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硕士学位 论文 1 i 1 5 i f h i n f s i s 嵌入式设备的i n t e rn e t 连接是嵌入式系统应用的新兴领域, t c p / i p 协议族 是实现此连接的关键技术。 本文在对b s d 4 .3 t c p / i p 协议原理及其实现代码进 行深入研究和分析的基础上, 结合嵌入式通信系统应用的特点, 提出基于实时 微小内核的网络通信软件体系结构;对t c p / i p协议处理进行优化和简化, 将 传统的层次式内核协议栈在用户空间以单一的平面方式实现, 从而使应用程序 对网络功能的利用, 从传统的系统调用转变为函数调用; 使用改善数据接触开 销和非数据接触开销的方法,改善系统开销; 并提出报文头预留缓存机制, 减 少数据拷贝,实现嵌入式通信软件良 好的性能。 随着电 子技术和计算技术的发展, 嵌入式系统核心 微处理器或者微控 制器的性价比不断提高, 嵌入式系统的功能需求日 益复杂, 因此嵌入式应用开 发和设计的方式也相应改变, 从过去单一模式的前台 / 后台控制, 转变为利用嵌 入式实时操作系统的多任务实时控制。同时,网络技术的迅速发展为嵌入式设 备网络化提供必要的网络基础设施, 针对嵌入式设备连接到网络的各种协议标 准己经制定出来, 用于组建各种家庭设备网络、 个人信息网络、 小型办公网络, 网络应用已 经成为嵌入式系统的新兴应用领域, 在不久的将来连接到网络的嵌 入式产品将提供更广阔的市场和应用前景。 关键词:实时操作系统微内核体系结构 嵌入式 i n t e rne t网络协议 任务调度 口.口. b ;5 士学位论文 q , i e r s c h e s i s ab s t r a c t e m b e d d e d s y s t e m s a r e b as e d o n a p p l ic a t i o n - c e n t e r e d h a r d w a r e d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n s p e c i f i c s o f t w a r e p r o d u c t d e v e l o p m e n t . e m b e d d e d s y s t e m s a r e w i d e l y a p p l i e d i n s u c h a r e a s a s m a n u f a c t u r e , p r o c e s s c o n t r o l , c o m m u n i c a t i o n , i n s t r u m e n t , a u t o m o b i l e , m a r i n e v e h i c l e , a v i a t i o n , m i l i t a ry e q u ip m e n t , a n d c o n s u m e r p r o d u c t . a t y p i c a l e m b e d d e d a p p l i c a t i o n i s t h e i n t e g r a t i o n o f h a r d w a r e d e s i g n c e n t e r e d o n a m i c r o p r o c e s s o r o r m i c r o c o n t r o l l e r a n d s o ft w a r e d e v e l o p m e n t b a s e d o n e m b e d d e d r e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m . t h e d e v e l o p m e n t o f e m b e d d e d r e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m a n d t h e a p p l i c a t i o n o f e m b e d d e d n e t w o r k i n g t e c h n o l o g y h a v e b e e n p r o s p e c t iv e a r e a s a n d h a v e f a r - r e a c h in g s i g n i f i c a n c e i n t h e o ry a n d p r a c t i c e . i t i s u n d e r s u c h b a c k g r o u n d t h a t w e p r e s e n t t h e t o p i c o f o u r w o r k . i t i s t h e r e s e a r c h a n d d e s i g n o f e m b e d d e d n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n s