多内核构件化嵌入式操作系统的研究

论文摘要

随着电子技术的发展,软/硬件资源日益增多,嵌入式系统日益普适化和多样化。嵌入式操作系统除了提供传统实时操作系统的功能之外,还需要根据用户的需求支持许多通用操作系统的功能,包括文件系统、网络协议、用户界面等。许多嵌入式系统还要求操作系统能够支持高性能的多媒体处理和信号处理等应用。此外,越来越多的设备连接到网络环境,安全问题显得日益重要。因此,嵌入式操作系统正面临来自许多方面的困难问题,包括扩展性、实时性、通用性、高效性和安全性等。为了支持这些多样化的应用需求,业内各机构提出了一些解决方案。例如,构件技术主要解决操作系统的扩展性问题,双内核技术主要解决操作系统如何同时满足实时性和通用性的问题。 构件技术通过预定义的模块组合,创建复杂的软件系统,是当前主流的开发方式。采用构件化方法设计可配置的操作系统,具有开发时间短、支持构件重用、灵活的可扩展性和良好的可移植性等优点。然而,主流构件技术用于嵌入式操作系统有许多缺点,如实时性差、代码体积大、运行速度慢等。研究构件化的嵌入式操作系统,需要解决三个关键难题:保证构件化运行环境的高效性:保证对若干重要应用领域的支持,包括信号处理和多媒体处理;保证系统能够同时满足安全性、实时性和通用性。 本文针对构件化嵌入式操作系统技术展开深入研究,提出一种多内核操作系统技术,设计并实现了一个构件化嵌入式操作系统Pcanel及其构件模型和数据流框架。本文的主要贡献和创新点表现为如下工作: 1) 提出了一种多内核操作系统技术(简称多内核技术):一个操作系统由多个内核以及一组实现特定功能的构件组成,可支持多样化的应用;构件按结构分为两类,第一类是在运行时包含所有功能的执行代码的构件,称为功能式构件,第二:类是在运行时动态加载外部执行代码的构件,称为框架式构件;内核按职能分为四类,第一类是支持构件之间通用的通信和协同工作的内核,第二类是支持构件之间高性能数据传输和调度的内核,第三类是支持框架式构件之间计算资源的分区的内核,第四类是实现框架式构件运行形式的

