【毕业学位论文】基于ARM的T-Kernel系统移植研究-计算机软件与理论

大连海事大学硕士学位论文基于成勋申请学位级别：硕士专业：计算机软件与理论指导教师：刘朝斌20080301中文摘要摘 要T于实时性和开源性，在嵌入式操作系统领域中的应用越来越广泛。以结合两者进行研究促进T时，先级反向使得高优先级任务的执行时间无法预测，增加了实时系统的不确定性。早期的解决协议较好地解决了优先级反转问题，但同时也存在着自身不足之处。针对深入研究相关协议的基础上，本论文提出了一种新的改进的优先级继承协议。该协议设置超时保护机制，避免任务在获取信号量时长时间的阻塞，结合序资源使用法防止死锁发生，给出该协议的分析过程，并把该协议结合到这个基础之上，建立研究开发平台；针对硬件设备，研究引导程序的执行原理，实现系统的引导程序；构建植内核到开发板；最后对嵌入式系统开发的提供了一种开发流程，同时对于以后的应用程序开发提供了一个接口；对于T以改进时为实时系统的性能改进提供了参考。关键词：嵌入式系统；先级反转；英文摘要a of is in of of RM is a of of on is of of in at in o at a on of of he to t of by of is of it of it it to at it of 11e on RM a of of of 连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士硕士学位论文论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名毒，吣的僻弓月a 连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法一，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密口，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密口、不保密酯(请在以上方框内打“4)论文作者签名基于选题背景第1章绪论嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统(包括硬、软件系统)极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、浏览器等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序等。嵌入式操作系统一般都具有实时性、可剪裁性、可靠性等特点，与通用操作系统相比较，在应用的专用性等方面具有较为突出的特点。一般情况下，嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理(移动电话、机顶盒、电子书、l】。常见的嵌入式操作系统有以下几种：S，入式以上是在嵌入式领域内应用的比较广泛的操作系统，还有一个操作系统在日本应用的比较广泛，但是在国内的知名度却不是很高，那就是基于。由日本东京大学坂村健教授于1984年提出的开放嵌入式实时操作系统规范，目的是构筑一种理想的计算机结构，实现一种“泛在计算环境。基于车电子、通信、工业控制等诸多领域，成为应用最为广泛的嵌入式操作系统之一。所谓“泛在计算环境是指将微型计算机嵌入到日常生活中的所有仪器、设备中，通过网络相互通信协作，实现高度计算机化的社会环境。为了使计算机嵌入到包括移动通信器等在内的各种设备中，需要计算机结构小型化并有很好的实时性能。为此，1984年坂村健提倡产业界与学术界联合启动“5第1章绪论“行了20年，先后推出了入式系统用实时操作系统规范)、算机及手机信息终端等最终客户直接操作的操作系统规范体系)、通信控制及信息处理为目的的操作系统接口规范)及向各种电子机器的人机界面标准)等规范。