y s t e m b a s e d o n r e a l - t i m e k e r n e l . t h e w o r k i n c l u d e s d e s i g n i n g t h e e m b e d d e d r e a l - t i m e k e rne l , r e s e a r c h i n g t h e t a s k s c h e d u l in g a l g o r i t h m s a n d d e s i g n i n g e m b e d d e d n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n s u b s y s t e m b a s e d o n t h e r e a l - t i m e k e rne l . t h e w o r k p r e s e n t s a n e m b e d d e d r e a l - t i m e k e rne l w i t h m i c r o k e m e l a r c h i t e c t u r e b e c a u s e t h e i n t e l - a r c h it e c t u r e m i c r o p r o c e s s o r s a n d m i c r o c o n t r o l l e r s a r e p o p u l a r i n e m b e d d e d s y s t e m m a r k e t s , a n d t h e y a r e c o m p a t i b l e w i t h m o s t d e s k t o p c o m p u t e r s , i t i s c o n v e n i e n t t o d e s i g n , i m p l e m e n t a n d v e r i f y t h e e m b e d d e d s o ft w a r e a n d p o rt t h e c o d e s in t o e m b e d d e d e n v i r o n m e n t . s o t h e e m b e d d e d r e a l - t i m e k e rne l i s d e s i g n e d o n t h e b a s i s o f t h e a d v a n c e d x 8 6 f a m i l y m i c r o p r o c e s s o r s . i n t h e k e rn e l , m e m o ry p r o t e c t i o n a n d c o n t e x t - s w i t c h o p t i m u m a r e d e p l o y e d i n o r d e r t o e n s u r e o s e f f i c i e n c y , s y s t e m c a l l s a r e p r o v i d e d t o m a n a g e p r o c e s s a n d t h r e a d , a n d i n t e r - t a s k c o m m u n i c a t i o n i s i m p l e m e n t e d t h r o u g h m as s a g e p a s s i n g m e c h a n i s m . i n t h e m e a n t im e , s t a n d a r d s e m a p h o r e m e c h a n i s m i s o p t i m i z e d t o k e e p r e a l - t i m e k e rn e l e ff i c i e n t a n d wi t h s ma l l s i z e . t h e w o r k m a k e s i n - d e p t h r e s e a r c h o n t h e r e a l - t i m e t as k s c h e d u l i n g a l g o r i t h m s . b e c a u s e t h e s c h e d u l e r b as e d o n p r i o r it y i s p r o p e r i n e m b e d d e d e n v i r o n m e n t , t h e w o r k a n a l y s e s t h e r m a n d e d f s c h e d u l in g a l g o r i t h m s a n d t h e s o u r c e o f t a s k s c h e d u l i n g c o s t . b a s e d o n t h e d i ff e r e n t s c h e d u l i n g r e s u l t s