基于媒体处理器的嵌入式操作系统研究

论文摘要

在嵌入式系统飞速发展的今天,各种嵌入式系统广泛运用于生产和生活的各个领域。媒体应用的发展,对嵌入式硬件和软件的设计都提出了更高的要求。为了在减少功耗并获得更高的计算性能,嵌入式媒体处理器在增强单个处理器核的处理能力的同时,通过发展多处理器系统芯片,从而提高硬件性能。嵌入式操作系统,作为嵌入式软件开发的基础平台,不仅确保了嵌入式系统的稳定性与可靠性,同时也降低了嵌入式软件的开发成本,缩短嵌入式系统的开发周期,成为嵌入式系统中的重要组成部分。本文以本课题组自主开发的MediaSoC媒体处理器以及RISC32E处理器IP核为硬件原型,以嵌入式系统在设计及应用的过程中对操作系统软件的需求为出发点,对嵌入式操作系统软件的设计展开研究工作。本文在MediaSoC系统中的RISC32E处理器IP核验证平台上构建Linux嵌入式操作系统,加快了处理器IP核设计的验证过程,以软硬件协同的方式保证嵌入式硬件设计的正确性。并通过Linux各项系统功能在RISC32E处理器上的实现过程,探讨了处理器硬件与嵌入式软件在任务及内存管理方面的协同运作的机制。本文针对嵌入式系统在实时应用方面的需求,在RISC32E处理器上,构建了一个小型实时操作系统Iota,实现包括任务管理、任务间同步、存储管理、时钟管理等功能。根据RISC32E处理器的特点,对Iota的功能进行了完善,利用RISC32E硬件MMU模块实现了Iota的虚拟内存管理。本文根据MediaSoC媒体处理器芯片在软件开发上的需求,针对MediaSoC媒体处理器异构多核的结构特点,对系统软件平台设计进行了研究。主要通过分布式与集中式控制相结合的方式,对系统中的任务进行管理。通过运行于主控RISC32E处理器核上的Iota模块,在系统的应用软件层与硬件层之间实现的控制与交互的接口,保证系统的实时性与可靠性。对于多核上的任务,针对嵌入式媒体任务的特点,通过构建Obiect-Schedule对象管理模块,以数据流模式对其进行管理。对象被静态地分配到各个处理器核上,并在初始化时向系统注册行为函数及数据流连接关系,在系统的调度下协同工作。减少系统开销,提高系统效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 嵌入式系统
• 1.1.1 嵌入式系统概述
• 1.1.2 嵌入式SoC系统的发展
• 1.1.3 嵌入式系统设计流程
• 1.2 嵌入式操作系统
• 1.2.1 嵌入式操作系统概述
• 1.2.2 传统嵌入式操作系统
• 1.2.3 嵌入式操作系统的发展
• 1.3 MediaSoC媒体处理器
• 1.4 本文的工作及各章节内容安排
• 第二章 RISC32E处理器验证平台的Linux系统构建
• 2.1 基于Linux的验证平台方案
• 2.2 RISC32E验证平台上的Linux可构建性分析
• 2.3 RISC32E平台上Linux进程调度与异常处理
• 2.3.1 Linux进程调度概述
• 2.3.2 RISC32E的异常机制
• 2.3.3 RISC32E平台上的异常处理
• 2.4 RISC32E平台上Linux内存管理的实现
• 2.4.1 Linux的存储管理概述
• 2.4.2 RISC32E的TLB模块
• 2.4.3 基于RISC32E TLB模块的页式存储管理实现
• 2.5 RISC32E验证平台上的Linux设备驱动开发
• 2.5.1 Linux设备驱动程序概述
• 2.5.2 控制台串口驱动开发
• 2.5.3 网卡设备驱动的移植
• 2.6 基于Linux的RISC32E验证平台的测试
• 2.6.1 Linux功能测试
• 2.6.2 应用程序测试
• 2.7 本章小结
• 第三章 面向RISC32E的实时操作系统内核设计
• 3.1 任务管理
• 3.1.1 实时调度算法概述
• 3.1.2 Iota任务调度模型
• 3.1.3 Iota任务调度实现
• 3.2 内存管理
• 3.2.1 实时操作系统的虚拟内存管理与保护模式
• 3.2.2 Iota的内存管理
• 3.2.3 Iota虚拟内存管理实现
• 3.2.4 Iota的动态内存分配
• 3.3 任务间同步
• 3.3.1 基于信号量的任务同步与互斥
• 3.3.2 Iota下信号量机制的实现
• 3.4.3 优先级逆转问题的解决
• 3.4 时钟模块
• 3.5 系统调用的实现
• 3.6 性能测试
• 3.7 本章小结
• 第四章 片上多处理器系统软件平台设计
• 4.1 MediaSoC处理器系统软件平台设计方案
• 4.1.1 设计要求
• 4.1.2 设计方案
• 4.2 多核任务模型
• 4.2.1 数据流系统与数据流图
• 4.2.2 对象的封装与调度
• 4.3 Obiect-Scheduler模块对象管理
• 4.3.1 对象调度
• 4.3.2 对象间数据通信
• 4.3.3 对象加载
• 4.4 系统性能测试
• 4.4.1 测试内容
• 4.4.2 测试平台
• 4.4.3 系统开销
• 4.5 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 作者攻读硕士期间参加的科研工作
• 致谢