由于用作为实时操作系统的嵌入式计算机结构实时性能很好，它被广泛应用于汽车电子、移动电话、传真机、电视机、录像机、数码相机等诸多领域，成为低价高性能嵌入式系统的典范，也将有可能成为卫星测控、工业控制、医疗器械等领域的重要技术。是由六大基础研究子项目为依托的，分别是：1 它们之间具体关系如图11所示。图11 1 上的标准化的开源实时操作系统核心，由基于展而来。经过20多年的发展，这一操作系统已经安装到了全球30亿到40亿台家用电子产品中，占全球微处理器操作系统约60。该操作系统与其他操作系统相比主要具有两大鲜明特征：(1)几乎没有任何约束的开放，即完全免费开放的管是个人还是企业都能做任何商业化的产品开发；(2)超强的实时处理速度，该速度可以达到用开发最终和内核函数编译到一起。其提供了很多的编译调试器，例如日立公司提供的相应的CC+编译和调试器。不论是汽车电子还是家用电器，11研究意义在国内，多的嵌入式开发人员都没有听说过嵌入式领域中是一款比较好的微处理器，但在国内，合两者的应用对于未来的嵌入式行业将起到很大的促进作用，所以现在对这个方面的研究要从为以后用户在可作为今后企业在新产品的研发缩短周期，从而增加企业市场竞争力。此外，我们同时发现先级反转是指当一个高优先级任务访问共享资源时，该资源已被一个低优先级任务占有，而这个低优先级任务在访问共享资源时又可能被其它中优先级的任务抢占，造成高优先级任务被许多较低优先级任务阻塞，高优先级任务在低优先级任务之后运行，实时性得不到保证。针对这一问题要提出合理的解决方案。由于目前对于这个问题已经有两种解决问题的协议一优先级继承和优先级上限，但是这两种协议也存在着弊病。本论文力图通过建立一种适当的协议解决这种问题。提高T时为其他的实时性操作系统提高性能提供了更好的参考方案。第2研究内容 本文对基于时对且针对移植过程中的关键问题给了具体的解决方案。根据课题的研究目标，首先分析现调度中存在的问题，找到目前现有的解决问题的两种协议，同时发现这两种协议的缺陷，探索出一种更好的协议解决这种问题。将对系统引导程序认真分析的基础上，利用系统引导程序正确的引导中，由于论文分析合具体的硬件实现引导程序。由于像别是内部启动机制方面资料。所以根据这个问题，重点分析和研究了及为以后继续开发基于2论文结构本文论述内容结构如下：第1章 在综述嵌入式系统的基础上，介绍了嵌入式系统的组成、特点，对本文的研究背景、研究内容进行介绍； 第2章 阐述3章 分析现析目前解决优先权反转问题的两种协议的缺陷，提出一种新的改进优先级继承协议，同时证明该协议的正确性，并把该协议结合到4章 结合课题的需要，实现嵌入式系统开发环境；第5章 根据开发板的硬件，结合用6章 实现了针对本课题系统的内核移植和配置，研究T7章 总结了论文所做的工作以及对今后工作的展望。基于过20多年的发展，球范围内最广泛使用的处理器。这些公司根据其市场定位设计和制造出各种基于泛应用于嵌入式系统的开发中【11】。21 1发展历史1983年10月至1985年4月间，第一片20世纪80年代后期，些产品奠定了英国教育界计算机技术的基础，在当时12。1990年，为广泛推广化为此时公司成立于1990年11月，由苹果电脑、12技术特征系结构的计算机系统。一个基于用的是典型的32位指令集拥有4位的寄存器地址域，可访问15这16个寄存器，而其他寄存器只有在特殊情况下才可访问到。有种方式可解决指令执行的条件判定，确定条件分支问题，从而对代码的密度和性能都有好处，这也是统的杂指令集计算机)结构有其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些新增的指令，第2章体系结构与硬件平台计算机的体系结构会越来越复杂，然而，在使用频率却相差悬殊，大约有20的指令会被反复使用，占整个程序代码的80。