嵌入式Linux的实时性研究与改造

论文摘要

目前,实时操作系统在各个领域的广泛应用,越来越引起人们的重视。在众多的实时操作系统中,基于linux的实时操作系统,由于开放源代码,以及linux系统的稳定性,日益受到人们的欢迎。但linux本身并不是真正的实时操作系统,所以必须对其进行实时化提升。而将Linux进行实时化改造,是国内外计算机界的研究热点之一。因而,基于Linux开发一个开放的、标准的、高效廉价的实时操作系统是完全可行的,如何增强Linux的实时性是目前实时操作系统研究的一个重点。自Linux2.6内核2003年底发布以来,已经被大量测试和实际应用且已被证明其是一个高效稳定的内核。与Linux2.4内核相比,Linux2.6内核采用了一些新的技术使得实时性有了很大的提高,如可抢占式内核、新的O(1)调度算法等,尽管实时操作系统的开发者可以从这些改变中受益,然而,Linux2.6仍然不是一个实时内核。但是这些改变使得将该内核转变为RTOS成为可能,因而,有必要继续对Linux2.6内核进行实时化改造,进一步提高其实时性。为了构建适合于电能量采集终端的强实时性Linux操作系统,本文研究了当前较新版本的Linux内核(2.6.22)的体系结构以及内部模块的依赖关系,并分析了Linux实时性不强的原因,然后在此基础之上研究了改造Linux内核实时性常见的方法,并给出了具体的改造思路。进而,本文分别从实时性改进的两大方面对现有的Linux内核进行改造:首先,本文从软实时性改造的角度出发,按照核心内核法的改造思路,在现有的Linux内核的调度机制和时钟机制进行分析和研究的在此基础之上,在原有O(1)算法的前提下引入LSF算法对调度策略进行改进。与此同时,采用APIC编程的方式对原有的粗粒度的时钟机制进行改造。其次,为了提高Linux本身对硬实时性,本文按照双核模型的改造思想,利用RTAI技术对现有的Linux进行了实时性改造。最后,本文对改造后的Linux内核进行了重新的配置和编译,从改造的三个方面分别进行了相应的测试并证明了改造后内核具备实时要求,并最终将其应用于低压用户电能量采集终端软件开发平台的搭建之中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 问题阐述
• 1.4 课题的研究意义
• 1.5 主要工作
• 1.6 课题来源与论文组织结构
• 第2章 Linux操作系统分析
• 2.1 Linux系统组成分析
• 2.2 用Linux构造嵌入式实时操作系统的优势
• 2.3 Linux实时性能不强的原因
• 第3章 Linux实时性改进方法的研究
• 3.1 实时内核改造方法
• 3.1.1 兼容内核方法（Compliant Kernel Approach）
• 3.1.2 双内核方法（Dual Kernel Approach）
• 3.1.3 核心内核方法（Core Kernel Approach）
• 3.1.4 资源内核方法（Resource Kernel Approach）
• 3.2 典型的Linux实时化方案分析
• 3.2.1 RED-Linux
• 3.2.2 RTAI
• 3.3 Linux实时性改进思路
• 第4章 进程调度机制分析与改进
• 4.1 Linux调度程序工作流程
• 4.2 Linux的进程调度机制
• 4.2.1 全新的可运行队列runqueue
• struct数据结构'>4.2.2 改进的task_struct数据结构
• 4.2.3 调度函数schedule（）
• 4.2.4 0（1）调度算法
• 4.2.5 实时调度的不足
• 4.3 实时调度算法分析
• 4.3.1 基于优先级的调度策略
• 4.3.2 基于比例共享的调度策略
• 4.3.3 基于时间驱动的调度策略
• 4.4 实时调度机制改进
• 4.4.1 LSF调度算法的分析
• 4.4.2 改进调度系统的基本原理
• 4.4.3 改进调度系统的代码分析
• 4.4.4 改进系统的调度性能分析
• 第5章 时钟机制分析与改进
• 5.1 Linux的时钟系统
• 5.1.1 时钟源
• 5.1.2 Linux定时器
• 5.2 细粒度并行时钟系统的设计与实现
• 5.2.1 实时定时器队列
• 5.2.2 APIC编程
• 5.2.3 APIC可编程时钟中断的实现
• 5.2.4 APIC与8254共存的问题
• 第6章 双核实时系统的分析与实现
• 6.1 RTAI实时化技术简介
• 6.1.1 RTAI的设计思想
• 6.1.2 RTAI的系统结构与实现机制
• 6.1.3 实时硬件抽象层（RTHAL）
• 6.1.4 RTAI中断处理机制
• 6.1.5 RTAI的主要模块
• 6.2 RTAI-Linux的实现
• 6.2.1 Linux内核编译
• 6.2.2 编译安装RTAI模块
• 第7章 系统测试
• 7.1 实时性系统评价指标
• 7.2 调度器实时性测试
• 7.2.1 测试工具Linux Trace Toolkit简介
• 7.2.2 调度器改造实时性测试
• 7.3 时钟系统的实时性测试
• 7.4 双内核实时性测试
• 7.4.1 标准Linux内核调度延时测试
• 7.4.2 实时Linux双内核调度延迟测试
• 第8章 RTLinux在低压用户电能量采集终端的应用
• 8.1 低压用户电能量采集终端硬件平台简介
• 8.2 Blob的分析与移植
• 8.2.1 基于S3C44BOX的Blob启动程序分析
• 8.2.2 基于S3C44BOX的Blob移植的具体步骤
• 8.3 基于S3C44BOX的RTLinux的移植
• 第9章 结束语
• 9.1 论文工作总结
• 9.2 论文的主要贡献与创新
• 9.3 研究的不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表