p r o d u c e d b y s c h e d u l i n g d fi 士学位论又 v a 1 r e r s 1 11 1 , t h e s a m e w o r k l o a d r e s p e c t i v e l y w i t h r m a n d e d f , t h e w o r k d e p l o y s c o m b i n e d e d f a n d r m ( c e r ) s c h e d u l e r i n r e a l - t i m e t a s k s c h e d u l i n g a n d a n a l y z e s i t s s c h e d u l a b i l i t y i n g i v e n w o r k l o a d . f u r t h e r , t h e c e r s c h e d u l e r i s i m p r o v e d t o m a in t a i n g o o d o s p e r f o r m a n c e a n d h i g h e f f i c i e n c y i n m o r e w o r k l o a d . c o m p a r e d w i t h t h e f o r m e r c e r s c h e d u l e r , t h e i m p r o v e d s c h e d u le r i s p r o v e d t o p r o v i d e h ig h p e r f o r m a n c e w i t h l o w s c h e d u l i n g c o s t , w h e n t h e w h o l e w o r k l o a d i s i n c r e a s e d . b a s e d o n t h e s t u d y a n d a n a l y s i s o f b s d 4 .3 t c p / i p , t h e w o r k c o n c l u d e s t h e k e y t e c h n i q u e s d e p l o y e d i n e m b e d d e d n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s . i t p r e s e n t s t h e n e t w o r k c o mmu n i c a t i o n s o ft wa r e a r c h i t e c t u r e b a s e d o n t h e r e a l - t i me k e rne l a n d d e p l o y s p r o t o c o l s o p t i m i z in g m e t h o d s t o i m p r o v e t h e s y s t e m c o s t i n c u r r e d i n h a n d l i n g d a t a t o u c h p r o c e s s a n d n o n - d a t a t o u c h p r o c e s s . i t s im p l i f i e s a n d o p t i m i z e s t h e t c p / i p p r o t o c o l s u i t s a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c o f e m b e d d e d s y s t e m s . i t p r e s e n t s a n i m p r o v e d b u ff e r m a n a g e m e n t m e c h a n i s m t o e n s u r e h i g h p e r f o r m a n c e c o m m u n i c a t i o n i n n e t w o r k e d e m b e d d e d s y s t e m s . wit h t h e d e v e l o p m e n t o f e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y a n d c o m p u t i n g t e c h n o l o g y , t h e m o s t i m p o r t a n t c o m p o n e n t o f a n e m b e d d e d s y s t e m , t h e m i c r o p r o c e s s o r o r t h e m i c r o c o n t r o l l e r , p r o v id e s h i g h e r p e r f o r m a n c e w i t h l o w e r c o s t . a n d e m b e d d e d