而余下的80的指令却不经常使用，在程序设计中只占20，显然，这种结构是不太合理的。基于以上的不合理性，1979年美国加州大学伯克利分校提出了是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。22 要包括内核删9)冲器个处理器的组织结构13如图21所示。指令尘尘里外部协处理器接口数据圈学据图21 1 系结构中具有a)b)序计数程序执行过程中，处理器可在两种状态下切换。需要强调的是：a)b)c)能处于22处理器模式处理器共有7种运行模式，如表21所示：除了用户模式之外的其他6种处理模式称为特权模式。在这些模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式的切换。其中，除系统模式外，其它5种特权模式又称异常模式。处理器模式可以通过软件控制进行切换，也可以通过外部中断或者异常处理过程进行切换。大多数的用户程序运行在用户模式下。这时，应用程序不能够访问一些受操作系统保护的系统资源。应用程序也不能直接进行处理器模式的切换。当需要进行处理器模式切换时，应用程序可以产生异常处理，在异常处理过程中进行处理器模式的切换。这种体系结构可以使操作系统控制整个系统资源。表21 RM 应的中断模式 描述用户模式 (正常程序执行的模式快速中断模式 (用于高速数据传输和通道处理外部中断模式 (用于通常的中断处理特权模式 (供操作系统使用的一种保护模式数据访问中止模式 (用于虚拟存储及存储保护未定义指令中止模式 (用于支持通过软件仿真硬件的协处理器系统模式 (用于运行特权级的操作系统任务第2章体系结构与硬件平台当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。、在每一种异常模式中都有一组寄存器，供相应的异常处理程序使用，这样就可以保证在进入异常模式时，用户模式下的寄存器不被破坏。23 1存储器层次简介现代处理器具有很高的指令执行速度，为了发挥其最佳性能，需要有一个访问速度和容量与其匹配的存储系统。但是通常情况是，存储器的大小和它的访问速度是相互制约的。采用多级存储技术是一种可以令人满意的折中方案，它包括一个容量小但是访问速度极快的存储器和一个容量大但是访问速度稍慢的主存储器组成，这样整个存储系统在外部看来既大有快。$3)寄存器组可以看作是存储器的顶层，典型的存器，总共128字节，其访问时间为几个)片上指令般容量为832问时间大概为11S。高性能容量为几百问时间为几十)片上果微处理器要达到最佳性能，采用片上存储器是必要的。它和片上寄存器组具有同级的读写速度。与片外存储器相比，它有较好的功耗效率，并减少了电磁干扰。4)主存储器是两片存储器可能是几兆字节到1问时间大概为50)硬盘作为后援存贮器，容量可能从几百兆字节到几十个问时间大概为几十32 常嵌入式系统的程序存放在样系统断电后程序能够得到保存。但是常速度要慢很多，而且嵌入式系统中通常把异常中断向量表存放统加电时将样可以进行一些初始化处理；当这些初始化处理完成后，将把系统程序加载到储器管理单元主要完成以下工作： 虚拟存储空间到物理存储空间的映射。在把虚拟地址空间分成一个个固定大小的块，每块称为一页，把物理内存的地址空间也分成同样大小的页。存储器访问权限的控制。设置虚拟存储空间的缓冲特性233$302410处理器的存储映射$3分为16块，每块为128第1到第8块地址空间通过外部片选15块地址空间用作外围设备，可以通过先进外围设备总线(问；其余地址空间没有定义。如图，22所示秘啊呻幡帅囊-e ，He啦 lBa$3 3享量器第2章体系结构与硬件平台$34 410开发板161，它是基于该公司的心板采用6层板设计。$3部带有全性能的存处理单元)，它适用于设计移动手持设备类产品，具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性。