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图表索引
• 主要符号对照表
• 第1章 前言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 嵌入式软件
• 1.1.2 商用嵌入式操作系统
• 1.1.3 构件化嵌入式操作系统
• 1.1.4 嵌入式构件模型
• 1.2 相关技术
• 1.2.1 构件化的嵌入式操作系统
• 1.2.1.1 Pebble
• 1.2.1.2 THINK
• 1.2.1.3 TinyOS
• 1.2.2 构件化的软件模型
• 1.2.2.1 Click
• 1.2.2.2 Koala
• 1.2.2.3 Simulink
• 1.2.2.4 NP-Click
• 1.2.3 总结和讨论
• 1.3 本文的主要内容及组织安排
• 第2章 多内核构件化嵌入式操作系统Pcanel
• 2.1 多内核操作系统技术
• 2.1.1 经典的双内核技术
• 2.1.2 多内核技术的定义
• 2.1.3 五个内核
• 2.2 支持构件模型的内核
• 2.2.1 面向嵌入式系统
• 2.2.2 构件化的软件架构
• 2.2.3 构件的开发和运行
• 2.2.4 C-Kernel
• 2.2.4.1 线程、空间和通信
• 2.2.4.2 构件运行形态
• 2.2.4.3 远程方法调用
• 2.2.5 性能评估
• 2.3 支持数据流框架的内核
• 2.3.1 面向数据流应用
• 2.3.2 面向数据流的软件框架
• 2.3.3 D-Kernel
• 2.3.3.1 元件行为的调度
• 2.3.3.2 数据包的传递
• 2.3.4 性能评估
• 2.4 虚拟化平台以及相关的内核
• 2.4.1 介绍
• 2.4.2 虚拟化平台SmartVP
• 2.4.3 实时操作系统T-Kernel内核
• 2.4.4 通用操作系统Linux内核
• 2.4.5 资源分区和共享
• 2.4.6 V-Kernel
• 2.4.7 标准化接口
• 2.4.8 性能评估
• 2.5 小结
• 第3章 构件模型SmartCM
• 3.1 微内核技术
• 3.2 C-Kernel的实现
• 3.2.1 线程
• 3.2.1.1 组织结构
• 3.2.1.2 特权线程
• 3.2.1.3 优先级
• 3.2.2 地址空间
• 3.2.3 通信
• 3.2.3.1 数据的传递
• 3.2.3.2 IPC两阶段
• 3.2.3.3 客户端/服务端模式
• 3.2.3.4 抢占式IPC
• 3.2.3.5 地址空间的传递
• 3.2.4 应用二进制接口
• 3.2.5 流水线处理
• 3.3 构件化运行环境
• 3.3.1 反射机制
• 3.3.1.1 灵活的自适应性
• 3.3.1.2 反射式调度
• 3.3.1.3 反射式空间管理
• 3.3.2 构件的交互
• 3.3.2.1 优先级倒置问题
• 3.3.2.2 基于事务的远程方法调用
• 3.3.2.3 抢占式的远程方法调用
• 3.3.3 构件的保护
• 3.3.3.1 共享地址空间
• 3.3.3.2 数据保护机制
• 3.3.4 接口编译器
• 3.4 性能评估
• 3.4.1 内核的基础性能
• 3.4.2 构件模型的性能
• 3.5 小结
• 第4章 数据流框架SmartDF
• 4.1 元件模型
• 4.1.1 构件化的数据流应用
• 4.1.1.1 基于IPC传递数据包
• 4.1.1.2 有规律的交互
• 4.1.1.3 调度与通信的分离
• 4.1.1.4 应用分析
• 4.1.2 理论模型
• 4.1.2.1 框架与元件
• 4.1.2.2 框架的组合
• 4.1.3 计算模型的支持
• 4.2 D-Kernel的实现
• 4.2.1 并发处理
• 4.2.1.1 基于任务和事件的并发
• 4.2.1.2 非阻塞式同步
• 4.2.1.3 分段操作
• 4.2.2 控制器的结构
• 4.2.2.1 数据流调度网络
• 4.2.2.2 转换调度队列
• 4.2.2.3 事件控制器
• 4.2.2.4 任务控制器
• 4.2.2.5 模型控制器
• 4.3 运行环境
• 4.3.1 Element
• 4.3.1.1 size
• 4.3.1.2 Initialize & Destruct
• 4.3.1.3 Refine
• 4.3.1.4 Process
• 4.3.1.5 Resolve
• 4.3.2 Parameter
• 4.3.3 Port & Relaion
• 4.3.3.1 Token
• 4.3.4 Guard
• 4.3.5 Model
• 4.3.6 Director
• 4.4 性能评估
• 4.4.1 简单通信
• 4.4.2 复杂通信
• 4.4.3 调度
• 4.4.4 实例研究
• 4.4.4.1 通信
• 4.4.4.2 远程交互系统的数据流模型
• 4.4.4.3 构件化开发
• 4.4.4.4 讨论
• 4.4.4.5 性能测试
• 4.5 小结
• 第5章 支持多核处理器的SmartDF
• 5.1 多核处理器的嵌入式系统
• 5.1.1 MPSoC架构介绍
• 5.1.2 MPSOC软件开发
• 5.1.3 多处理器的实时调度
• 5.1.3.1 Earliest Deadline First（EDF）
• 5.1.3.2 Branch-and-Bound Algorithm（B & B）
• 5.1.3.3 Pfair
• 5.2 分布式运行环境
• 5.2.1 运行模式
• 5.2.2 元件的分配
• 5.2.3 运行结构
• 5.3 数据流调度模型
• 5.3.1 调度问题
• 5.3.2 调度算法
• 5.3.2.1 调度策略1
• 5.3.2.2 调度策略2
• 5.3.3 算法实现
• 5.4 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文工作的总结
• 6.2 未来工作的展望
• 附录A 可视化开发环境SmartDesign
• A.1 GME工具
• A.2 建模和设计
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