s y s t e m s f u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s b e c o me m o r e c o m p l e x . a c c o r d i n g l y t h e m e a n s a p p l i e d i n t h e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o f e m b e d d e d s y s t e m s c h a n g e s a s w e l l , f r o m t h e u n i q u e m o d e l o f fr o n t g r o u n d / b a c k g r o u n d p r o c e s s c o n t r o l t o t h e m u l t i - t a s k i n g r e a l - t i m e p r o c e s s c o n t r o l b a s e d o n r e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m. me a n w h i l e , t h e r a p i d g r o w t h o f n e t w o r k t e c h n o l o g y p r o v i d e s n e c e s s a ry i n f r a s t r u c t u r e f o r n e t w o r k i n g e m b e d d e d d e v i c e s , a n d m a n y s t a n d a r d s s p e c i f i c t o n e t w o r k i n g d e v i c e s h a v e b e e n p u b l i s h e d i n o r d e r t o b u i l d u p v a r i o u s h o m e n e t w o r k , p e r s o n a l n e t w o r k , a n d s m a l l o f f i c e n e t w o r k . i t s a p p a r e n t t h a t n e t w o r k i n g e m b e d d e d d e v i c e s h a s b e e n a n e w a p p l i c a t i o n a r e a . i n t h e n e a r f u t u r e , t h e n e t w o r k e d e m b e d d e d s y s t e m s w i l l p r o v i d e s l a r g e r m a r k e t a n d b r o a d e r a p p l i c a t i o n s p a c e . k e y w o r d s : r e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m , mi c r o k e rn e l a r c h i t e c t u r e , t a s k s c h e d u l i n g , e m b e d d e d i n t e rne t , n e t w o r k p r o t o c o l s 、又卜 k 1 a s t f r11s t iie s 硕士学位1 . 互二匕 .- 一一 一 一一- 一 第1 章引言 微处理器和微控制器性能提高、 价格下降导 致小型化的嵌入式控制系统广 泛应用: 随着网络技术的发展和i n t e rn e t 的 普及, 产生一类新的计算/ 通信设备 信息 家电i a l 。 信 息 家电 ( in f o r m a t i o n a p p l ia n c e s ) 是专 指 具 有i n t e rn e t 连 接 能力的设备, 包括 w e b t v 、 个人数字助理 ( p d a ) . w e b可视电 话、可浏览 w e b 页面并收发e - m a i l 的 数字手 机、 数字 机顶盒 ( s e t - o f - t o p ) 等。 信息 家电 ( i a ) 是嵌入式系统和i n t e rn e t 技术结合的典型产物之一,由 于技术的结合, 产生了广泛的研究和应用新领域, 比如设备的远程诊断、 远程维护、 远程控制, 组建智能家庭网络和个人网络,实现基于i n t e rn e t 网络的设备远程管理等,从 而使非通用计算机系统的设备具有网络化、 远程处理能力。 嵌入式系统在信息 家电等现代信息技术产品的开发中发挥着重要作用, 对嵌入式系统的研究正 成 为人们十分关注的 研究课题。 本论文对嵌入式系统, 特别是与 i n t e r n e t 技术结 合中有关的问题进行研究。 1 . 