件上410采用核心板与接口分离的形式，将系统的外围设备，以太网络、视频、音频，于客户来讲，不同的需求需要不同的接口形式，但是所需要的最小系统大致相同。在软件上，首选韩国于该平台及其开发工具包，编写和移植了很多软件供参考，如控制台模式下的持盘标准驱动程序等等。241开发板特性及资源$3632称工作频率：203算能力：220高工作频率：266统时钟：内部66部总线频率：100。133核心板64心板64升级至128持1024768分辨率下的各种液晶触摸屏控制器：舢订： 2通道个个基于D个备后备电池插座个通道速同步串行口出接口麦克风输入接口：1个中断和测试按键：4个 10个数码管：1个个个55本章小结本文首先介绍后介绍本论文涉及到的硬件平台，包括平台特性和硬件资源，这些为后续的研究工作打好基础。第3章嵌入式实时操作系统31 概要T承了进一步进行了强化。具有文件系统和网络协议等上层包含实时核心的基本功能，不包括文件管理、网络管理和功能，这一点与1件管理等功能由运行在TT中具有代表性的是提供文件管理、事件管理和过程管理等功能的外，音识别和语音合成、手写文字识别、安全方面等多种中间件以及浏览器等大型应用程序、各种设备的设备驱动程序等则由通过它们的使用可以大幅度缩短嵌入式系统的开发周期和开发工时。S(M(S(部分。现其任务管理和同步控制等作为实时当于过去要由T功能是在此，如果进行通常的编程，就不需要意识到T11 务、周期性处理程序、信号量和邮箱都属于核心对象。编制T以说就是编制核心对象。如表31所示。基于 心对象任务 任务信号量同步通信 事件标志邮箱互斥体扩展同步通信 消息缓冲区集合点端口固定大小的内存池内存池管理大小可变的内存池周期性处理程序时间管理报警处理程序任务是用程序通常由一个或多个任务组成。各任务由据各个任务所被认定的优先顺序，进行分时执行。为了进行任务间的同步通信，配置了信号量、事件标志和邮箱等同步通信功能以及互斥体、消息缓冲区和集合点端口等扩展同步通信功能。内存池是由任务动态确保内存的一种配置，例如，利用邮箱传送来自其他任务的数据区域等。 ：周期性处理程序和报警处理程序与任务不同，是由称为时间事件管理程序。不属于时间事件管理任务的程序，称为任务无关部分，其他还有进行中断处理的中断处理程序。在T心对象能够根据如，为了识别任务，可以利用任务D；而利用信号量D，则可以识别信号量。利用象的如，在生成任务时通过户则不能分配任意的值。因此，由核心所分配的3章嵌入式实时操作系统2 标准T必须具备的。不使用序运行于物理内存上的物理地址空间上。而使用序则在虚拟内存上的逻辑地址空间运行。在际操作此，内存管理模式要依赖于，通过改变外，即使不使用者不存在也可以运行面以T明内存管理的构造。1任务固定空间和共享空间使用一逻辑地址空间分为任务固定空间和共享空间。任务固定空间是指只有属于它的任务才能访问的内存空间。通常，任务属于特定的某一个任务固定空间。一个任务固定空间允许有多个任务，但是，一个任务不允许属于多个任务固定空间。共享空间是所有任务均可以访问的内存空间。在共享空间中，包括系统所使用的空间和任务间共享的空间。某个任务只能在自己所属的任务固定空间和共享空间进行访问。例如，图31中的任务和共享空间进行访问。任务共享空间进行访问。任务共享空间进行访问。各任务固定空间在逻辑地址空间上有重叠，实际上被分配的物理内存是其他的内存。因此，任务际所访问的内存也是不一样的。基于任务固定空间和共享空间 以防止某个任务破坏其他任务的内存信息。但与此同时，在任务间也就不能共用全局变量。需要共享的数据，必须确保其共享空间，将其置于该空间内。生成任务时要指定各任务的任务固定空间。不使用以忽略任务固定空间的指定。2内存的保护级别T护级别分03级，共有4个级别，数值越小，越处于高层。在任务中设定与保护级别相对应的执行级别。