基于Linux系统的实时性改进及实现

论文摘要

Linux系统是一种分时的、具有强大网络功能并开源的通用目的操作系统,它诞生于上世纪90年代初,以网络为基础广泛传播到世界各地并成为当今主要操作系统之一。因为Linux操作系统的开源性及其优异的性能受到广大计算机爱好者的喜爱并对其进行各种各样的改造,实时性改造就是其中的一项重要内容。很多实时操作系统开发人员(尤其嵌入式系统)都投入到对Linux的实时性改造的工程中。目前对其实时性的研究与改造可以说已经形成了很多成熟的理论并实现了Linux的实时化,成功的运用在很多实时领域。但仍有很多热爱操作系统的人员乐此不彼地投入到这项工作中,因为Linux给了人们很大的空间对其进行符合个人喜好的改进。本文也正是在这种思潮的推动下,在阅读了大量的论文及文献资料下,总结前人的很多的理论及成果,努力的开拓出一条新的Linux实时性能改进的道路。与以往的Linux实时性改进有所不同的是,本文采用的是代码量较少的老版本的Linux0.11内核,避开以往对它实时性处理只进行某一方面的改造方式,着重对其整个内核的实时性进行改造升级。在当今硬件发展飞速的时代背景下,提出以空间换取时间的总体思想来解决Linux的实时性问题。经典的Linux内核实时性改造大体有两类:外部实时性扩展和内部实时性改进。前者是在原有的Linux内核基础上增加了一个实时子内核,后者则直接对内核相关代码进行修改。本文综合了这两种方式,以实时进程为关注点,对整个内核代码相关方面进行实时性补充。因Linux0.11内核的短小精悍,可以对其进行通读并宏观上掌握整个Linux系统的结构,可以找到很多切入点,以增加实时处理代码的方式来完成对其实时性能的改进。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 绪论
• 第一章 Linux 与实时操作系统
• 1.1 Linux 的诞生和发展
• 1.2 Linux 内核源代码的目录结构
• 1.2.1 引导启动程序目录boot
• 1.2.2 文件系统目录fs
• 1.2.3 头文件主目录include
• 1.2.4 内核初始化程序目录init
• 1.2.5 内核程序主目录kernel
• 1.2.6 内核库函数目录lib
• 1.2.7 内存管理程序目录mm
• 1.2.8 编译内核工具程序目录tools
• 1.3 实时操作系统
• 1.3.1 什么是电子系统的实时性
• 1.3.2 三类电子应用系统的实时性
• 本章小结
• 第二章 Linux 的实时应用局限性分析
• 2.1 嵌入式系统的实时性分析
• 2.1.1 嵌入式系统实时性的出发点
• 2.1.2 嵌入式系统的实时性分析
• 2.1.3 实时系统的动态误差
• 2.1.4 嵌入式应用系统的实时性设计
• 2.2 Linux 的实时局限性分析
• 2.2.1 内核模式不可抢占
• 2.2.2 基于固定时间片的调度算法
• 2.2.3 I/O 请求重排序
• 2.2.4 进程切换开销大
• 2.2.5 虚拟内存管理
• 2.2.6 临界资源不可抢占
• 2.2.7 公平设计原则
• 本章小结
• 第三章 Linux 内核进程控制
• 3.1 任务数据结构
• 3.2 进程运行状态
• 3.3 进程初始化
• 3.4 创建新进程
• 3.5 进程调度
• 3.6 终止进程
• 本章小结
• 第四章 实时性改进方案及实现
• 4.1 外部实时性扩展方法的实现
• 4.2 内部实时性改进方法的实现
• 4.2.1 时钟机制改进的实现
• 4.2.2 内核抢占性改进的实现
• 4.3 综合实时性的改进方案
• 4.3.1 schedule（ ）函数的改进
• 4.3.2 定时器改进方法
• 4.3.3 内存管理的优化
• 4.3.4 Linux 与μC/OS-Ⅱ的结合
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