1 嵌入式系统 ( e m b e d d e d s y s t e m ) 嵌 入 式 系 统( e m b e d d e d s y s t e m ) 被 定 义 为 3 ) : 以 应 用 为 中 心, 以 计 算 机 技 术为基础,软件硬件可裁减, 适应对功能、 可靠性、 成本、 体积、 功耗严格要 求的专用计算机系统。 嵌入式系统的基础是以 应用为中心的芯片设计和面向 应 用的软件产品开发。 典型的嵌入式系统由 两部分组成: 以 微处理器 ( m p u ) 或 者微控制器( m c u ) 为核心的硬件设计和基于嵌入式应用的实时操作系统 ( r t o s )的软件开发。 嵌入式计算机系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机系统, 一台 通 用计算机的外部设备中 就包括了5 - 1 0 个嵌入式微处理器, 键盘、鼠标、 软驱、 硬盘、 显卡、 网卡、 打印 机、 扫描仪、 数字相机、 u s b 集线器等均是由 嵌入式 处理器控制。制造工业、 过程控制、通讯、 仪器、仪表、汽车、船舶、航空、 航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 1 . 2 实时操作系统 ( r e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m ) 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 i / o端口、图形控制器等。软件部分包 括操作系统软件 ( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序, 应用程序控制 系统的运作和行为;而操作系统控制应用程序编程与硬件的交互作用。 摹 石 百 士学位论文 4 ? , f e r 、i f : p s i s 一一. 一. 一一 j 一 一 一一一 实 时 多 任 务 操 作 系统( r e a l- t im e m u lt it as k i n g o p e r a t in g s y s t e m缩 略为 r t o s ) 是 嵌 入 式 应 用软 件的 基 础 和 开 发 平台 (4 1 , 它 是 一 段 嵌 入 在目 标 代 码中的 软件,用户的其它应用程序都建立在r t o s 之上。r t o s 还是一个可靠性和可 信性很高的实时内核, 将c p u时间、 中断、 1 j 0 、 定时器等硬件资源包装起来, 为用户提供标准的应用编程接口( a p i ) ,并根据各个任务的优先级, 在不同任 务之间合理分配系统资源。 1 . 3 嵌入式i n t e r n e t 技术 ( e m b e d d e d i n t e r n e t t e c h n o l o g y ) 嵌入式i n t e rne t 技术就是实现嵌入式系统连接到i n t e rn e t 的技术, 要求嵌入 式系 统在软 件上 支持t c p i i p 协议 栈 s 1 , 实 现有关的i n t e r n e t 通信协议; 在硬件 上具有一定的计算和存储能力,提供高效处理 i p数据包需要的网络带宽和吞 吐量。嵌入式 i n t e rn e t 技术的目 标是将小型简单的低成本嵌入式系统连接到 i n t e rn e t , 充分利用网络资源, 实现更广范围的信息共享和更多类型的信息服务。 1 . 4 研究背景和目的 过去嵌入式系统功能比较简单, 采用汇编或c语言编写简单的任务循环程 序就可达到性能要求。 程序代码直接控制硬件, 没有具体区分系统软件和应用 软件。 系统软件完全依赖硬件, 移植性差。 随着超大规模集成电路技术的发展, 在单硅片上实现功能复杂的嵌入式微处理器己 经成为现实。 微处理器性能价格 比的极大提高使嵌入式系统适用于需求更高、 更复杂的专用系统领域, 而且网 络技术将广泛地运用到嵌入式系统中, 目 前己 经出现许多关于设备互连成网络 的协议技术规范和标准,例如:b l u e t o o t h , i e e e 8 0 2 . 1 1 , h o m e p n a , i e e e 1 3 9 4 , u p n p , j i n i , j e t s e n d 等 19 1旨 在 将 各 种 嵌 入 式 设 备 互 连, 实 现 无 所 不 在 的 网 络 世 界 12 1 网络应用是嵌入式系统新的应用领域,嵌入式系统功能日 益复杂,需要 r t o s 支持 1 3 . r t o s管理各种系统资源, 提供嵌入式系统需要的o s 服务: 多任务调度以满足实时任务时限, 提供同步机制确保互斥以控制对共享资源的 访问, 及时高效地处理网络通信。 嵌入式系统使用闪 速存储器( f l a s h m e m o r y ) 作为非易失存储r o m,与硬盘相比存储容量较小; p c系统的网络协议体系结 构复杂, 直接将协议实现代码移植到小型专用系统, 则使用起来速度慢、效率 低。 如果采用商用r t o s 和网络软件包, 那么开发成本太高, 软件集成度和移 植度低。 因此本文从嵌入式系统开发网 络通信的角度, 提出r t o s 实时内核的设计 曰. 石 五 士学二 论又 viatiifk 立 hi s 一一一一一 一一一. 