执行级别为以访问保护级别如，执行级别为2的任务，可以访问保护级别2和3的内存空间。表32规定了保护和执行级别的用途。即使是属于共享空间上的内存空间，如果保护和执行级别不同，也不能进行访问。因此，可以防止用户的应用程序破坏系统的内存空间。保护和执行级别使用和等硬件功能来实现，因此，实际的保护和执行级别的功能要依赖于硬件。例如，很多这种情况下，3级则在用户模式中分配了0-2级的特权模式，不保护0级的内存。表32内存的保护级 of 途0级 系统软件(备驱动程序等)统应用程序2级 未使用(预留)3级 用户应用程序第3章嵌入式实时操作系统 的任务状态和调度规则321 任务(调用任务(行执行的基本逻辑单元称为“任务。进行系统调用的任务称为“调用任务。2分派(分派器(理器执行的任务间的切换称为“分派”(或任务分派)。用来实现分派的内核机制叫做“分派器(或任务分派器)。3调度(调度器(定要执行的下一个任务的处理过程称为“调度”(或任务调度)。用来实现调度的内核机制叫做“调度器(或任务调度器)。通常，调度器的功能在系统调用处理过程中或分派器内实现。4环境(一个程序运行的环境被称为“环境。环境是一个应用程序立场上的概念。若说环境完全一致，最起码的条件是处理器的运行模式必须相同，而且堆栈空间(相同连续区域的一部分)必须一致。5优先权(同处理请求之间的、决定处理的先后次序的关系称为“优先权。优先级是应用程序分配的一个参数，用来控制任务或消息处理的顺序。任务间的优先权是由优先级决定的。6黾为了能够由应用程序和中间件调用包含作为宏定义和库现的接口。任务的状态可被分为下面5种。其中，广义的等待状态被进一步划分为3种情况。基于运行状态：当前任务正在运行，除非另外指明，否则当任务无关部分执行时，先于任务无关部分执行的任务被认为处于运行状态。2就绪状态：任务已经完成运行前的准备，但由于有更高优先权的任务正在运行，使得它不能运行。只有在它成为其他处于就绪状态的任务中优先权最高的任务时方可运行。3广义的等待状态：由于运行条件未达到而导致任务不能运行。当任务处于任何一种等待状态时，程序计数器和寄存器的值，以及其他代表程序执行状况的信息都将被保存起来。当任务从这个状态返回而被执行时，程序计数器和寄存器的值，以及其他的值都将立即被恢复为它们进入等待状态前的值。这个状态被细分为下述3种状态。1)等待(态：由于有系统调用而被中断了调用任务的执行时，执行将被停止，直到某些条件满足。2)挂起(态：执行被其他任务强行中断。对于处于等待状态的任务，一旦强制变为挂起状态，它将处于双重等待状态。3)等待一挂起(态：介于等待状态和挂起状态之间的状态。4睡眠状态：任务还未启动或者它的执行已经完成的状态。当任务处于睡眠状态时，代表它的执行信息将不被保存。当一个任务从睡眠状态开始启动时，执行将从任务的起始地址开始。5不存在状态：任务建立前或者删除后的一种虚拟状态，任务此时并未在系统中注册。任务间的状态转换如下图32所示。当转到就绪状态的任务的优先权高于当前正在运行的任务时，在任务进入就绪状态的同时会产生(任务的)分派，使得该任务立刻转为运行状态。在这种情况下，就称之前处于运行状态的任务被刚转入到运行状态的任务抢占了。注意，在系统调用函数使用说明中，即使在说明一个任务进入就绪状态时，该任务也可能立刻进入运行状态，这是由它的优先权所决定的。第3章嵌入式实时操作系统此，如果说一个任务并不处于睡眠或者不存在状态，那么它被称为“己经启动状态。任务退出是指把一个处于启动状态的任务转到睡眠状态。释放任务的等待是指使一个任务从等待状态转为就绪状态，或者是使一个处于“等待一挂起状态的任务转为挂起状态。挂起任务的恢复是指使一个处于挂起状态的任务转为就绪状态，或者是使一个处于“等待一挂起状态的任务转为等待状态。等待状态和挂起状态的关系是互相垂直的：也就是说，请求转换到挂起状态并不会影响到释放任务等待状态的条件。