嵌入式Linux操作系统的实时性研究

论文摘要

实时操作系统已广泛应用于国防、工业自动控制、通信等嵌入式领域。与通用的操作系统相比,实时操作系统的主要任务是对事件进行及时的处理,当随机事件发生时必须能够在严格的时限内做出响应,即使系统处于高负荷的情况也是如此,否则就会导致严重的后果。Linux 2.6内核在2003年底发布以来,已经被证明是一个高效稳定的内核。相比2.4内核,虽然2.6采用了一些新技术使得实时性有了很大提高,如可抢占式内核、新的O(1)调度算法等,但是内核中仍有大量的不可抢占区域影响着系统的实时性能。另外,2.6内核采用的是基于优先级抢占的O(1)调度器,而优先级抢占必然会导致优先级反转(Priority Inversion)问题,造成任务调度的不确定性,严重的影响着系统的实时性能。因此,为了满足嵌入式系统对实时性的苛刻要求,针对Linux 2.6内核的实时优化就成为迫切需要解决的问题。本文在对Linux2 .6内核进行深入研究的基础上,借鉴Ingo Molnar的实时改造思想,采用直接修改内核的方式,对Linux2.6内核进行了修改。由于在Linux2.6内核中大量地使用了自旋锁spinlock,致使有大量的临界区存在,它们将严重地影响着系统的实时性。将mutex互拆锁引入到spinlock自旋锁中使自旋锁可抢占,巧妙地实现了新的锁机制,提高了Linux2.6的实时性能。针对Linux 2.6内核的中断不可抢占引发的实时问题,采用中断线程化的方法。中断线程化之后,中断将作为内核线程运行而且赋予不同的实时优先级,实时任务可以有比中断线程更高的优先级,这样,实时任务就可以作为最高优先级的执行单元来运行,即使在严重负载下仍有实时性保证。针对Linux2.6的O(1)调度器所带来的优先级反转问题,为了保证系统的实时性,本文提出了用优先级继承协议和优先级置顶协议两种方法来解决,并具体分析了优先级继承协议在Linux2.6内核上的实现方法。最后,使用LMbench测试软件对系统上下文切换时间进行测试,结果表明,改进后的Linux2.6内核在实时性能上较原Linux2.6和Linux2.4内核有了进一步的提高,更加适用于嵌入式实时应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 嵌入式实时操作系统概述
• 2.1 实时操作系统
• 2.1.1 实时操作系统定义
• 2.1.2 实时操作系统特点
• 2.2 嵌入式实时操作系统
• 2.2.1 嵌入式实时操作系统的体系结构
• 2.2.2 嵌入式实时操作系统的分类
• 2.2.3 嵌入式实时操作系统的发展方向
• 2.3 几种流行的嵌入式RTOS
• 2.3.1 UC/OS II
• 2.3.2 eCos
• 2.3.3 VxWorks
• 2.3.4 Nucleus Plus
• 第三章 嵌入式Linux 操作系统及其实时化
• 3.1 嵌入式Linux 操作系统概述
• 3.2 嵌入式Linux 操作系统的实时性问题
• 3.2.1 Linux2.4 内核制约实时性的因素
• 3.2.2 Linux2.6 内核制约实时性的因素
• 3.3 Linux 内核实时化方法
• 3.3.1 直接修改内核方法
• 3.3.2 双内核方法
• 3.3.3 资源核方法
• 第四章 Linux2.6 内核分析
• 4.1 O（1）调度算法
• 4.1.1 O（1）调度算法的特性
• 4.1.2 新的数据结构runqueue
• 4.1.3 改进的task struct 数据结构
• 4.1.4 调度函数schedule（）
• 4.2 自旋锁spinlock
• 4.2.1 自旋锁介绍
• 4.2.2 自旋锁的API
• 4.3 Linux 2.6 内核的新特性
• 4.3.1 可抢占内核
• 4.3.2 有效的调度程序
• 4.3.3 共享内存的改进
• 4.3.4 对64 位处理器的支持
• 4.3.5 POSIX 线程、信号和计时器
• 4.3.6 微控制器的支持
• 第五章Linux2.6 内核的实时优化
• 5.1 用互拆锁替换自旋锁
• 5.1.1 spinlock 失效抢占的目的
• 5.1.2 spinlock 的修改
• 5.1.3 大内核锁可抢占
• 5.2 中断线程化
• 5.2.1 中断线程化的原因
• 5.2.2 中断线程化的实现方法
• 5.3 优先级反转
• 5.3.1 优先级反转的原因
• 5.3.2 优先级反转的理论解决
• 5.3.3 优先级继承协议的实现
• 5.4 Linux 内核开发与测试
• 5.4.1 编译内核与内核模块
• 5.4.2 衡量操作系统实时性能的几个重要指标
• 5.4.3 测试与分析
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢
• 作者简介