一一一一 方案, 解决任务调度、同 步、网络协议处理等主要问题,旨 在为嵌入式网络应 用提供功能强大的o s 服务并保持o s 运行开销最小,从而实现高效的嵌入式 操作系统和网络通信,减小软件对低成本微处理器的开销。 1 .5 论文概览 论文第2 章介绍嵌入式操作系统开发标准, 重点说明嵌入式操作系统为实 时多任务应用程序开发提供的重要服务以 及实现的系统机制,涉及到任务调 度、任务间通信和同步、内存管理、中断和异步事件处理、系统时钟等方面内 容。同时 对典型的r t o s 类型, 如q n x , rt一 li n ux, w i n d o w s c eq n x r t -的实时内 核 特点进行比 较和说明。最后对本论文的主要工作进行概括性阐述。 论文第 3章提出基于微内核体系结构的嵌入式实时内核 e rt - k e rn e l ( e m b e d d e d r e a l - t i m e k e rn e l )的设计方案,根据x 8 6 微处理器的硬件特点,采 用内存保护、优化上下文转换的方法, 提高实时内核的o s 处理效率;使用系 统调用实现进程和线程, 提供基于邮箱的消息传递机制实现任务间通信; 使用 设备管理器负责u o操作和硬件中断, 解决输入/ 输出处理: 对标准信号量的实 现进行优化, 从而保证嵌入式实时内 核精简高效, 保持最小系统软件开销、良 好的o s 操作性能。 论文第4 章研究实时操作系统的关键内 容 任务调度。 实时任务调度可 采用静态优先级调度, 如单调率 ( r m) 调度方法, 也可采用动态优先级调度, 如最早时限优先 ( e d f )调度方法。r m调度运行时开销低,而调度利用率不 高;e d f调度利用率高,但是产生的运行时开销高。本文采用组合的e d f和 r m调度-c e r调度方法,将不同特征的任务分配到不同的任务调度队列, 分别采取e d f 调度或者r m调度, 并对此方法的调度可行性进行分析。同时, 为保证系统工作量增大时系统调度开销最小, 保持较高的任务调度效率, 我们 提出改善c e r调度的方法, 将动态任务调度队列 一 d p 队列分成两个任务队 列,正确划分工作量中的关键任务到适当的调度队列, 并对此改进调度算法的 调度可行性进行分析。 论文第5 章的内容关于嵌入式i n t e rn e t 技术,首先简要介绍目 前国际上存 在的3 种嵌入式i n t e r n e t 实现方案和技术标准。 因为嵌入式t c p / i p 是嵌入式系 统连接到i n t e rn e t 的关键协议, 本章介绍t c p q p 协议在局域网上的层次结构模 型,以及各个协议层次的技术特性;分析利用 t c p / i p协议进行网络数据处理 的一般流程,最后提出 在资源受到限制的嵌入式系统实现 t c p i i p协议功能必 j.曰曰口. 、肇 石 贞 士学位论文 k i a s i f r s丁 卜 i e l, i s 须考虑的设计要素。 论文第6 章根据对b s d 4 .3 ( b e r k e l e y s o ft w a r e d i s t r i b u t i o n v e r s i o n 4 -3 ) t c p i i p源代码进行分析得到的结论,比较通用计算机系统与嵌入式系统的特 点,我们总结出 在嵌入式环境实现i n t e rn e t 网络通信的关键技术,提出嵌入式 网络通信软件的体系结构, 并利用协议处理优化方法, 改善数据接触开销和非 数据接触开销, 并提出在嵌入式系统中使用改善的缓存机制, 提高网络通信的 效率和性能。 最后一 章 对本论 文的 工 作进 行总结, 并对今 后 从事的 嵌 入式实时系统开 发、 嵌入式网络通信技术的 研究与应用提出 展望。 肇 石 万 士学位论文 + i a 1 i e r s i f 1 e si ti -一- 户 一 第2 章嵌入式操作系统 2 . 1 嵌入式操作系统标准 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心, 其特点表现在: 对实时多任务有很 强的支持能力, 能完成多任务并且有较短的中断响应时间, 从而使内部的代码 和实时内核的执行时间减少到最低限度; 具有功能很强的存储区保护功能, 避 免在嵌入式软件模块之间出现错误的交叉作用。 可移植操作系统接口 ( p o s i x)是由i s o i i e e e特许的软件委员会开发的 一系列标准。 其中p o s i x 1 0 0 3 . 1 b 是实时系统软件开发的国际工业标准,它支 持嵌入式实时系统软件结构模块化,定义任务管理、异步 u o 、信号量、消息 队 列、内 存管理、排队 信号、 调度、 系统时钟以 及定时器等接口 规范, 规定实 时内核必须提供的基本服务。 p o s i x 1 0 0 3 . 1 b 为开发可移植实时软件提供平台, 成为开发嵌入式实时操作系统的标准。 2 . 2 嵌入式操作系统服务 嵌 入 式 操作系 统 作 为 一 个 最小的 实 时内 核实 现11 4 ,16 1 , 提 供 多 任务、 任 务管 理、 时间管理、任务间通信和同步、内存管理等重要服务, 使嵌入式应用程序 容易设计和扩展。