这就表明，不管任务处于等待状态，还是“等待一挂起状态，释放任务等待状态的条件都是相同的。因此，即使一个正处于等待获得某些资源(信号资源和内存块等)的任务请求转变为挂起状态且任务因此而进入“等待一挂起状态时，分配资源的条件也不会改变，还是与请求进入挂起状态前一样。就绪状态分派占先 运行状态降放 等俐阵待 条俐瓢叫终止剥甜 挂赳 千挂起。(l( I 止圭k、 上释放等待件取守1寸动二_I卜(32任务状态转换 2 定情况下，任务的优先权作为任务的调度规则。而任务间的优先权则将根据任务的优先级按照下述方法来确定：如果有多个任务可以运行，那么拥有最高优先权的那个任务转为运行状态，其他的则转为就绪状态，在决定任务的优先权时，对于不同优先级的任务，拥有最高优先级的任务最先执行而对于优先级相同的任务，首先进入运行状态(运行状态和就绪状态)的任务最先执行。拥有相同优先级的任务调度可按者时间片(转这两种调度方法。在时间片轮转中，系统为每个任务分配固定大小的时间片，当一个任务超过时间片指定的时间时，它只能释放所占有的资源，优先权就转变成具有相同优先级的任务中最低的，自动将优先权让给下个任务。当设置时，表示不限制时间，任务不能自动让出执行权。这样，当时间短的任务调度时可选用先来先服务的策略，时间长的任务可选用时间片轮转的方式。当最高优先权从一个任务转到另外一个任务时，立即产生一次分派(操作)，处于运行状态的任务被切换。但是，如果分派并未发生，那么处于运行状态的任务的切换将被延迟，直到分派(操作)产生。下面的例子说明首先进入运行状态(运行状态或就绪状态)的任务是如何在拥有相同优先级的任务中获得优先执行权的。图33所示为优先级先级3的任务E，以及优先级2的任务B、任务先权最高的任务33初始状态任务执行的先后顺序 in 一个拥有最高优先权的任务图34)。当任务务由于任务以，它在相同优先级的任务中拥有最高的优先权。即任务执行的先后顺序将还原为图33所示那样。执行顺序高 沮乃。可能阻魏。由于仅考虑临界区合理嵌套的情况，可以把问题简化为考虑具有最大元素的层，集合，记为厦，即耽=，)A(-=层，儿m c z，m)。由于集合厦，去除了层以将问题集中于厦=包含了可能阻塞作业，的所有最长临界区的集合。定义：令作业，被作业以的第歹个临界区乙果作业以比作业，较低，但作业，必须等待作业以推出临界区磊，才可以继续执行；令作业果临界区的执行，同时S。J=S。同时假定系统是完全的可抢占的，即在任意时刻，系统所执行的进程是所有可执行进程中，优先级最高的进程。改进的优先级继承协议思想及性质对优先级继承协议进行改进，目标是防止死锁和特殊的高优先级任务长时间阻塞情况，提高实时系统的效率及灵活性。改进的思想主要有两方面：(1)设置超时保护机制，避免任务在获取信号量时过长时间的阻塞。(2)结合序资源使用法”【211。把系统中所有资源类都分给一个惟一的序号，把一些经常用到的资源类排成低序号，不经常用到的资源类排成高序号，申请资源是从低序号到高序号的顺序申请。1协议的定义：1)若作业，初次启动后在就绪作业中具有最高优先级，则，开始执行。在，进入临界区之前，它执行相应的信号量果临界区没有上锁，则执行P(S)进入临界区z，否则，在了防止高优先级或特殊的作业长时间阻塞，可设置超时时间t，进行超时保护。当作业，在指定的时间内仍未获得信号量时，将其从第3章嵌入式实时操作系统溯调整信号量的最大优先级和信号量所有者的优先级，取消，对临界区的操作继续执行。作业行v(s)操作，这时若有被，阻塞的高优先级任务，则唤醒它。2)作业，首先使用固定优先级运行，除非它进入临界区并阻塞了更高优先级的任务，这时-，将继承被它阻塞的所有任务中最高优先级，并在此优先级上执行，当，退出临界区，它将恢复进入临界区前的优先级。3)优先级继承具有传递性。假设，：，厶是按优先级降序排列3个作业，如果