p o s l x 1 b 标准进程调度 ： 2 个进群优先级； 抢w i 式的、基丁优先级的止文切换； l ，j _ 选惆艘策略：f i f o 、轮转策略、适应性策略。 q n x 的系统服务： 多种资溉管理器，包括各种文什系统剥设备管理，支持多个文件系统同时运行，包 括提供完全p o s i x 1 及u n i x 语法的p o s i x 文什系统，支持多种闪存设备的嵌入式 文件系统，支持对多种文什服务器( 如w i n d o w sn t 9 5 、l a nm a n a g e r 等) 的透明访 问的s m b 文，l 一系统、d o s 文件系统、c d r o m 文仆系统等。 设备管理。在进程和终端设备间提供大吞吐量、低开销接口服务。 图形窗r = 1 支持。包括q n x w i n d o w s 、x w i n d o ws y s t e m f o r q n x 、对m sw i n d o w sn t 9 5 和xw i n d o w 系统的远程图形连接。 t c p i pf o rq 眦。 高性能、容错型q n x 网络f l e e r ，使得所有连入网络的计算机变成一个逻辑上 的超级计算机。 透明的分布式处理。f l e e t 网络处理与消息传递和进程管理原语的集成，将本地和 网络1 p c 统一起来，使得网络对i p c 而言是透明的。 q n x 的开放性： q n x 的p o s i x 兼容性和其提供的u n i x 特色的编译器、调试器、xw i n d o w 和t c p i p 都是u n i x 程序员所熟悉的。 支持多种c p u ：a m de 1 a n s c 3 0 0 3 1 0 4 0 0 4 1 0 、a m 3 8 6d e s e 、c y r i xi e d i a g x 、x 8 6 处理器( 3 8 6 以上) 、p e n t i u m 系列、s t m i e r o e l e e t r o n i c s 的s t p c 。 多种总线：c o m p a c t p c i 、e i s a 、i s a 、m p e ( r a d i s y s ) 、s t d 、s t d3 2 、p c 1 0 4 、p c 1 0 4 p 1 u s 、p c i 、p c m c i a 、v e s a 、v m e 。 各种外设：多种s c s i 设备、i d e e i d e 驱动器、i o m i o o m 以太网卡、t o k e nr i n g 网r 、f b u i 接口卡、多种p c m c i a 设备、闪存、声卡等。 1 2 2 4l y n x o s l y n x o s 足一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统，它遵循p o s i x 1 a 、p o s i x l b 和p o s i x 1 c 标准。它最早开发于1 9 8 8 年。 l y n x o s 微内棱提供以。f n 务：核心启动羽i 停j 卜、底层内存管理、；错处理、中断处理、 多任务、底层同步和互斥支持。 l y n x o s 其调度策略为： l y n x o s 支持线释概念，提供2 5 6 个全局朋户线群优先级； 硬实时优先级调度：在每个优先级上实现了轮转调度、定量调度和f i f o 凋皮策略 快速正文切换和阻塞时间短； 抢l f l 式的r t o s 核心。 y n x o s 的系统服务： 网络驯通信。由丁使川u n i x p o s i xa p i ，l y n x 很适合r 数据通信和i n t e r n el i , i t j 。 义i 自_ j 系统的开放性，刚络软件很容易移植剑l y n x 上。同样，l y n x 办提供芙键的 l 也话通信协议，使之适t _ i j 丁电信系统的基础架构、操作和多媒体麻州。 淅 i ：人学颂i j 学位论史 t c p i p 协议栈。l y n x 臼带优化的t c p i p 协议栈，提供高性能服务，如t c p 头预测、 商级路m 算法、i p 级多址_ r 播羊链路级高速缓冲。 i n t e r n e t i ? 具。包括，t e l n e t 、f t p 、t f t p 、p p p 、s l i p 、实时调度的嵌入式j a v a 虚拟机、嵌入式h t t ps e r v e r 、b o o t p 、a r p r a r p 、d n s 域名服务、i uf 邮什、p e r l 、 电话通信防议等。 s v r 3 流。l y n x o s 流机制为开发和移植基1 二流的驱动程序年lj 应州提供了核心支持。 文什系统。实时的类u n i x 层次结构文件系统：连续结构文什、带缓冲不带缓冲、 原始分区和原始设备访问。 基于m o t i f 的图形用户接口。 分布式计算资源。s c m p 与v m e 总线上的多处理结合，p c i 桥服务、c o m p a c t p c ih o t s w a ps e r v i c e s 、l y n x h a - - d d s 分布式数据系统。 l y n x o s 的开放性： p o s i x 1 a 、i b 、i c 及b s d 4 4 等兼容性，使得遵循p o s i x1 0 0 3 或用于u n i x 的程序 很容易移植到l y n x o s 上。 支持多种c p u 主板：包括c o m p a e t p c ii 、| 6 u 3 u ) 和标准p c i 、v m e e u r o b u s 、p c 1 0 4 和p c a t 硬件等。 各种外设适配器：l o l o o b a s e te t h e r