基于Linux操作系统的实时性研究和改进

论文摘要

基于Linux的实时操作系统,由于开放源代码,以及Linux系统的强大功能和稳定性,日益受到人们的欢迎。但是Linux系统本身是一个分时操作系统,所以必须对其进行实时性改造。RTAI是目前比较成功的Linux实时化方案之一,但是它只支持一种基于静态优先级的调度算法,限制了其应用的范围,因此可以改进其调度机制来扩展RTAI的应用。本课题以Linux操作系统为研究对象,在RTAI基础上设计并实现了一种通用的实时调度框架。通过在RTAI实时内核中添加一个实时调度选择模块,然后对实时内核的相关数据结构进行改进,并添加相关的实时调度算法,使得该选择器可以根据不同的属性值来选择需要的调度策略,改变了RTAI在实时调度策略上的单一性。文中论述了Linux进程调度机制,分析了Linux系统实时性不佳的主要原因,归纳了几种提高Linux实时性的方法,并对Red-Linux的实时调度框架进行分析与研究,从而形成了本文的设计思想。RM算法和EDF算法是最经典的实时调度算法,但在实际应用过程还存在瞬间过载等问题,文中给出了相应的解决方法。最后通过实验结果的分析,验证了通用调度框架和算法设计的正确性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 嵌入式实时Linux及国内外研究概况
• 1.3 论文研究内容和组织结构
• 第二章 实时操作系统
• 2.1 RTOS概述
• 2.2 RTOS的组成
• 2.3 RTOS的关键技术
• 2.3.1 进程管理和调度
• 2.3.2 中断管理
• 2.3.3 进程间同步和互斥
• 2.3.4 内存管理机制
• 2.4 本章小结
• 第三章 Linux调度机制分析及实时方案研究
• 3.1 调度概述
• 3.2 Linux进程调度机制
• 3.2.1 Linux进程的调度时机
• 3.2.2 Linux进程的调度策略
• 3.3 Linux操作系统实时性能不足的原因及改进方法
• 3.3.1 Linux实时性能不佳的主要原因
• 3.3.2 Linux实时性能改进的主要方法
• 3.4 Linux实时化方案研究
• 3.4.1 单内核结构的实时Linux
• 3.4.2 双内核结构的实时Linux
• 3.5 本章小结
• 第四章 实时调度算法研究
• 4.1 实时调度的基本知识
• 4.1.1 任务及其特性
• 4.1.2 任务间的相关性
• 4.1.3 实时调度算法的分类
• 4.1.4 实时调度策略
• 4.2 RM算法
• 4.2.1 算法概述
• 4.2.2 可调度性分析
• 4.2.3 偶发性任务处理
• 4.2.4 瞬间过载
• 4.3 EDF算法
• 4.3.1 算法概述
• 4.3.2 非周期性任务的调度
• 4.3.3 优先级翻转与优先级继承
• 4.4 本章小结
• 第五章 通用调度框架的设计和改进
• 5.1 RTAI的关键技术
• 5.1.1 RTAI体系结构和技术简介
• 5.1.2 RTAI调度机制
• 5.2 实时调度框架设计与实现
• 5.2.1 系统框架设计
• 5.2.2 系统调度主模块
• 5.2.3 添加调度策略
• 5.2.4 增加调度算法
• 5.2.5 调度选择器的实现
• 5.3 调度器设计
• 5.3.1 RM调度器的设计
• 5.3.2 EDF调度器的设计
• 5.4 实验结果分析
• 5.4.1 实验设备和测试前的准备工作
• 5.4.2 系统测试
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 工作总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 硕士在读期间发表论文和成果
• 附录