内核是管理微处理器或者微控制器时间的软件, 确保所有时 间关键的事件尽可能高效地得到处理; 允许将系统分成多个独立的任务, 每个 任务处理程序的一部分,从而简化系统的设计过程。 设计嵌入式实时内 核就是要在资源有限的嵌入式系统上实现高效的o s 服 务, 将系统软件开销降低到最低限度。 任务调度、 任务间通信和同步、内 存管 理、 中断和异步事件处理、 系统时钟管理等都是r t o s 实时内核必须实现的重 要功能 p s 1 2 . 2 . 1 任务调度 确 定 性 和实时 性 是 嵌 入 式 实 时 应用 系 统的 重 要 特征 1 16 1 , r t o s 提供 重要 服 务进行任务调度,在任务之间分配 c p u执行时间, 确保任务的时间要求及时 得到满足。 任务调度分为两类: 时间片循环调度和优先级调度。 在时间片循环 调度中, 根据任务执行周期分配c p u , 适用于系统任务执行周期彼此协调的情 况,但是不适合于非周期任务调度。 优先级调度采用优先级策略为任务分配不同的优先级, 支持高优先级任务 抢占 低优先级任务,确保 c p u总是分配给优先级最高的就绪任务。因此要求 肇 b , 士公、 二 ; 士 及 , 丫;、1 二 i 使用任务分类队列, 记录运行时任务优先级次序, 这样产生的运行时开销比 循 环调度产生的运行时开销更多。 但是优先级调度适于非周期任务调度, 也适于 周期任务调度。 基于优先级调度可分为静态调度和动态调度 1 8 1 。 静态调度给任务分配固定 的 优先级, 短周 期 任务分配的 优先级高, 例如单 调率 ( r m) 调度算法2 1 1 、 单 调时限( d m) 调度算法。 动态调度为一个任务的不同调用分配不同的优先级, 例如最早时限 优先( e d f ) 调 度算法 1 8 1 根据不同 任务 调用的 绝对时限调 度任 务: 时限最早的任务优先级最高。 静态调度运行时开销低, c p u利用率不高; 动态调度比静态调度提供更佳 的 c p u利用率,却因为要根据任务变化的时限不断进行任务排序,产生更高 的运行时开销。 在嵌入式实时内 核调度方案中, 需要采用更优的调度方法充分 利用c p u ,减少系统开销。 2 . 2 . 2 任务间通信和同步 实时内核为任务间通信提供信号量、 消息邮箱、 消息队列、 事件旗语、 插 口和管道等内部数据结构,实现任务间消息传递、事件通知、互斥等机制。 信号量用于控制对共享资源的访问 ( 实现互斥) 、标记事件发生、保证任 务间同步。任务访问共享资源如数据关键区或i / o设备时,任务之间必须彼此 同步确保互斥, 避免共享变量或全局内存变量中的数据被破坏。 采用信号量机 制 1 8 , 1 9 ,2 0 1 ,就是为了同步管理对共享资 源的 访问。只有占 有信号量的任务能进 入关键数据区, 对共享资源进行操作, 其它要使用同一资源的任务必须等到信 号量释放并被自己 获得以后才能够使用资源。 使用信号量实现互斥机制必须维 护一个等待该信号量的就绪任务队列。信号量还可用于计数来标记事件发生。 但是过多使用信号量会产生很大的上下文转换和 c p u开销。因此设计高效、 低开销的信号量是提高o s 效率、减少额外开销必须考虑的因素。 实时内 核【 1 6 1 提供消息传递和消息队列在任务之间、任务和中断服务例程 ( i s r ) 之间进行数据交换和消息传递。 邮箱机制包含一个邮箱, 也就是一个指针 变量和等待该邮 箱消息的任务队列。一个任务可以使用内核提供的邮箱服务, 等待邮箱中的消息。如果此时邮箱中有消息,该任务就提取其中的消息, 开始 执行。 如果邮箱中无消息, 任务进入该等待队列等待消息到来。 消息队列与消 息邮箱的工作方式相似, 但消息队列为指针数组,可存放多条消息。 2 . 2 . 3内存管理 实时内核为每个任务在内存中创建并管理任务控制块 ( t c b ) 。它保存具 手 嶂 石 员 士学位论文 , i a s 丁 卜 n s刊; l 、 _一一-一一一一一一一 体任务的相关信息,记录任务的状态、任务优先级、指向任务栈顶的指针、以 一 及其 它与内 核有 关的 信息 16 1 。 每个 任务 有 各自 独 立的 堆栈, 能 够访问 大 多 数 c p u寄存器。内 核由 事件驱动在任务之间进行上下文切换,即保存c p u寄存 器内 容到当前任务堆栈, 保存堆栈指针到当 前任务的t c b中: 从新任务的t c b 中装载堆栈指针,并将新任务的上下文装载到c p u寄存器中。 2 . 2 . 4 中断和异步事件处理 实时 内 核 利 用i s r 处 理中 断 事 件 14 ,16 1 , 并 提 供重要 服务 对异 步 事 件发出 通 知。i s r 必须使用内核服务保存所有的c p u 寄存器,将i s r 己经进入事件告知 系统内 核。系统内 核使用嵌套计数器决定当前中断的嵌套级别,i s r 进入内 核 执行时嵌套计数器加 1 , 工 s r 执行完毕退出内 核时嵌套计数器减1 。 工 s r 完成时 必须激活内核提供的另一种服务, 通知内核i s r 结束。中断返回到上一级中断 嵌套级别时, 内核判断是否有一个优先级更高的任务已经由一个i s r 安排就绪。 如果没有优先级更高的任务就绪, 那么内核恢复c p u 寄存器内容, 中断任务继 续执行; 如果有优先级更高的任务已 经就绪, 那么内核就保存中断任务堆栈到 其t c b 中, 获取新任务的堆栈指针, 装载新任务堆栈到c p u 寄存器并执行此任 务。 2 . 2 .5 系统时钟 实时内 核为嵌 入式多 任务 程序提 供由 硬 件定 时器完成的 系统时间 机制p s 1 并提供延迟、 超时等重要的系统服务。 硬件定时器周期性中断c p u , 产生的中 断服务例程i s r 激活内核服务, 由此服务负责更新系统内部与时间有关的变量。 任务挂起执行时间、延迟任务等待时间都必须利用系统时钟提供的重要服务. 2 . 3 典型r t o s 类型的特点 ( 1 )q n x q n x 是由 加拿大q s s l 公司 ( q n x s o ft w a r e s y s t e m l t d .) 开发的 分 布式实 时 操作系统2 2 1 ,具有支持分布式和嵌入式应用、可规模扩展的特点; 遵循 p o s i x . 1 ( 程 序接口 ) 和 p o s i x . 2 ( s h e l l 和z具 ) 、 部分 遵循 p o s i x . l b ( 实时 扩 展 ) 标准。最早开发于 1 9 8 0 年,现在已相当成熟。 q nx 是基于微内 核结构的实时操作系统, 其内 核提供4 种最重要的系统 服务2 3 1 : 进程调度、 进程间通信、 底层网 络通信和中断处理。 其进程在独立的 地址空间 运行. 所有其它的o s服务, 都以 协 作的 用户进程实 现, 所以q n x 核心非常小巧( q n x 4 .x 大约为i m ) 而且运行速度极快。 : 为 士学 二 论又 曰丈 l l 、 七 气 绮 一- . 一一 一 . q n x内 核提供p o s i x . l b 标准进程调 度: 3 2 个 进程 优先级: 抢占 式的、 基于优先级的正文切换;可选调度策略:f i f o 、轮转策略、适应性策略。 ( 2 ) r t - l i n u x 嵌入式l in u x 是指经过小型化裁减,为各种特定的嵌入式应用定制的专用 l i n u x操作系统。r t -l i n u x最早由新墨西哥科技大学的 v i c t o r y o d a i k e n和 mi c h a e l b a r a b a n o v 设计完成。 为支持硬实时 ( h a r d r e a l - t i m e ) 特性,即满足时限 要求极为严格的任务响 应, 设计者将非实时l i n u x 内 核作为一个可抢先的任务运行于小的实时内核之 上, 所有的任务都在内核地址空间运行。 因此r t -l i n u x内核没有采用微内核 体系结构,而采用实时执行( r e a l - t i m e e x e c u t i v e ) 体系结构。 r t -l i n u x内核仅支持底层任务创建、中断服务例程的装入、底层任务通 信队 列、 中断 服务 例程 ( i s r ) 和l i n u x 进程。 调 度程 序以 可 加载 核心模块方式 装 入内核,支持基于优先级的抢占式调度和e d f 调度。 r t -l i n u x己经逐步运用于嵌入式应用领域, 它部分支持p o s i x . 1 b 标准。 其可靠性和可维护性不够理想。 ( 3 ) wi n d o w s c e wi n d o w s c e是微软公司为嵌入式系统开发提供的 3 2位操作系统,与 w i n d o w s 兼容。 其内 核模块提供虚拟内存管理、 进程调度、多任务管理、多线 程管理、以及中断处理和异常处理等系统级服务;支持抢占式多任务处理,提 供2 5 6 个线程优先级。 wi n d o w s c e 继承w i n d o w s 系统的大部分性能, 但是其内核模块不够小巧 灵活,伸缩性差,硬实时响应能力较差。 各种类型的r t o s 都具有一个很小的实时内核, 负责提供最基本的系统服 务, 一个最小的内核要求 1 - 3 k字节 r o m和几百字节r a m。 利用r t o s 实时 内核对系统进行扩展, 可以开发输入/ 输出管理器、 窗口系统、 文件系统、 网络、 语言接口库等操作系统服务软件包,为 8位/ 1 6位/ 3 2 位微处理器/ 微控制器应 用提供不同层次的嵌入式实时软件。r t o s是针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 面对不同体系结构的嵌入式处理器( 诸 如6 8 k , p o w e r p c . a r m. x 8 6 . mi p s , d s p等) 提供类同的a p i 接口,这是 r t o s 基于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。 据专家预测, 优秀的r t o s 上跨处理器平台的程序移植只 需修改 1 %一 5 %的内容。 圣肇 硕士学位论又 t 1 a si g r s t g f 卜 2 . 4 论文的主要工作 本论文的主要工作集中在提出实现r t o s 实时内 核的设计方案, 研究任务 调度方法,并设计嵌入式i n t e rn e t 通

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